Финишные покрытия печатных плат

Задача финишных покрытий печатных плат обеспечить присоединение выводов ЭРЭ пайкой к ламелям печатных плат при дальнейшем сборочно-монтажном процессе. Поэтому часто в технической литературе эти покрытия называют паяемыми. Это значит, что они должны хорошо смачиваться припоем, максимально долго сохранять паяемость, не отслаиваться от нанесенной поверхности в течение длительного времени эксплуатации.

Большое разнообразие финишных покрытий вызывает у разработчиков и технологов значительные затруднения при выборе в пользу какого-либо из них. Тем более, как уже говорилось выше, у каждого финишного покрытия есть свои преимущества и недостатки, и нет финишного покрытия, универсально удовлетворяющего требованиям по стоимости, смачиваемости, удобству технологического применения, долговременного сохранения паяемости и т.д. для любой ситуации. В этой связи стоит подробнее рассмотреть преимущества и недостатки наиболее часто применяемых финишных (паяемых) покрытий.

Горячее лужение с воздушным выравниванием. (HAL - hot air leveling).

Процесс горячего облуживания состоит в погружении предварительно декапированных и профлюсованных плат в расплавленный припой. Во время быстрого подъема из ванны платы обдуваются струями горячего воздуха из щелевой форсунки, которые сдувают излишки припоя. Реализуется эта операция специальными установками. Примером такой установки может служить установка горячего лужения HALTEC 1000 ф. Laif engineering (Рис.140.)

Все элементы этой установки, такие как: тигель для припоя, воздушные ножи, корпус установки и кожухи, - изготовлены из нержавеющей стали. Для ускоренного теплообмена на печатной плате, направление потока припоя в системе горизонтальное, благодаря чему достигается наименьшее время пребывания платы в зоне припоя. Механизм подъема состоит из линейной направляющей с частотно-управляемым двигателем постоянного тока. Фиксированные воздушные ножи, гарантируют минимальные расстояния до печатной платы. Продувка горячим воздухом обеспечивает равномерное покрытие припоем.

Система регулировки и управления позволяет регулировать следующие параметры:

• - давление воздуха;
• - угол положения и зазор воздушных ножей;
• - температуру припоя;
• - скорость движения платы на входе и выходе из тигля;
• - время удержания платы в припое;
• - положение платы относительно воздушных ножей.

Главным преимуществом процесса HAL является то, что ему нет равных с точки зрения качества покрытия и сохранения паяемости.

Теперь о недостатках:

• - Основным недостатком процесса HAL является то, что при погружении в расплавленный припой плата подвергается жесткому термоудару. Однако при ответственном отношении к делу этот недостаток можно свести к преимуществу. При таком термоударе плата подвергается практически 100% испытанию и те платы, которые прошли эту операцию без образования дефектов с большой долей вероятности выдержат и все эксплуатационные воздействия в течении всего жизненного цикла. Конечно для этого плата должна быть изготовлена из термостойкого материала (с температурой стеклования –Тg не менее 180⁰С) и при металлизации иметь медь с пластичностью не хуже 8%, при испытании на разрывной машине.

К сожалению многие отечественные материалы имеют низкую термостойкость, а техпроцессы металлизации не обеспечивают высокую пластичность меди. Это заставляет многие предприятии для нанесения паяемых покрытий использовать легкоплавкий сплав «Розе» (олово-25%, свинец -25%, висмут – 50%), температура плавления которого 93⁰С, а рабочая температура 140⁰С.

Относительно низкая температура лужения в этом процессе требует использования высокоактивных кислотных флюсов и тщательной и быстрой после проведения операции отмывки в проточной горячей воде, которую достаточно трудно реализовать, а, главное, проверить качество отмывки.

• - Другим недостатком процесса HAL являются наплывы припоя на больших открытых полигонах меди, якобы ухудшающие планаризацию ламелей и затрудняющие поверхностный монтаж компонентов. В борьбе за планаризацию многие эксплуатанты процесса HAL увеличивают интенсивность обдува до такой степени, что планаризация становится идеальной, но при этом полностью теряется паяемость, так как на поверхности остается только тонкий слой интерметаллида (визуально он выглядит как припой). Что касается наплывов припоя и мифа, что они ухудшают планаризацию ламелей и затрудняют поверхностный монтаж компонентов, должен сказать, что применение паяльной пасты, учитывая толщину ее слоя, наносимого на ламели, полностью нивелирует эффект наличия наплывов припоя.
• - Еще одним недостатком процесса HAL является необходимость оснащения большим комплектом технологического оборудования. Сама установка горячего лужения должна быть оснащена ресивером объемом не менее 1м3, в связи с большим расходом сжатого воздуха на обдув печатных плат. Кроме того необходим комплект дополнительного оборудования:
• - установка декапирования (если перед лужением плата проходила операцию окончательного задубливания паяльной маски);
• - флюсователь;
• - установка охлаждения после горячего лужения;
• - установка отмывки после горячего лужения.

По-видимому приведенные недостатки не сильно умаляют преимущества процесса HAL в части производительности и качества формирования паяемого покрытия и он остается наиболее востребованным в РФ, особенно при производстве РЭА спецназначения.

В РФ до сих пор в качестве паяемого покрытия используется гальванически нанесенный ПОС 61, нанесенный ранее на ХГЛ и используемый как металлорезист. При использовании этого варианта паяемого покрытия следует иметь ввиду, что для формирования полноценного паяемого покрытия его необходимо оплавлять (при гальваническом нанесении эвтектика не образуется).

Покрытие ингибирующими органическими составами (OSP – Organic Solderability Preservative)

Органическое покрытие OSP за счет своих ингибирующих свойств обеспечивает защиту медной поверхности от окисления в процессе хранения и пайки. Однако OSP имеет короткий жизненный цикл, не обеспечивает необходимое количество перепаек, особенно при высоких температурах. Все это приводит к существенным ограничениям по его применению. Являясь наиболее дешевым из известных паяемых покрытий OSP используется, как правило, в устройствах бытового назначения с коротким жизненным циклом.

Иммерсионное серебрение.

Толщина наносимого покрытия не превышает 0,2 мкм, поэтому процесс достаточно дешев несмотря на использование драгметалла. К преимуществам этого покрытия следует отнести также хорошую смачиваемость поверхности и высокую проводимость металла. Однако в связи с тем, что серебро подвержено воздействию серы, с образованием на поверхности темных пятен,(особенно в больших промышленных городах, где повышено содержание в воздухе окислов серы) процесс в РФ не получил широкого распространения. Потемнение поверхности серебра может приводить к полной потере паяемости и рекомендуется к использованию только в РЭА бытового назначения.

Иммерсионное оловянирование.

Еще один вид паяемого покрытия - иммерсионное оловянирование.

Его привлекательность состоит в относительно низкой стоимости процесса

осаждения; стабильности поддержания процесса. Плоская поверхность покрытия подходит для установки компонентов с малым шагом выводов. Покрытие хорошо подходит для ВЧ-плат (не содержит подслоя никеля); обеспечивает хорошие условия для создания беспаянных соединений Press-Fit (впрессовывание штырей-хвостовиков разъемов в металлизированные отверстия плат).

Но существует три ограничения для его применения: самопроизвольные нитевидные кристаллические образования (whiskers-усы), которые могут приводить к образованию КЗ в малых зазорах; самопроизвольное увеличение прослойки интерметаллидов, поглощающей микронный слой олова с потерей паяемости; рекристаллизация олова при отрицательных температурах – «оловянная чума». В последнее время появились процессы формирующие между медью основы и слоем иммерсионного олова прослойку органического металла. Такая структура позволила обеспечить сохранение паяемости свыше года при значительном снижении описанных выше ограничений.

Иммерсионное золочение (ENIG 1-го поколения, ENIG 2-го поколения ENEPIG).

Тем не менее, значительное распространение в мировой практике получили процессы иммерсионного золочения.(Рис.141.)

Иммерсионное золочение появилось как альтернатива гальваническому золочению в качестве паяемого покрытия. При пайке по гальваническому золоту (толщина не менее 3-х мкм) в паяном соединении формировались интерметаллиды приводящие к потере механической прочности паяного соединения. При необходимости пайки по гальваническому золоту приходилось предварительно «смывать» его большими объемами припоя, что существенно усложняло техпроцесс пайки в целом. Покрытие иммерсионным золотом при соизмеримых защитных свойствах по сохранению паяемости позволяет проводить пайку непосредственно по финишному покрытию (толщина иммерсионного золота – не более 0,2мкм недостаточна для формирования интерметаллидов).

Однако у процессов иммерсионного золочения первого поколения выявился существенный недостаток, получивший название «черные КП» и связанный с избыточным окислением подслоя химического никеля на некоторых ламелях.

Процессы второго поколения формируют подслой никеля насыщенный фосфором (8% и более), что значительно снижает его склонность к окислению; и, как следствие, уменьшает вероятность появления «черных КП».

Покрытие ENEPIG с дополнительной прослойкой палладия несколько более дорогое, но зато полностью лишено эффекта образования «черных КП». Кроме того при использовании процесса ENEPIG становится возможным проведение комплекса различных типов поверхностного монтажа - многофункциональной сборки.

Многофункциональная сборка, это процесс монтажа, включающий в себя многоступенчатый процесс установки компонентов и кристаллов:

• - нанесение пасты;
• - поверхностный монтаж;
• - присоединение собственно бескорпусных кристаллов;
• - сварка проволочных выводов кристалла.

В заключении подраздела не могу не упомянуть еще об одной особенности иммерсионного золота как паяемого покрытия. При пайке по иммерсионному золоту пайка идет не по золоту, как это кажется на первый взгляд, (его тонкий 0,2 мкм слой мгновенно растворяется в припое), а по никелю. Поэтому при разработке технологии пайки необходимо учитывать эту особенность при выборе соответствующего типа флюса и режимов пайки, особенно в части установки времени индивидуальной пайки (оно должно быть больше, чем при привычной пайке по меди или оплавленному припою).

Контактные покрытия

Гальваническое золочение контактов концевых разъемов печатных плат по подслою никеля наносится электрохимическим осаждением (гальваникой) и может совместно использоваться с другими покрытиями. Используется в основном для нанесения на концевые контакты и ламели, так же пригодно для производства клавиатур/сенсорных панелей, сварки проволочных контактов кристаллов. Это самый надежный способ обеспечения надежности разъемного соединения. ( Рис.142.)

На концевые контакты наносится т.н «твердое золото» которое содержит до 3-х% кобальта. Его твердость по Виккерсу лежит в пределах 1400÷2400Н\мм2. Это покрытие используется для концевых разъемов печатных плат при необходимости многократных сочленений. При достаточности нескольких сочленений за весь период эксплуатации можно использовать покрытие «мягким золотом» с твердостью 600÷800Н\мм2. Это чистое гальваническое золото более стойкое к атмосферным воздействиям, кроме того оно годится под технологию COB (chip-on-board).

Карбоновое контактное покрытие — наносится в определённые места печатной платы как контактные поля для клавиатур. Покрытие имеет хорошую проводимость, не окисляется и износостойко.

В некоторой РЭА в качестве контактных покрытий применяют сплав палладий-никель имеющий некоторые преимущества перед покрытиями чистым золотом или палладием.