иммерсионное золото на печатных платах что это

Иммерсионное золочение

Иммерсией в химической науке называют процесс восстановления металлов из раствора на отрицательно заряженных поверхностях. Во время иммерсии атомы металла данной поверхности замещаются частицами металла, находящимися в растворе. Иммерсия стала популярным способом нанесения сверхтонкого слоя одного металла на другой. Классическим примером иммерсии может служить иммерсионное золочение.
Иммерсионное золочение используется, когда нужно получить золотое покрытие на радиоэлектронных компонентах: печатных платах, корпусах микросхем, любых небольших по размеру деталей. Процесс золочения состоит в замещении металла, являющегося покрытием печатной платы на золото. Обычно при иммерсионном золочении золото напыляется на покрытие химическим никелем. Толщина покрытия растет до того момента, когда вся обрабатываемая поверхность не покроется золотом. Как только это происходит, реакция прекращается. Методом иммерсионного золочения создают покрытия толщиной до 0,2 мкм золотом в 24 карата. Приведем рецепт электролита, используемого и для обычного иммерсионного золочения, и для комбинации иммерсионного и химического методов золочения.
Финишные покрытия, получившиеся в результате иммерсионного золочения, обладают малой пористостью. Кроме того у них самые лучшие параметры по паяемости и хорошая развариваемость, что дает возможность неоднократно проводить пайку и обеспечивает паяемость после долгого хранения. Помимо этого, площадки контактов, покрытые иммерсионным золотом, лежат в одной плоскости, что имеет большое значение при выполнении монтажа радиодеталей с коротким шагом выводов. Процедура нанесения иммерсионного покрытия достаточно сложна. Требуется чистая медная поверхность, где нет паяльной маски. Стоимость процесса выше, стоимости других видов покрытий. Но несмотря на все это, иммерсионное покрытие хорошо воспринимается пользователями печатных плат, поэтому, несмотря на дорогую цену, покрытие широко распространено в печатных платах повышенной сложности, произведенных по технологии без применения свинца. Время процесса в зависимости от требуемой толщины слоя колеблется от пяти секунд до нескольких минут. Материалом для ванны в случае иммерсионного золочения служит, как правило, стекло или сталь.

Осаждение происходит со скоростью 1,5 мкм/час. Температура электролита составляет 70оС.

Источник

Общие рекомендации по монтажу печатных плат с иммерсионным покрытием.

Финишное покрытие печатных плат химическим Ni/Au предназначено для групповой пайки, то есть пайка SMD-компонентов производится посредством оплавления паяльной пасты в конвекционной либо инфракрасной печи, а компоненты монтируемые в отверстия печатной платы паяются «волной припоя» с предварительным флюсованием и прогревом платы.

Оба этих процесса сходны тем, что перед пайкой происходит предварительный прогрев печатной платы, подготавливающий золотое покрытие (за счёт компонентов флюса) к улучшенному растеканию припоя по поверхности контактных площадок платы. Кроме того, в процессе пайки золото растворяется в расплавленном олове, а при описанных выше процессах, за счёт предварительной подготовки печатных плат, пайка производится быстро (не более 0,5 сек.), что уменьшает растворение тонкого (около 0,1 мкм) золотого покрытия.

Обеспечить такие условия при пайке паяльником практически невозможно. Но на практике иногда приходится применять паяльник при пайке «золочёных» плат. Идеальных результатов при этом добиться невозможно, но практика нашей работы позволяет дать некоторые практические советы по монтажу печатных плат с покрытием иммерсионным золотом:

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

Иммерсионное золочение под пайку

Аркадий Медведев

Юрий Набатов

Петр Семенов

Светлана Шкундина

Необходимость использования иммерсионного золочения для пайки обусловлена рядом причин. В первую очередь, это альтернатива металлургическим покрытиям под пайку. И хотя горячее лужение (HASL-процесс) или оплавление гальванического сплава олово-свинец обладают лучшей паяемостью, они оставляют на плате наплывы, мешающие нанесению пасты и установке мелких компонентов. Кроме того, мощный термоудар, который испытывают платы при лужении и оплавлении, травмирует их, снижает ресурс по обеспечению надежности межсоединений. Но увеличение плотности компоновки печатных узлов за счет использования BGA-компонентов с малым шагом выводов и чип-компонентов в микрокорпусах потребовало плоских монтажных поверхностей. Именно это обусловило применение финишных покрытий, обеспечивающих сочетание хорошей паяемости и плоской поверхности для установки и пайки высокоинтегрированных компонентов. В числе плоских финишных покрытий иммерсионное золочение – не единственное покрытие. Но пока что оно занимает лидирующие позиции по распространенности в изделиях ответственного применения (таблица) [1].

Таблица. Распространенность финишных покрытии на мировом рынке печатных плат

Само покрытие представляет собой композицию из меди контактной площадки, подслоя химически осажденного никеля и иммерсионно осажденного золота. Тонкий слой золота толщиной 0,05-0,1 мкм несет единственную функцию – защитить никель от окисления для последующей пайки. При пайке оно быстро растворяется в припое, при этом обнажается свежая поверхность никеля для смачивания припоем.

Всякий иммерсионный процесс состоит в реакции замещения одного металла другим из раствора. Поэтому толщина иммерсионного золота в данном случае принципиально не может быть большой: как только поверхность никеля будет закрыта золотом, ее взаимодействие с раствором для реакции замещения прекратится. Это значит, что все участки поверхности никеля будут обязательно покрыты золотом, пока они свободны для реакции замещения, а также что, несмотря на чрезвычайно малую толщину иммерсионно осажденного золота, его сплошность гарантируется самим механизмом процесса.

Иммерсионное золото можно было бы осаждать и прямо на медь контактной площадки, но их взаимная диффузия приводила бы к быстрой потере паяемости из-за превращения тонкого слоя золота в интерметаллоид CuXAuY, который не растворяется в припое. Барьерный подслой никеля толщиной 3-6 мкм предотвращает этот процесс диффузии и потерю паяемости.

Иммерсионное золото с подслоем никеля (Electroless Nikel/Immersion Gold, ENIG) позволяет проводить несколько циклов перепаек и гарантирует паяе-мость в течение 6 месяцев [3]. Это покрытие имеет плоскую контактную поверхность и хорошо смачивается припоем при правильном подборе флюса.

Иммерсионное золото можно также использовать как покрытие под накрутку, покрытие для контактов нажимного типа, для разъемов с нулевым усилием сочленения (контактирование без трения), для разъемных соединителей при условии их сочленения/расчленения не более пяти раз [3].

Последовательность процесса нанесения иммерсионного золота с подслоем химического никеля [2]:

Кислый очиститель удаляет масла, окислы, отпечатки пальцев с медных поверхностей. Он не оказывает воздействия на паяльную маску, краски, эпоксифенольные подложки. Микротравитель равномерно подтравливает медную поверхность, что дает отличную адгезию с никелем при его последующем осаждении.

Активатор – коллоидный палладиевый. Такой активатор полностью катализирует медную поверхность, не затрагивая диэлектрики. Использование активатора гарантирует получение плотного никелевого осадка при последующей обработке платы в ванне химического никелирования. Раствор химического никелирования дает качественное полублестящее покрытие сплавом никель-фосфор с хорошей пластичностью и отличной адгезией к медной поверхности контактной площадки (рис. 1) [2].

Рис. 1. Покрытие никель-фосфор, полученное из раствора химического никелирования КЕМ НИ 6000 (увеличение 10 000)

Из раствора иммерсионного золочения должен получаться плотный, мелкокристаллический, блестящий золотой осадок 24-каратного золота (рис. 2) [2].

Рис. 2. Плотное 24-каратное покрытие золотом, полученное из раствора иммерсионного золочения КЕМ А 3000

Исследования, проведенные в [4] и подтвержденные практикой работы ПТК ПП ГРПЗ, показали, что явление «черная контактная площадка» связано с чрезмерной коррозией никеля в процессе иммерсионного осаждения золота. Если кристаллическая структура осажденного никеля имеет вид, отличный от нормального (рис. 1), с большими меж-кристаллитными прослойками, как показано на рис. 3, это означает, что не вся поверхность никеля участвует в обменных реакциях с раствором золочения, а сами инородные прослойки, не покрытые золотом, являются причиной зарождения очагов коррозии (рис. 4).

Рис. 3. Кристаллическая структура химически восстановленного никеля с большими межкристаллитными прослойками

Рис. 4. Черная поверхность никеля (изображение увеличено)

Что провоцирует образование чрезмерно больших межкристаллитных прослоек?

Поверхностные процессы окислительно-восстановительных реакций, так или иначе, связаны с градиентами электрохимических потенциалов. Поэтому всякая неоднородность поверхности, включая краевые эффекты, недопустима для равномерной укрывистости золотом. И всякое локальное непрокрытие влечет опасность возникновения «черной контактной площадки». Отсюда вторая рекомендация: поверхности, подлежащие иммерсионному золочению, должны быть максимально сглажены, этого можно достичь при выполнении операции микротравления.

Процесс восстановления золота сопровождается растворением никеля, то есть это процесс коррозии никеля. При большой скорости реакции процесс замещения может оказаться несбалансированным, коррозия никеля может стать преобладающей, и под золотом уже образуется черная, пока не заметная глазу поверхность никеля. Предлагаемые рынком готовые процессы и растворы для иммерсионного золочения [5] предусматривают в своем составе компоненты, притормаживающие окислительно-восстановительный процесс. Третья рекомендация: нужно использовать надежных проверенных поставщиков химических процессов и материалов.

Общие рекомендации по обеспечению устойчивости процесса иммерсионного золочения:

Заключение

Иммерсионное золочение – процесс, требующий высокой технологической культуры. Приведенные рекомендации – лишь часть особенностей технологии золочения, которую использовали авторы.

Источник

Иммерсионное золото на печатных платах что это

На российском рынке финишных процессов для производства печатных плат (ПП) широко представлены иностранные продукты, стоимость которых высока. «Санкт-Петербургский Центр «ЭЛМА» поставил перед собой задачу создания продукта, не уступающего по качеству зарубежным аналогам, который при этом должен быть более доступным и экономичным для потребителя.

Настоящая работа посвящена новой отечественной технологии нанесения финишного покрытия «химический никель/иммерсионное золото» – ХимНиЗ 1600 производства OOO «СПбЦ «ЭЛМА», проблеме разработки технологии и испытаниям осажденного финишного покрытия.

Рассмотрим технологический процесс ХимНиЗ 1600 (табл. 1). Операции очистки, микротравления, декапирования традиционны при нанесении химических и гальванических покрытий, направлены на формирование равномерной шероховатости поверхности меди свободной от окислов и загрязнений.

Ключевой характеристикой процесса химического никелирования является длительная стабильность раствора в процессе работы. На производствах ПП часто приходится сталкиваться с проблемой разрушения этого раствора.

Надежность финишного покрытия «химический никель/иммерсионное золото» в значительной степени зависит от свойств химического никеля, используемого в качестве подслоя. Высокая компланарность слоя химического никеля – это одна из важных предпосылок к его высокой коррозионной стойкости в составе финишного покрытия.

При разработке процесса химического никелирования оптимизацию системы проводили варьированием концентрации никеля( II ) и восстановителя, кислотности среды. Для сформировавшегося покрытия проводили оценку таких показателей, как внешний вид, структура поверхности при многократном увеличении, скорость осаждения, содержание фосфора в осажденном покрытии. Осаждение химического никеля проводили на фольгированный диэлектрик при 85 ° С за 20 мин.

Влияние кислотности среды

Анализ микроструктуры поверхности химического никеля, осажденного при рН=5,5, подтверждает высокую планарность поверхности, отсутствие дендритообразных наростов (рис. 2).

В процессе повышения рН от 4,5 до 7,0 скорость осаждения растет и проходит через максимум при рН = 6,5 (табл. 2, рис. 3). Максимальная скорость при этом составляет 23,5 мкм/ч.

Таким образом оптимальная кислотность раствора химникелирования составляет pH = 5,5-6,0, т.к. при этом с удовлетворительной скоростью осаждается покрытие с высокой планарностью. Однако, другим важнейшим параметром, определяющим коррозионную стойкость слоя химического никеля, является состав осаждаемого сплава – содержание в нем фосфора.

Содержание фосфора в осажденном сплаве

Определение оптимальной концентрации восстановителя

Для определения оптимальной концентрации восстановителя была проведена серия опытов с различным содержанием восстановителя: 30, 34, 38, 42, 46 г/л. Подготовка перед покрытием проводилась стандартная, электролит использовался предварительный с режимами работы: температура – 85 ° С; рН – 6,0, время – 20 минут. Для данной серии определяли скорость осаждения и содержание фосфора в покрытии.

В качестве оптимального был выбран режим: 80 ° С, pH = 5,5-6,0, при этом покрытие толщиной 3-5 мкм осаждается за 20 мин (табл. 1). Содержание фосфора в покрытии, по мере увеличения выработки раствора и накопления в нем ортофосфита натрия, возрастает от 8,0 (для свежего раствора) до 9,1 масс.% (в конце его жизненного цикла).

Придерживаться рабочих концентраций соли никеля и восстановителя необходимо как для достижения приемлемого уровня скорости осаждения покрытия, так и для воспроизводимости состава покрытия – сохранения содержания фосфора на одном уровне. При своевременном корректировании, непрерывной фильтрации раствор позволяет работать до глубины выработки 1,1 м 2 металлизируемой поверхности меди на 1 л (внесение 30 г никеля( II ) / л рабочего раствора в процессе корректирования).

Длительность стабильной работы раствора химникелирования также зависит от скорости накопления в растворе ортофосфит-иона. Ограничение по его накоплению составляет 100 г/л, в дальнейшем стабильность раствора падает – наблюдается осаждение металла на защитную паяльную маску ПП, повышенный расход стабилизатора.

Основные задачи, которые успешно решает процесс иммерсионного золочения ХимНиЗ 1600:

Для этих целей была выбрана низкая рабочая концентрация золота – 0,5 г/л. Помимо вопроса снижения затрат на драгоценный металл, это решает вопрос снижения агрессивности раствора золочения по отношению подслою химического никеля [ [v] ].

Раствор золочения не содержит восстановители, поэтому восстановление золота протекает только на металлизируемой поверхности. Этим объясняется его высокая стабильность. По этой же причине в процессе работы раствора золочения не происходит накапливания крайне опасных цианидов.

Операцию иммерсионного золочения в процессе ХимНиЗ 1600 проводят при pH = 4,8, при этом покрытие толщиной 0,050-0,075 мкм осаждается за 20-25 мин (табл. 1). Слой золота однородный, повторяет морфологию более толстого подслоя химического никеля (рис.6.).

Рис. 6. Морфология покрытия золотом

Исследование и испытания покрытия «химический никель/иммерсионное золото» ХимНиЗ 1600

Осажденное покрытие «химический никель/иммерсионное золото» было исследовано с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Покрытие наносили на фольгированный стелотекстолит после гальванического меднения (

30 мкм). Скол покрытия получали изгибом на 90 ° образца, охлажденного в жидком азоте.

Высокая планарность покрытия «химический никель/иммерсионное золото» ХимНиЗ 1600 хорошо прослеживается даже на увеличении 5000-10000 ´ (рис. 7).

5000Х	10000Х

Рис. 7. Поверхность покрытия «химический никель/иммерсионное золото» ХимНиЗ 1600

При подготовке образца скола покрытия происходило его растрескивание. Характер скола покрытия не обладает выраженной ориентацией, что наглядно демонстрирует отсутствие трещин в финишном покрытии (рис. 8.).

Рис. 8 Скол покрытия «химический никель/иммерсионное золото» ХимНиЗ 1600

Адгезия

Для испытаний на адгезию использовали методику, разработанную на основе метода решетчатых надрезов по стандарту ГОСТ 31149 и контроля адгезии металлического покрытия (метод липкой ленты) по ГОСТ Р 55744-2013.

Нож-адгезиметр устанавливают на покрытие и с достаточно сильным нажимом проводят на расстояние

Рис. 9. Образец покрытия ХимНиЗ 1600 после испытания на адгезию (слева), фрагмент покрытия после испытания при увеличении 50 ´ (справа).

Проверка паяемости по ГОСТ 23752.1-92 (МЭК 326-2-90) «Платы печатные. Методы испытаний» (с Поправкой) Испытание 14 А «Паяемость» проводилась с использованием флюса ФКСП (40% канифоли, 60% этилового спирта), припоя ПОС 61 при температуре воздействия припоя 235-240 ° С.

Тест проводился для образца с покрытием ХимНиЗ 1600. На фрагмент ПП со сквозными металлизированными отверстиями флюс наносил методом погружения, дав стечь излишкам в течение 2-3 мин. На испытуемый образец воздействовал расплавленным припоем методом погружения. Время контакта припоя составляло 5 с (толщина образца более 2,0 мм). После испытания отмывку образца ПП от остатков флюса проводил в изопропиловом спирте. Качество пайки оценивали визуально, а также, анализируя микрошлиф паянного отверстия (рис. 10). По результатам теста паяемость соответствует требованиям ГОСТ 23752.1-92 «Платы печатные. Методы испытаний»

Результаты коррозионных испытаний

Рис. 11. 1 сут в атмосфере сухого сернистого водорода. Покрытие испытание прошло успешно.	Рис.12. 1 сут в атмосфере сернистого ангидрида, затем 1 сут в атмосфере сернистого водорода. На металлизированных площадках присутствуют небольшие участки потемнения, основная площадь поверхности не ухудшилась.

Рис. 13. Паяемость образцов после испытания 1 сут в атмосфере сернистого ангидрида, затем 1 сут в атмосфере сернистого водорода. Проверку паяемости проводили с использованием флюса Л-5 по методике, представленной выше.

Заключение

Представленные в статье исследования показывают, что финишное покрытие химический никель/иммерсионное золото, выполненное по отечественной технологии ХимНиЗ 1600, полностью соответствует требованиям нормативно-технической документации и имеет отличные результаты по адгезии покрытия, паяемости, коррозионной стойкости и т.д.

Основными преимуществами процесса ХимНиЗ 1600 являются:

Таким образом, на российском рынке технологий для производства ПП появился новый продукт – процесс нанесения финишного покрытия химический никель/иммерсионное золото ХимНиЗ 1600, отвечающий всем требованиям нормативно-технической документации для печатных плат и пригодный для широкого массового внедрения на предприятиях отрасли.

Источник