иммерсионное олово что это

Финишное покрытие: иммерсионное олово

Imm Sn (иммерсионное олово) – одно из основных финишных покрытий, соответствующих требованиям директивы Европейского Союза RoHS. Альтернатива HASL. Базовая технологическая толщина слоя олова – 1 мкм (0,5-0,8 мкм Imm Sn и 0,08-0,1 мкм барьерный защитный слой).

Нюансы нанесения и эксплуатации

Иммерсионное олово, в отличие от иммерсионного золота/серебра, имеет меньшую распространенность и редко применяется на производстве печатных плат. При этом такое финишное покрытие способствует увеличению интерметаллидных соединений и возникновению коротких замыканий на контактных площадках, связанных с образованием кристаллических нитевидных усов.

Особенности развития технологии

Интерметаллидные соединения, Cu_x Sn_y, в начале развития технологии иммерсионного олова значительно ограничивали производственный процесс. В то время, способность к пайке при нанесении покрытия исчезала через 14-30 дней. Это было связано с быстрым распространением и поглощением интерметаллидами тонкого слоя олова.

Процесс оловянирования

Процесс нанесения иммерсионного олова похож на Imm Ag. Единственное отличие: временной промежуток выдержки печатной платы в ванне с оловом (до 15 мин). При этом технология дополняется этапами отмывки электролита и тестирования качества паяемости финишного покрытия (включая рентгенофлуоресцентные методы). Продолжительность процесса оловянирования: 35 мин.

Источник

Рекомендации по монтажу печатных плат с покрытием иммерсионным оловом ImSn (Immersion Tin)

Иммерсионное олово (Immersion Tin, ImSn) — ещё одна альтернатива HASL-процессам. Популярность ImmSn растёт за счёт обеспечения хорошей смачиваемости припоем и демонстрирует беспроблемную и лучшую паяемость, чем иммерсионное золото ENIG (Electroless Nickel / Immersion Gold). Для чистого олова, применяемого в качестве финишного покрытия, характерны две основные проблемы — образование так называемых «усов» олова и образование интерметаллических соединений CuXSnY, которые могут явиться причиной ухудшения паяемости. В паяных соединениях интерметаллический слой играет роль механической связки. Но, так как толщина оловянного покрытия весьма невелика (до 1,5 мкм), в процесс формирования интерметаллидов этот тонкий слой олова быстро поглощается («съедается»), интерметаллиды подвергаются окислению, и покрытие утрачивает способность к пайке. Из-за данного эффекта такое покрытие может потерять паяемость за две недели.

В процессе нанесения ImSn по технологии Stannatech фирмы Atotech, неблагоприятные явления предотвращаются введением барьерного подслоя, и способность к пайке чистого олова (1…1,2 мкм) с барьерным подслоем (0,1…0,2 мкм) гарантированно сохраняется до 6 месяцев, при нормальных комнатных условиях, и до года, при соблюдении рекомендуемых условий хранения и использования. Однако, формирования интерметаллидов продолжается при хранении (хотя и значительно медленнее) и при пайке. Так, хранение в течении года «съедает» примерно 0,45 мкм из 1,2 мкм слоя олова, а три цикла оплавления при температуре 235 °С «съедают» 0,35 мкм. Из этих соображений, можно сделать вывод, что после хранения печатных плат в течении 6 месяцев (при нормальных комнатных условиях), чистого олова будет достаточно для последующей пайки за три цикла оплавления. Но, в силу объективных причин в реальном монтажном производстве, «беспроблемная паяемость» сохраняется не всегда.

Можно выделить 4 ситуации, при которых повышается скорость деградации покрытия в несколько раз, и как следствие ухудшается способность покрытия к смачиванию припоем:

После внедрения процесса мы достаточно хорошо изучили свойства паяемости на своей практике в различных ситуациях и выработали практические рекомендации для «беспроблемной пайки» наших плат с покрытием иммерсионным оловом (ImmSn):

Первая и самая главная рекомендация — при первом цикле пайки оплавлением, в особенности когда планируется в дальнейшем допайка второй стороны, или допайка штыревых компонентов, необходимо нанести паяльную пасту на все открытые площадки, в т.ч. на немонтируемые. И тогда, после оплавления, можно избежать всех выше перечисленных ситуаций, т.к. в результате оплавления останавливаются неблагоприятные процессы в покрытии, а так же исчезают их последствия (в т.ч. исчезают подозрения на «усы» и т.п. осложнения).

Вторая — если по какой либо причине нанести пасту и оплавить не предоставляется возможным, то необходимо максимально сократить интервал хранения между пайкам. В этом случае, при соблюдении условий и срока хранения, обращения с платами, покрытие гарантированно выдерживает 3 цикла оплавления при температуре до 235 °С, без ухудшения свойств паяемости. При пайке можно использовать любые неактивные флюсы (например флюс Multicore MF210 / X33-12i) или флюсы на канифольной основе. При допайке после 2-4 циклов, лучше всего использовать более активные флюсы (например флюс INDIUM WF-9942 или флюс-гель TACFlux 020B).

Третья — при истекшем сроке хранения, увеличении количества циклов оплавления или интервала между пайкой, или несоблюдении условий хранения, нарушение технологии пайки и т.п. лучше всего помогает «реанимировать» паяемость покрытия, пайка паяльной пастой (например KESTER R276) содержащий активный флюс.

В заключении хотелось бы отметить следующее — некоторые монтажники пытаются компенсировать ситуацию, поднимая ещё на одну ступень температуру пайки. Но нужно помнить, что увеличение температуры на каждые 8…10 °С от рекомендованной температуры, изменяет скорость всех процессов, в том числе скорость деградации покрытия, в два раза. Кроме того, нарушения температурных режимов оплавления и пайки неблагоприятно влияет на диэлектрическое основание плат, металлизацию отверстий. Диэлектрическое основание плат после температуры стеклования (повышение температур паек до 260…270 °С) интенсивно расширяется и за счет этого нагружает металлизацию отверстий и сдвигает внутренние соединения в многослойных печатных платах. Это может привести к многочисленным разрывам соединений и трещинам в объёме оснований плат.

Источник

Покрытия под пайку (ч.2)

Первая часть этой статьи:

Содержание второй части:

7. Иммерсионные покрытия.

Увеличение плотности поверхностного монтажа на платах за счет использования BGA-компонентов с малым шагом выводов и чип-компонентов в микрокорпусах предъявляет особые требования к кривизне монтажных поверхностей. Как уже упоминалось ранее основным недостатком HASL является возможность образования наплывов припоя, что будет сильно влиять на кривизну. Хорошей альтернативой в данном случае являются иммерсионные покрытия (рисунок 5). Несмотря на то, что они обладают несколько худшей паяемостью, по сравнению с HASL и оплавленным гальваническим оловом/олово-свинцом, они не оставляют на печатных платах наплывов.

Еще одним преимуществом иммерсионных покрытий является возможность их избирательного нанесения только на поверхности, подлежащие пайке, т.е. в окна паяльной маски.

Рассмотрим суть иммерсионных процессов.

Иммерсионный процесс состоит в управляемой цементации, т.е реакции контактного обмена. При этом на покрываемой поверхности осаждается тонкий слой металла, соль которого присутствует в рабочем растворе. В свою очередь часть металла-основы переходит в раствор в виде ионов. Главная проблема иммерсионных процессов состоит в том, чтобы подобрать такой раствор, из которого будет осаждаться компактное и прочно сцепленное с основой покрытие.

Во-первых, потенциал осаждаемого металла в растворе должен быть положительнее, чем потенциал металла-основы.

Во-вторых, если разность потенциалов между металлом-основой и металлом-покрытием будет значительной, то процесс пойдет очень быстро, с образованием толстого рыхлого мажущегося осадка. С другой стороны, скорость нанесения покрытия и его толщина не должны быть и слишком маленькими. Два этих условия обычно находятся в противостоянии и приходится искать компромисс.

Управление указанными факторами осуществляется связыванием ионов металлов в комплексы с различными (для конкретных условий) константами нестойкости. Чем меньше константа, тем прочнее комплекс. В растворы могут также вводиться функциональные добавки.

7.1 Иммерсионное олово ImmSn.

Олово является самым известным представителем класса иммерсионных покрытий. Имея толщину до 1 мкм оно обеспечивает хорошую смачиваемость поверхности припоями и совместимо со всеми способами пайки. Покрытие легко наносится при соблюдении технологического режима. Паяемость иммерсионного олова выше, чем ImmAu, сохраняется от одного года до нескольких лет (при условии нанесения специального подслоя).
Процесс иммерсионного нанесения олова должен идти по реакции:

Cu 0 + Sn 2+ → Cu 2+ + Sn 0

Но легко заметить, что стандартный электродный потенциал Cu более положителен по отношению к потенциалу Sn, следовательно, реакция замещения будет происходить только в присутствии комплексообразователя (например, тиомочевины NH₂CSNH₂), благодаря чему потенциал меди сместится в отрицательную область и станет более отрицательным, чем потенциал олова. После этого станет возможна реакция:

Существует четыре ограничения для ImmSn:

В паянных соединениях интерметаллический слой связывает две поверхности между собой. В случае же системы «медь-оловянное покрытие» образование и рост интерметаллидов является сугубо негативным явлением с точки зрения последующей паяемости. Образование интерметаллических соединений типа Cu_xSn_y (Cu₆Sn₅, Cu₃Sn) происходит за счет взаимодиффузии меди в оловянное покрытие. Олово само по себе склонно к образованию интерметаллидов за счет своей тетрагональной объемноцентрированной кристаллической решетки. В поперечном сечении ячейка решетки имеет форму прямоугольника. Некубическая структура решетки свидетельствует о том, что в разных направлениях свойства металла могут отличаться (анизотропия). Действительно, для олова коэффициент температурного расширения и самодиффузии больше в направлении более длинной стороны ячейки.

Учитывая, что толщина оловянного покрытия не превышает 1 мкм, процесс может идти очень быстро и уже через 2 недели способность к пайке пропадет полностью.

Усы начинают расти за счет напряжений сжатия в покрытии. Эти напряжения могут возникать из-за:

Ниже приведен пример роста таких кристаллов между медными проводниками.

Оловянная чума является превращением бетта-олова (белое) в альфа-олово (серое) при температуре ниже 13,2 о С (теромдинамически). При переходе из одной аллотропной модификации в другую происходит перестройка атомов олова в кристаллической решетке и компактное покрытие рассыпается (рисунок 9).

В практике нанесения иммерсионного олова на печатные платы вопрос оловянной чумы стоит редко, т.к. при пайке в покрытие попадают компоненты припоя и «загрязняют» его. Так что разрушения паянных соединений до температуры минус 30-40 о С ожидать не следует.

Все рассмотренные проблемы, актуальные для иммерсионного олова под пайку решаются применением блокирующего подслоя, например, органического металла (процесс OM-ImmSn).

Органический металл не содержит в составе металлов (в отличие от металлорганики). Он обладает электронной проводимостью, имеет потенциал серебра, обладает каталитическими свойствами, может быть окислен и восстановлен без структурных изменений. Он также полностью не растворим и может использоваться только в виде суспензии.

Введение между медью (основой) и иммерсионным оловом защиты из органического металла не мешает обмену электронами для протекания реакции замещения, но предотвращает взаимную диффузию Cu и Sn (рисунок 10). Благодаря наличию защитного подслоя способность к пайке иммерсионного олова толщиной 0,5-0,8 мкм с барьерным подслоем 0,08-0,1 мкм сохраняется больше года.

Присутствие органического металла оказывает прямое влияние на структуру осадка ImmSn: она становится более совершенной и менее напряженной, что дает возможность получить очень плотную и гладкую поверхность. Также подавляется самопроизвольный рост «усов».

Преимущества иммерсионного олова с защитным подслоем:

7.2 Иммерсионное золочение ImmAu.

Иммерсионное золото, как и олово, наносится погружением деталей в специальный водный раствор. При этом может происходить реакция, например:

В данной реакции золото присутствует в виде цианидных комплексов, т.к. разность потенциалов между золотом и никелем огромна, поэтому покрытие будет выделяться плохо сцепленным, если золото не будет связно в прочные комплексы. А комплексы с цианидами самые прочные.

В отличие от иммерсионного олова, золото ни при каких обстоятельствах нельзя наносить прямо на медные проводники. Взаимодиффузия золота и меди приводит к быстрой потере паяемости из-за превращения тонкого слоя золота в интерметаллид состава CuxAuy, который не растворяется в припое. В качестве барьерного подслоя используется химически осажденный никель толщиной 3-6 мкм, однако в таком исполнении процесс будет относиться уже к комбинированным и называться ENIG (рассматривается далее).

7.3 Иммерсионное серебрение ImmAg.

Иммерсионное серебрение выполняется аналогично золочению. Толщина покрытия составляет 0,2-0,3 мкм, воспроизводимость по толщине очень хорошая, что важно для плат, работающих на высоких и сверхвысоких частотах.

Покрытие более долговечно, чем OSP, но немного уступает в этом ENIG.

К недостаткам ImmAg следует отнести:

Пожелтение не сказывается на свойствах, но эстетический вид изделия страдает. Консервационная обработка тормозит процесс пожелтения, хотя и не останавливает его.

Ассоциация IPC не так давно выпустила редакцию нового стандарта IPC-4553A. Документ устанавливает требования к слою иммерсионного серебра, наносимому в роли финишного покрытия под пайку.

8. Результаты сравнительных испытаний покрытий под пайку.

Для сопоставительных испытаний были выбраны:

Испытания паяемости выполнялись с использованием менискографа путем погружения образцов в ванну с расплавом ПОС 63 при температуре 250 о С.

Нормальная паяемость должна соответствовать стандарту ANSI/J-J-STD-003:

Время смачивания TZ, секунд

Максимальная сила смачивания P_max, мН/м

Источник

Иммерсионное олово. Прошлое и будущее

Аркадий Медведев

Светлана Шкундина

Введение

Иммерсионные процессы – это контактное восстановление металлов из их растворов на электроотрицательных поверхностях. Происходит реакция замещения металла основы на металл из раствора. Название этого процесса произошло от английского слова immertion, что означает «погружение». Действительно, для этого процесса достаточно погрузить деталь в раствор из менее электроотрицательного металла, чтобы начать процесс иммерсионного осаждения. После образования плотной пленки процесс останавливается, поскольку прекращается контактный обмен. Поэтому иммерсионные процессы образуют принципиально тонкие покрытия — порядка десятых долей микрона. Но и при такой толщине в осаждаемой пленке не может быть непокрытий, поскольку на них продолжится контактный процесс восстановления, до того как поверхность основы не закроется.

Существо процесса

С переходом на бессвинцовую технологию многие производители стали применять чистое олово для покрытия выводов и контактных поверхностей компонентов. Большинство крупных производителей уже исключают или значительно снижают доли свинца в своих изделиях, выводя на рынок так называемые green-продукты. Иммерсионное олово (ImmSn) — технологическое покрытие, совместимое со всеми способами пайки, удовлетворяющее требования RoHS и обеспечивающее высокую плоскостность контактных площадок платы. Популярность ImmSn растет за счет обеспечения хорошей смачиваемости и простоты процесса осаждения. ImmSn демонстрирует беспроблемную и лучшую паяемость, чем процесс иммерсионного золочения [2].

Иммерсионное олово обеспечивает хорошую па-яемость после длительного хранения: гарантийный срок хранения — 1 год (паяемость покрытия сохраняется до нескольких лет).

Покрытие иммерсионным оловом контактных площадок печатных плат применялось и ранее, наряду с оловянно-свинцовым покрытием, благодаря такому необходимому для выполнения качественных паяных соединений свойству, как плоскостность поверхности. Плоская поверхность покрытых иммерсионным оловом контактных площадок позволяет производить качественный поверхностный монтаж многовыводных компонентов, в том числе с малым шагом выводов. Кроме того, применение чистого олова в бессвинцовой технологии обеспечивает отсутствие примесей других материалов, вносимых в припой во время пайки. Эти качества в комплексе с невысокой ценой олова стали предпосылкой для широкого применения процессов нанесения иммерсионного олова в качестве покрытия [3].

Иммерсионное олово осаждается химическим способом на медную поверхность печатного рисунка путем реакции замещения. При этом металл покрываемой основы отдает электрон иону олова в растворе, который переходит в металлическую форму, металл основы при этом растворяется анодно:

Стандартный электродный потенциал меди положителен по отношению к потенциалу олова, поэтому реакция замещения может происходить только в присутствии комплексообразователя (тиомочеви-ны), который сдвигает потенциал в отрицательную область значений по отношению к олову:

Толщина иммерсионного оловянного покрытия составляет около 1 мкм.

Однако с началом активного использования чистого олова при постоянно растущих требованиях к микроминиатюризации изделий специалисты столкнулись с новыми проявлениями давно известных в металлургии особенностей этого материала, например «усов» олова и «оловянной чумы».

Whiskers — длинные кристаллообразования

Образование вискерсов – давно известное явление (англ. whiskers – усы). Оно характерно не только для олова. К образованию «усов» склонны и такие металлы, как цинк и кадмий. В действительности первые опубликованные сообщения об «усах» олова датированы 40-50 годами XX века, однако в производстве электроники этому явлению уделялось мало внимания, поскольку рост оловянных «усов» не происходит при наличии свинцовосодер-жащего покрытия оловянных основ, а также при достаточном количестве примеси свинца в олове. Использование классического эвтектического оловянно-свинцового сплава, наиболее широко применявшегося до перехода на бессвинцовую технологию, гарантировало отсутствие данной проблемы.

«Усы» олова представляют собою тонкие нити, которые могут расти вертикально, изгибаясь (рис. 1) [5], спиралевидно, в виде крю-кообразных или вилкообразных кристаллов олова (рис. 2) [6]. Длина «усов» может достигать 150 мкм, что вызывает серьезную опасность замыкания соседних элементов проводящего рисунка печатной платы. «Усы», изгибаясь или отрываясь в процессе изготовления изделий и их эксплуатации, могут образовать проводящие перемычки между токоведущи-ми поверхностями. При достаточно большом токе «усы» могут плавиться, вызывая кратковременные отказы. Куски «усов» могут вызывать как перемежающиеся, так и постоянные отказы изделия.

Рис. 1. Пример изгибающихся «усов» олова под микроскопом

Рис. 2. Пример «усов» олова при увеличении в 3000x

Точно предсказать образование «усов» олова невозможно: они могут появляться как на новых изделиях, так и спустя годы после начала эксплуатации, и на элементах, и под ними. Они могут не появиться вообще. Известно, что «усы» обычно растут на покрытиях толщиной свыше 0,5 мкм [6].

По поводу причин роста «усов» олова до недавнего времени единого мнения у специалистов не было. За последние несколько лет произошли значительные сдвиги в области изучения «усов» и основных причин их образования, но, тем не менее, окончательного согласованного решения по причинам данного явления еще нет. Также не существует промышленных стандартов, дающих определение «усам» олова и регламентирующих методы борьбы с ними.

Установлено, что движущей силой в образовании «усов» является сдавливающее напряжение в слоях олова. Это напряжение может быть следствием различных причин, таких как формирование интерметаллической структуры, окисление и коррозия, цикличное изменение температур или механическое воздействие [6].

В гальванических оловянных покрытиях сразу же после осаждения возникает напряжение растяжения, которое со временем (3-5 дней) ослабевает. Через 5-7 дней начинает расти внутреннее напряжение сжатия, которое является следствием образования на границе слоев олово/медь интерметаллидов (Cu₆Sn₅ и Cu₃Sn), молярный объем которых больше по отношению к объему чистых слоев олова и меди. В результате происходит винтовой сдвиг по границе зерен кристаллической решетки, где и начинается рост нитевидных кристаллов [5].

Иммерсионное олово имеет маленькую толщину, поэтому напряжение растяжения после покрытия не возникает. Однако рост «усов» все же имеет место, и причиной их роста является напряжение сжатия в результате роста слоя интерметаллидов. Так как толщина олова невелика, его атомы мигрируют вдоль границ между зернами металла к месту роста нитевидных кристаллов.

Тонкие слои покрытия наиболее подвержены внутренним напряжениям, так как интер-металлиды быстро поглощают слой чистого олова полностью и окисляются. Оптимальная толщина иммерсионного олова, равная

1 мкм, представляет уже серьезную трудность для диффузии интерметаллидов [5].

«Усы» олова не следует путать с ростом дендритов, которые также являются относительно частой причиной отказов электронных устройств, выражающихся преимущественно в перемежающихся или постоянных коротких замыканиях. Различие заключается не только в процессе формирования, но и в том, что известно об этих двух явлениях.

Дендриты — электрохимические мостики

Дендриты хорошо изучены, поскольку не являются проблемой, вызванной переходом на бессвинцовую технологию. Они представляют собой металлические нити или кристаллы, которые растут на поверхности металла (в плоскости X-Y), а не перпендикулярно ей (в отличие от «усов»), в виде древовидных структур. Механизм роста дендритов носит электрохимический характер. То есть для роста дендритов необходимо иметь разбавленный электролит и электрическое напряжение, а следовательно, дендриты могут приводить к отказам только в случае наличия условий для образования разбавленного электролита (например, влажность плюс остатки флюса или органических кислот), а также только при эксплуатации изделия.

Под действием присутствующего на плате напряжения проводник-анод растворяется, отдавая в канал положительно заряженные ионы металла (рис. 3а). Ионы направляются к проводнику-катоду, восстанавливаются на нем до металлического состояния, образуя в изоляционном зазоре проводящие перемычки в виде дендритоподобной рыхлой металлической структуры (рис. 3б). Скорость роста дендритов на катоде может достигать 0,1 мм в минуту. В результате этих процессов за несколько минут могут образоваться нитевидные кристаллы толщиной 2-20 мкм и длиной до 12 мм (рис. 3в). После образования нитевидной перемычки кристаллы постепенно утолщаются до 0,1 мм, приобретая отчетливый металлический блеск. Сопротивление таких кристаллов может доходить до 1 Ом [7].

Рис. 3. Схема образования дендрита в канале, наполненном ионогенными загрязнениями

Последовательность роста дендритов хорошо прослеживается на фотографиях (рис. 4).

Рис. 4. Стадии роста металлических дендритов: 1 — 2 мин; 2 — 2,5 мин; 3 — 3 мин; 4 — 4 мин

Рост дендритов наблюдается на проводниках со всеми видами покрытий: Ag, Cu, SnPb, Au, AuPd. Во избежание развития дендритного роста производители контролируют присутствие на конечных изделиях влаги и остатков химических веществ, которые способны растворить металл с образованием ионов, формирующих затем дендриты [8].

Интерметаллиды

Как известно, интерметаллиды или интерметаллические соединения — это соединения двух или нескольких металлов между собой. Они образуются в результате взаимодействия компонентов при сплавлении, конденсации из пара, а также при реакциях в твердом состоянии вследствие взаимной диффузии (при химико-термической обработке), при распаде пересыщенного твердого раствора одного металла в другом, в результате интенсивной пластической деформации при механическом сплавлении (механоактивации) [9]. По сути, интерметаллид — тонкий пограничный слой взаимопроникновения паяемых металлов друг в друга.

В паяных соединениях интерметаллический слой играет роль механической связки. Однако образование интерметаллидов между оловянным покрытием и материалом основы и их последующее окисление являются прямой причиной ухудшения паяемости. Если толщина оловянного покрытия слишком мала, постоянно растущий слой интерметаллидов поглощает чистое олово, окисляется и ухудшает смачиваемость припоем [9].

Как уже отмечалось, образование интерме-таллидов может быть причиной образования «усов» олова.

Подверженность олова к образованию интерметаллидов связана с его структурой, которая имеет объемноцентрированную тетрагональную кристаллическую решетку. Соотношение длины сторон ячейки решетки (с/а) меньше единицы (прямоугольник в поперечном сечении). Такая некубическая структура решетки свидетельствует об анизотропных свойствах металла. Для олова коэффициент температурного расширения и коэффициент самодиффузии больше в направлении более длинной стороны кристаллической ячейки.

Образование интерметаллидов сопровождается появлением так называемых волосных трещин, образованием непрочных паяных соединений, что негативно сказывается на характеристиках изделия.

«Оловянная чума»

«Болезнь» белого олова зависит не столько от совместной эксплуатации олова с какими-либо другими материалами, сколько от его природы.

В конце прошлого века произошел интересный случай: из Голландии в Москву отправили олово по железной дороге. Вышел поезд, груженный брусками белого олова, а привез он лишь серый, ни на что не пригодный порошок. В дороге олово «простудилось», и на него «напала чума» [1]. Это одна из нескольких легендарных историй, когда из-за «оловянной чумы» компании несли экономические потери и даже гибли люди.

В действительности эта «болезнь» — результат перестройки порядка атомов в кристаллическом олове.

Известно, что и белые, и серые кристаллы состоят из одних и тех же атомов олова. Однако основная причина различия — в расположении атомов в кристаллической решетке. От изменения размеров и форм атомных построек совершенно меняются свойства вещества [1].

Среди металлофизиков господствует мнение, что переход белого олова в серое начинается с «заражения»: на поверхность белого олова попадают частицы серого, и механизм их действия аналогичен действию «затравки» при кристаллизации жидкостей. Однако существует мнение, что для заражения «оловянной чумой» непосредственный контакт белого и серого олова не обязателен.

В настоящее время разработаны методы борьбы с ростом интерметаллидов, появлением «усов» олова и «оловянной чумы», благодаря которым можно избежать или уменьшить вероятность их появления.

Было установлено, что различные материалы конформных покрытий могут помочь уменьшить повреждения, вызываемые «усами» олова. Покрытия не предотвращают рост «усов», но исследования показали, что некоторые покрытия замедляют или тормозят их образование. В ряде случаев образовавшиеся «усы» оказываются «запертыми» внутри покрытия, которое предотвращает их развитие, приводящее к коротким замыканиям [5].

Применение недостаточно толстых или прочных покрытий для сдерживания роста «усов» является спорным моментом. Покрытия, которые имеют микроотверстия, в общем и целом, бесполезны, так как они позволяют проникать внутрь влаге. Эта влага создает условия для потенциального роста дендритов, а также обеспечивает канал для образования «усов». «Усы» олова очень устойчивы. Они будут расти под покрытием и, если оно не обладает достаточной прочностью, «усы» могут прорастать через него [5].

Кроме того, теоретически существенным источником сдавливающего напряжения в пленках олова может быть коррозия, и, как следствие, она может вызывать рост «усов». Поэтому необходимо применять меры по предотвращению сильного окисления и конденсации влаги.

Если на покрытие воздействует продолжительное механическое сдавливающее усилие, то риск роста «усов» олова значительно увеличивается. Необходимо провести тщательные испытания, чтобы определить, приведет ли рост «усов» к снижению надежности изделия.

«Оловянная чума» в электронной промышленности — явление достаточно редкое. Даже если применяются покрытия из совершенно чистого металлического олова, то после пайки оно растворяется в припойном сплаве, а при наличии примесей олово уже не подвержено «оловянной чуме». Именно поэтому олово применяется для пайки, и спаянные изделия не разваливаются. В покрытиях выводов компонентов, как правило, не применяется абсолютно чистое олово, к нему обязательно добавляются примеси, даже небольшое количество которых способно избавить от данной проблемы. Если добавить к олову, например, немного висмута, то можно предотвратить «оловянную чуму». Атомы висмута в кристаллической решетке олова мешают перестройке, и белое олово остается металлом и не разрушается даже при низких температурах. Кроме того, средством против «оловянной чумы» стало легирование олова сурьмой, кобальтом и другими металлами. При этом установлено, что алюминий и цинк, наоборот, способствуют процессу образования «чумы».

Новое покрытие ImmSn

В прошлом возможности использования иммерсионного олова были крайне ограничены еще и потому, что при непосредственном контакте олово с медью-основой образует интерметаллические соединения типа Sn_XCu_Y. После осаждения в течение нескольких недель олово полностью модифицируется в интерметаллоид и теряет паяемость. Поэтому производители печатных плат завершали изготовление плат иммерсионным оловянированием только накануне процесса пайки – не более чем за две недели до нее.

Принципиальные изменения в этом покрытии произошли благодаря успехам химиков, открывших существование особых полимеров – органических соединений, обладающих металлической проводимостью [11]. Введение между медью-основой и иммерсионным оловом барьера из органического металла не мешает обмену электронами для протекания реакции замещения, но предотвращает взаимодиффузию меди и олова (рис. 6). Благодаря наличию барьерного подслоя способность к пайке ImmSn (0,5-0,8 мкм) с барьерным подслоем (0,08-0,1 мкм) сохраняется больше года (на экспериментальных образцах – более 8 лет).

Рис. 6. Механизм реакции замещения при наличии барьерного подслоя из органического металла

Органический металл – чисто органическое соединение, не содержащее металлических добавок, проводит электрический ток, имеет потенциал «благородного металла» (серебро), обладает каталитическими свойствами, может быть окислено и восстановлено без видоизменений, полностью не растворимо и может использоваться только в виде дисперсии.

Присутствие органического металла оказывает прямое влияние на структуру последующего осадка иммерсионного олова. Создается более совершенная и менее напряженная структура олова, что дает возможность получить более плотную, гладкую поверхность. Это предотвращает также возможность роста самопроизвольных нитевидных кристаллических образований – «усов».

Финишные стадии химических процессов, предложенных в [12] (рис. 7):

Рис. 7. Стадии осаждения иммерсионного олова (сверху вниз): рисунок с удаленным металлорезистом, проявленная паяльная маска, осаждение барьерного подслоя из органического металла, иммерсионное оловянирование

Кислый очиститель удаляет окислы с поверхности меди.

Микротравитель на основе серной кислоты и перекиси водорода, химически воздействуя на медную поверхность, создает тонкую шероховатость поверхности, обеспечивающую хорошую адгезию с последующими химическими покрытиями.

Преимущества ImmSn с барьерным подслоем:

Рис. 8. Осаждение иммерсионного олова на линии горизонтального типа

Недостаток: платы требуют осторожного обращения.

Результаты испытаний

Покрытие ImmSn с подслоем органического металла прошло многочисленные испытания и хорошо закрепилось в производстве печатных плат. Это покрытие используется за рубежом и в России уже около восьми лет. В настоящее время ImmSn с подслоем органического металла внедрено на 14 российских предприятиях и успешно используется. На все растворы, составляющие процесс осаждения иммерсионного олова с подслоем органического металла, написаны российские ТУ, а сам процесс введен в действующий стандарт отрасли ОСТ 107.460092.028-96 «Печатные платы. Технические требования к технологии изготовления» [13].

Были проведены сопоставительные испытания, подтвердившие возможность использования иммерсионного олова с подслоем органического металла наряду с другими известными финишными покрытиями. Образцы для испытаний были профессионально изготовлены по стандартным процессам и требованиям к каждому типу финишного покрытия 14.

Для сопоставительных испытаний были выбраны:

Испытания проводились в Trace Labs (США), Ormecon Chemie (Германия) и Tele and Radio Research Institute (Польша) 15. Все финишные покрытия были подвергнуты воздействию следующих одинаковых условий:

Рис. 9. Испытания на баланс смачиваемости (на менискографе): а — касание образца поверхности расплавленного припоя; б — вход образца в припой; в — смачивание образца припоем; г — выход из расплава образца, смоченного припоем; д — увлечение припоя образцом; е — образец полностью вышел из припоя

Для тестирования применялась ванна с эвтектическим сплавом 63% олова и 37% свинца при температуре 250 °C и слабоактивированным флюсом с низким содержанием сухого остатка. Были выбраны следующие флюсы: для покрытий ENIG — TZ-3/ITR (на основе сложных органических эфиров дикарбоксили-да, активированный дикарбоксилидом и органической солью), а для покрытий Sn-Pb HASL, ImmSn и OSP — TN//4A/ITR (на основе сложных органических эфиров дикарбоксилида, активированный смесью дикарбоксилидов).

Для тестирования паяемости использовался соединенный с компьютером менискограф типа MK6A (рис. 10), который в ходе испытаний строил диаграмму, подобную показанной на рис. 11, 12.

Рис. 10. Схема менискографа

Рис. 11. Количественные оценки качества паяемости, получаемые менискографом

Рис. 12. Оценка качества смачиваемости на менискографе

Наличие интерметаллидов и окислов на финишном покрытии олова определялось с помощью электрохимического анализатора. Результаты испытаний показаны в таблицах 1-3.

Таблица 1. Результаты испытаний пайкой волной припоя — степень заполнения отверстий припоем,%

Таблица 2. Требования к нормальной паяемости печатных плат по ANSI/J-J-STD-003

Таблица 3. Результаты тестирования смачиваемости покрытий менискографом (баланс смачиваемости)

OM-ImmSn

Время смачивания t_Z (c) — время от момента первого контакта образца с припоем до момента, когда угол контакта эквивалентен 90°. Максимальная сила смачивания P_max (поверхностное натяжение) (мН/м) — измеряемая сила смачивания F_max (мН) образца припоем, отнесенная к металлической поверхности образца. Результаты тестирования паяемости представлены в таблице 3.

Результаты тестирования паяемости показали, что:

Полученные данные тестирования приводят к следующей иерархии — предпочтительной расстановке покрытий по их способности к пайке:

При рассмотрении результатов испытаний OM-ImmSn становится очевидно, что новая разработка технологии нанесения иммерсионного олова имеет значительные преимущества:

Наряду с испытаниями на паяемость было определено влияние технологий покрытий на сопротивление изоляции. Для этого были проведены испытания по ANSI/l-l-STD-004, которые показали, что после 96- и 168-часовой выдержки образцов «гребенок» в камере влажности поверхностное сопротивление изоляции для всех покрытий превышало 10 10 Ом, что на два порядка выше установленных норм.

Прочность паяных соединений на различных финишных покрытиях отличается несущественно. Испытания на сдвиг чип-резистора 1206 после пайки и выдержки при температуре 145 °C в течение 200 ч показали разрушающие усилия в пределах 80-95 Н. Наибольшее разрушающее усилие сдвига было получено для ENIG, однако оно незначительно больше, чем значения, полученные для покрытий HASL и OM-ImmSn.

Заключение

Все исследованные покрытия печатных плат продемонстрировали приемлемый уровень паяемости, требуемый в электронной промышленности, за исключением покрытия OSP, неустойчивого к высокотемпературному воздействию.

В исходном состоянии покрытия Sn-Pb HASL, ImmSn и OSP Enthone Entek Plus имеют сравнимую паяемость, а ENIG характеризуется чуть меньшей паяемостью.

Ускоренное старение снижает паяемость всех покрытий, но не ниже требуемого уровня.

Все исследованные технологии покрытия не снижают поверхностного сопротивления печатных плат.

Прочность на срез паяных соединений более-менее одинакова для всех покрытий.

Финишное покрытие иммерсионное олово с барьерным подслоем из органического металла показало наилучшие результаты испытаний на паяемость. Это позволяет рекомендовать его в качестве приоритетного финишного покрытия для современных конструкций электроники.

Источник