Покрытие HASL в эпоху бессвинцовой технологии

В статье рассмотрены основные особенности покрытия HASL и приведены рекомендации по его применению.

А. Мельниченко

Основное требование к паяному соединению — непрерывность металлической структуры между медными площадками печатной платы и выводами компонентов (рис. 1). Для создания защитного покрытия печатных плат, обеспечивающего хорошую паяемость, широко используется метод покрытия плат припоем с последующим выравниванием поверхности горячим воздухом. При контакте припоя, содержащего олово, с медной площадкой формируется интерметаллическое соединение Cu6Sn5 — признак того, что произошло смачивание. Иными словами, основное преимущество покрытия HASL можно выразить так: «паяное соединение уже наполовину создано».

Рис. 1. Разрез паяного соединения

Если при нанесении покрытия HASL достигнуто хорошее смачивание площадок, то обеспечивается наилучшая паяемость по сравнению с покрытиями, не содержащими олова, причем эта паяемость сохраняется в течение длительного времени без необходимости защиты плат от воздействия окружающей среды или создания особых условий их хранения.

Немного истории. Во времена использования оловянно-свинцовых припоев метод HASL наиболее широко использовался в Америке и Европе. В странах Азии он был распространен гораздо меньше из-за господства на рынке бытовой электроники, для которой характерен малый промежуток времени между изготовлением плат и их монтажом. При этом для защиты медных площадок плат использовались органические покрытия (OSP).

С переходом к бессвинцовой технологии ожидалось, что метод HASL прекратит свое существование. Эти предположения базировались на недостатках метода, основными из которых, по утверждению некоторых специалистов, были:

• возможность повреждения печатной платы из-за дополнительного цикла нагрева

• проблемы копланарности, вызванные вариацией толщины покрытия при переходе от одной площадки к другой (рис. 2)

Рис. 2. Неполное прилегание выводов ИС к плате из-за различной толщины покрытия

• неполное прилегание трафарета при нанесении пасты, обусловленное неравномерностью толщины и профиля покрытия (рис. 3).

Рис. 3. Затекание паяльной пасты под трафарет на покрытии выпуклой формы

Эти опасения не подтвердились и, начиная с 2002 года, бессвинцовые покрытия HASL стали широко использоваться в Европе. В настоящее время в мире насчитывается более 400 линий для бессвинцовых покрытий HASL, более половины которых находится в Европе, а четверть — в Китае.

Если покрытие HASL наносится на плату не более двух раз, а температура припоя не превышает требуемую, то повреждения ламината отсутствуют, даже если платы изготовлены из материала на бумажной основе, например, CEM-1, CEM-2 или FR-2. С появлением новых материалов, более устойчивых к действию высокой температуры, вероятность их повреждения становится еще меньше.

Неравномерность толщины бессвинцового покрытия HASL при соблюдении технологии примерно вдвое меньше, чем оловянно-свин-цового. А копланарность вполне достаточна для монтажа больших микросхем с массивом сферических выводов.

Альтернативные покрытия. Если бы проблемы, приписываемые покрытию HASL, были столь существенны, его использование прекратилось бы задолго до перехода к бессвинцовой технологии, поскольку современные защитные покрытия, не содержащие свинец (OSP, иммерсионное серебро, иммерсионное олово и ENIG) в то время уже были широко известны. Хотя копланарность при нанесении покрытия HASL не может сравниться с вышеупомянутыми покрытиями, но так как каждое из них имеет свои недостатки, его использование продолжается. Во многих случаях оно является оптимальным выбором, в особенности, если главное требование — хорошая паяемость. Ниже кратко рассмотрены особенности альтернативных покрытий.

OSP (Organic Solderability Preservative). Хотя это покрытие прочно соединяется с медью, его защитные свойства сохраняются сравнительно недолго, особенно в условиях высокой температуры, влажности и загрязненности воздуха. Например, если при пайке одной стороны платы сохраняется достаточно хорошая паяемость, то при пайке другой стороны или при дополнительной пайке волной часто трудно добиться хорошего заполнения переходных отверстий припоем.

Иммерсионное серебро. Это покрытие разлагается во время пайки, так что все, чего можно от него ожидать, — это защита медного слоя от окисления. Паяемость в этом случае зависит от качества подготовки меди перед нанесением покрытия, и, в большой степени, — от особенностей процесса, предшествующего травлению. Так как покрытие формируется, главным образом, в результате химической реакции замещения, толщина покрытия, а, значит, обеспечиваемая им степень защиты, невелики. В загрязненном воздухе серебро темнеет, хотя, как утверждают, на паяемость это не влияет. Для сохранения хорошего внешнего вида плат с покрытием иммерсионным серебром рекомендуется хранить их в герметичной упаковке или защищать другими способами.

Этому покрытию свойственно такое явление, как «ползучая коррозия». Она возникает, когда смонтированная плата находится во влажной атмосфере, содержащей соединения серы, в результате чего между слоем серебра и участками меди, выступающими из-под паяльной маски, образуется электрохимическая ячейка.

Иммерсионное олово. Как и в случае покрытия HASL, на границе иммерсионного олова с медью образуются интерметаллические соединения, хотя и не в результате химической реакции, а вследствие диффузии металлов. В отличие от иммерсионного серебра, это покрытие не темнеет, поэтому создавать особые условия хранения плат не нужно. Поскольку покрытие образуется в результате реакции замещения, его толщина ограничена. В процессе хранения плат толщина интерметаллического слоя продолжает расти и с течением времени может распространиться на весь слой олова, следствием чего является резкое ухудшение паяемости. Скорость роста интерметаллического слоя с повышением температуры быстро растет, поэтому иногда паяемость ухудшается даже при пайке другой стороны платы или в процессе дополнительной операции пайки волной.

ENIG (Electroless Nickel/Immersion Gold). Это покрытие отличается высокой твердостью и износостойкостью и может использоваться для создания плоских контактов на плате, вставляемой в разъем, если число сочленений-размыканий невелико. Допускается также припаивание к нему проводов. Покрытие отличается превосходной паяемостью и высокой надежностью, однако в редких случаях при его применении наблюдаются отказы, связанные с таким явлением, как «черные площадки». Еще один недостаток заключается в том, что фосфор, необходимый для образования слоя никеля, может реагировать с оловом, медью и серебром, содержащимися в бессвинцовых припоях, образуя сложные интерметаллические соединения, которые делают пайку более хрупкой. Золотое покрытие очень тонкое, поэтому защита слоя никеля невелика и в большой степени зависит от технологического процесса. Золото быстро растворяется в жидком припое, поэтому качество паяного соединения определяется паяемостью слоя никеля, которая может быстро ухудшиться, если слой золота не является сплошным и не защищает его от окисления.

Особенности покрытия HASL. Критерии качества покрытия HASL, по существу, те же, что и для паяного соединения. Поверхность его должна быть гладкой, блестящей и не иметь участков, не покрытых припоем (рис. 4). Из-за поверхностного натяжения расплавленного припоя толщина покрытия на краях площадок несколько меньше, чем в середине. При недостаточном смачивании образуются участки, на которых толщина припоя гораздо меньше, чем на остальной площади. Скорее всего, на них будет наблюдаться ухудшение паяемости из-за того, что поверхность меди недостаточно подготовлена к нанесению покрытия, либо на площадках остается недостаточное количество припоя для полного их покрытия под действием сил поверхностного натяжения.

Хотя наличие интерметаллического слоя свидетельствует о том, что смачивание про-

а)

б)

Рис. 4. Покрытие HASL на площадках платы (а) и на стенке сквозного отверстия (б)

изошло, при слишком малой толщине слоя чистого припоя над ним паяемость быстро ухудшается.

Технология нанесения покрытия HASL. Одно из преимуществ процесса HASL — его простота. Достаточно обеспечить контакт смоченной флюсом платы с расплавленным припоем, чтобы произошло смачивание. После этого необходимо сдуть лишний припой плоскими воздушными ножами с температурой выше температуры плавления припоя. Когда припой отвердеет, плата поступает на мойку для удаления остатков флюса и далее — на сушку. После охлаждения воздухом образуется гладкое и блестящее покрытие.

Качество покрытия обычно проверяется визуальным осмотром, хотя для проверки толщины покрытия и степени смачивания не исключается применение рентгеновских методов или исследование разрезов.

В установке рис. 5 несколько плат располагаются на рамке, которая погружается в ванну с припоем и находится там некоторое время (2-3 секунды), после чего платы поднимают, пропуская их мимо воздушных ножей. В результате на площадках остается слой припоя одинаковой толщины. После отверждения припоя оператор снимает плату с рамки и помещает в конвейер моечной машины. В это время он может оперативно оценить качество покрытия.

Рис. 5. Схема нанесения покрытия HASL

Выпускаемые сегодня установки позволяют наносить покрытие HASL высокого качества. В большинстве из них движение плат осуществляется в вертикальном направлении. Загрузка и выгрузка плат выполняются, главным образом, вручную, хотя выпускаются и полностью автоматизированные установки, выполняющие нанесение флюса, подогрев плат, а также последующую мойку и сушку. Существуют также установки с горизонтальным направлением движения плат, удобные для встраивания в технологическую линию. Их преимущество — более равномерная толщина покрытия, что объясняется значительно меньшим влиянием силы тяжести.

Для сокращения времени, необходимого для нанесения покрытия, используют предварительный нагрев плат, в результате чего пропускная способность установок может быть увеличена.

Бессвинцовые сплавы для покрытия HASL. Обычно все процессы, связанные с припоями, оцениваются в сравнении с эвтектическим оло-вянно-свинцовым сплавом Sn37Pb. Покрытие HASL из такого сплава выглядит гладким и блестящим именно благодаря эвтектическому характеру припоя, отличающегося высокой текучестью вблизи точки плавления и отсутствием усадки.

Для покрытия HASL широко используется припой SnCuNiGe — единственный бессвинцо-вый сплав, который ведет себя так же, как и эвтектический сплав Sn37Pb. Его основой является медно-оловянный эвтектический сплав с небольшим количеством никеля, улучшающего его свойства (рис. 6). Добавленный в него германий препятствует окислению сплава.

Два свойства этого сплава делают его наиболее предпочтительным для покрытия HASL:

Рис. 6. Внешний вид сплавов, используемых для покрытия HASL

малая скорость растворения в нем меди и стабильная толщина интерметаллического слоя.

В процессе нанесения покрытия важно, чтобы при контакте медных площадок печатной платы с расплавленным припоем в нем растворялось как можно меньше меди. Добавка никеля стабилизирует интерметаллический слой, формируемый на поверхности меди и препятствующий ее дальнейшему растворению. На рис. 7 показаны результаты эксперимента, иллюстрирующие скорость растворения меди в сплаве SnCuNiGe, оловянно-свин-цовом припое, а также в широко известном бессвинцовым припое SAC305.

Рис. 7. Толщина медного слоя в зависимости от числа погружений платы в расплавленный припой: SnCuNiGe (а), Sn37Pb (b) и SAC305 (с)

Требования к оборудованию и параметры процесса. Технология нанесения бессвинцово-го покрытия HASL примерно такая же, как и при бессвинцовой пайке. Температура сплава должна быть выше точки его плавления, однако во избежание перегрева плат продолжительность их контакта со сплавом должна быть сокращена до минимума. Учитывая то, что температура плавления бессвинцового сплава на 44 °C выше, чем оловянно-свинцового, точность поддержания его температуры также должна быть выше. Учитывая это, изготовители оборудования увеличили мощность нагревателя, улучшили термоизоляцию ванны, а также повысили точность управления температурой припоя.

Температура бессвинцового припоя, необходимая для смачивания меди, почти не отличается от принятой для оловянно-свинцо-вого припоя. Таким образом, основной критерий для установки температуры припоя -скорость нагрева, необходимая, чтобы поверхность платы нагрелась до точки плавления за наиболее короткий период времени. Скорость нагрева пропорциональна разнице температур платы и припоя. Для ее увеличения температуру припоя можно установить выше той, которая необходима для смачивания. На скорость нагрева влияет также эффективность теплопередачи через область контакта припоя с платой. Особенностью вертикальных установок для нанесения бессвин-цового покрытия HASL является быстрая циркуляция припоя вблизи платы. В горизонтальных установках эта скорость также достаточно высока. Кроме того, в них можно установить нагреватели для предварительного нагрева плат, что позволит уменьшить температуру припоя.

Для нанесения покрытия HASL на одно- и двухслойные платы достаточно нагреть припой до температуры 260 °C, но, чтобы нагрев более толстых многослойных плат до температуры смачивания не был слишком длительным, температуру припоя, возможно, следует увеличить до 280 °C. За время контакта с ним ламинат нагревается до намного меньшей температуры, поэтому остается неповрежденным.

Температура воздуха, соприкасающегося с извлекаемой платой, должна быть выше точки плавления припоя, но в каждом отдельном случае она зависит от места установки датчика температуры. Обычно ее устанавливают равной температуре припоя.

Параметры воздушных ножей выбираются, исходя из необходимости получения гладкого и ровного покрытия, полностью смачивающего все площадки платы.

Растворение меди в припое. В процессе нанесения покрытия HASL, как и оловянно-свинцового покрытия, медь печатных площадок частично растворяется в припое. Концентрация меди в припое может быстро достичь значения 1% и более, результатом чего является повышение температуры плавления припоя и ускорение образования игольчатых кристаллов интерметаллического соединения Cu6Sn5 с выпадением их в осадок. Эти кристаллы накапливаются на дне ванны с припоем, откуда их нетрудно удалить.

Кристаллы также формируются на поверхности припоя в зонах с пониженной температурой. Поскольку скорость растворения меди уменьшается с увеличением ее содержания в припое, некоторые операторы поддерживают концентрацию меди в припое на уровне 1.2% с одновременным увеличением температуры припоя. Чтобы уменьшить содержание меди, часть отработанного припоя сливают, заменяя его новым.

Толщина покрытия. Профиль покрытия HASL определяется количеством припоя, оставленного на площадках платы после воздействия воздушных ножей. Его толщина меньше, чем покрытия оловянно-свинцовым припоем.

К сожалению, из-за поверхностного натяжения уменьшается толщина покрытия на краях отверстий под выводы компонентов. Однако при наличии достаточного количества припоя на плате хорошая паяемость отверстий будет обеспечена даже после нескольких циклов пайки.

Покрытие HASL и вискеры. Так как покрытие HASL образуется нанесением расплавленного сплава, в нем отстутствуют остаточные механические напряжения — основная причина роста вискеров в покрытии, полученном методом электроосаждения. Как показали испытания, вискеры появляются на бессвин-цовом покрытии лишь в тех областях, где усилие сжатия было приложено извне и только после 2000 часов пребывания в наиболее неблагоприятных условиях (при влажности 87% и температуре 60 °C). Было отмечено, что в сплаве SnCuNiGe, не содержащем серебро, рост вискеров прекратился, как только перестало действовать усилие сжатия, хотя в покрытии SAC305 они продолжали расти, по-ви-димому, вследствие механических напряжений, обусловленных продолжающейся коррозией в горячей и влажной среде.

Паяемость покрытия HASL. Покрытие HASL, как правило, хорошо паяется, так что, если при монтаже плат возникают проблемы с паяемостью, это, скорее всего, вызвано другими причинами, например, снижением активности паяльной пасты. Единственная возможная причина ухудшения паяемости, связанная с покрытием HASL, — недостаточное количество припоя на некоторых площадках платы.

Стоимость бессвинцового покрытия HASL. Из-за более высокого содержания олова, а в некоторых случаях и серебра, стоимость единицы массы бессвинцовых припоев выше, чем оловянно-свинцовых. Однако, если учесть общие расходы, это увеличение стоимости оказывается не столь значительным. Во-первых, плотность бессвинцовых припоев примерно на 12% меньше, чем оло-вянно-свинцовых. Во-вторых, для более тонкого покрытия необходим меньший объем бессвинцового припоя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Бессвинцовое покрытие HASL обеспечивает защиту печатных плат от коррозии и сохранение паяемости в течение длительного времени хранения в любых условиях. Его толщина может быть меньше, чем оловянно-свинцового покрытия, однако она должна быть достаточной для покрытия интерметаллического слоя, формирующегося на границе с медью. В качестве покрытия предпочтительно использовать сплавы, близкие по свойствам к эвтектическому оловянно-свинцовому сплаву. Применение сплавов, для которых скорость роста интерметаллического слоя минимальна, позволяет увеличить срок хранения плат при сохранении их хорошей паяемости.