ПЕРЕВАГИ ТА НЕДОЛІКИ РІЗНИХ ТИПІВ ОБРОБКИ ПОВЕРХНІ ДРУКОВАНОЇ ПЛАТИ (ЧАСТИНА 1)

Як різні типи обробки поверхні друкованої плати впливають на їх здатність до паяння? У першій частині ми обговорюємо HASL, імерсійне срібло та ENIG.

Будь-хто, хто використовує друковані плати, повинен розуміти, що якщо мідне покриття на друкованій платі залишити незахищеним, мідь окислиться та зіпсується, що зробить друковану плату непридатною для використання. Лише обробка поверхні створює належну поверхню контакту між компонентом і друкованою платою. Покриття виконує дві основні функції: воно захищає відкриті мідні схеми та створює поверхню, придатну для паяння під час монтажу компонентів.

Покриття HASL/HASL без свинцю

Покриття HASL (Hot Air Solder Leveling, або вирівнювання припою гарячим повітрям) довгий час була домінуючою обробкою поверхні друкованих плат, що використовується в електронній промисловості. Однак постійно зростаюча складність схеми та щільність компонентів вичерпали можливості HASL. У міру того, як відстань між виводами компонентів зменшилася, зросла й потреба в покриттях, тонших за HASL, що призвело до появи кількох альтернативних фінішних шарів друкованої плати декілька років тому, як у електролітичних, так і в імерсійних процесах.

Сам процес передбачає занурення друкованих плат у посудину з рідким сплавом олова і свинцю, а потім видалення надлишків припою повітряним ножем, який гарячим повітрям розподіляє фінішний шар. Як ми читаємо в блозі EPEC, однією з непередбачуваних переваг процесу HASL є те, що він піддає друковану плату температурі до 265 °C, що може виявити потенційні проблеми з відшаруванням задовго до того, як дорогі компоненти будуть припаяні до плати.

Переваги:

• Низька ціна
• Широкодоступна технологія
• Можливість проведення ремонту
• Відмінна довговічність

Недоліки:

• Нерівна поверхня
• Не підходить для точних макетів
• Переважно містить свинець (HASL)
• Спричиняє термічний шок
• Часто є причиною виникнення мостів
• Забиває або зменшує поперечний переріз отворів PTH

Типова товщина захисного шару, отриманого з використанням покриття HASL, становить 1-40 мікрон, а найпоширеніша довговічність становить 12 місяців.

Ключовим недоліком, який стосується як свинцевих, так і безсвинцевих версій цього матеріалу, є різниця в товщині між великими та малими контактними площадками, що робить його непридатним для передових друкованих плат HDI, де відстань між контактами SMT/BGA менше ніж <20 мікродюймів (508 мкм).

Імерсійне срібло

Імерсійне срібло — це неелектролітична хімічна обробка, яка наноситься шляхом занурення обробленої міддю друкованої плати в резервуар з іонами срібла. Це хороший вибір для обробки друкованих плат із захистом від електромагнітних перешкод, а також куполоподібних контактів і з’єднання проводів. Середня товщина поверхні срібла становить 5-18 мікродюймів (0,13-0,46 мм).

Завдяки сучасним екологічним вимогам, таким як RoHS і WEE, імерсійне срібло менш шкідливе для навколишнього середовища, ніж HASL або ENIG. Цей тип обробки також популярний через свою нижчу вартість, ніж ENIG.

Переваги:

• Створює більш рівну поверхню, ніж HASL
• Кращий за ENIG і HASL в екологічному плані
• Довговічність дорівнює HASL
• Більш економічно ефективний, ніж ENIG
• Можливість внесення змін

Недоліки:

• Коротке виробниче вікно: друковану плату необхідно спаяти в той же день, коли вона залишає склад.
• Друкована плата дуже чутлива до проблем, пов’язаних з обслуговуванням, тому потрібно носити рукавички.
• Потрібна спеціальна упаковка — якщо не всі відкриті плати будуть використані, потрібно негайно закрити упаковку.
• Не рекомендується використання змінних масок
• Схильність до запотівання
• Менш міцний, ніж ENIG, через відсутність нікелевої основи

Імерсійне срібло, також відоме як IM silver, IMag або ENIAg — усі ці терміни стосуються процесу нанесення тонкого шару срібла на мідну поверхню друкованої плати в результаті хімічної реакції. Процес здійснюється на основі різниці потенціалів між сріблом і міддю, завдяки чому мідь і срібло можуть вступати в реакцію самозаміщення.

Імерсійне срібло — це перехідний метод між покриттями OSP і ENIG з точки зору функціональних характеристик: поверхня, оброблена імерсійним сріблом, демонструє чудову здатність до пайки та виняткову міцність паяного з’єднання. Сам процес також простіший і швидший. Імерсійне срібло — це реакція заміщення, під час якої утворюється шар чистого срібла на субмікронному рівні (5-15 мкдюймів, або приблизно 0,1-0,4 мм). Іноді в процесі також використовується деяка органічна речовина, яка додається для запобігання корозії та міграції срібла. Як правило, важко виміряти цей тонкий шар органічної речовини, оскільки аналіз показує, що маса органічної речовини становить менше 1%.

Покриття імерсійним сріблом забезпечує хороші електричні властивості та зберігає чудову зварюваність для паяння навіть у разі впливу тепла, вологи та забруднення. Однак імерсійне срібло не може конкурувати з ENIG щодо міцності фізичного з’єднання. Важливим недоліком імерсійного срібла є міграція електронів срібла: під впливом вологи срібло схильне до електроміграції при подачі напруги (як уже згадувалося, ця проблема вирішується за допомогою органічних добавок).

Це покриття добре підходить для систем із компонентами з малим кроком, такими як BGA та QFN. Воно часто використовується в пристроях, які вимагають швидкої передачі сигналу: зв’язок, автомобільна промисловість, комп’ютери тощо.

Покриття ENIG

Покриття ENIG — це двошарове металеве покриття із золота товщиною від 0,05 до 0,25 мкм, сформоване на внутрішньому шарі нікелю товщиною від 1 до 8,0 мкм. Нікель забезпечує міцний бар’єр для міді та є поверхнею, до якої фактично припаюються компоненти. З іншого боку, золото захищає нікель під час зберігання, а також забезпечує низький опір контакту. Завдяки широкому застосуванню регламенту RoHs, ENIG є, ймовірно, найпоширенішим покриттям для друкованих плат на сьогодні.

Переваги:

• Ідеально рівна поверхня
• Без свинцю
• Не впливає негативного на отвори PTH
• Тривалий термін зберігання

Недоліки:

• Складний процес нанесення, що призводить до високої вартості
• Не підходить для переробок
• Ризик виникнення явища так званих чорних контактних площадок, що значно послаблюють пайку

Якщо процес нанесення покриття ENIG не контролюється ефективно, може виникнути небажане явище під назвою «чорна контактна площадка», коли золото починає роз’їдатися разом із нікелем і створює область із високим вмістом фосфору (це явище особливо поширене з контактними площадками BGA). Це явище значно знижує здатність до пайки, що призводить до появи відкритих спайок, які стають очевидними лише на більш пізніх стадіях монтажу або навіть тестування. Як вже згадувалося, товщина покриття ENIG має становити від 0,05 до 0,25 мкм для шару золота зануренням і від 1 до 5,0 мкм для безгальванічного нікелю. Чим товщий шар імерсійного золота, тим більша ймовірність утворення чорної контактної площадки через зростаючу складність процесу.

Чорна контактна площадка складається зі складної хімічної сполуки, і основною причиною її утворення є те, що поверхня нікелю замінюється «вимиваючим» золотом. Потім поверхня нікелю піддається надмірній реакції окислення, і великі атоми золота (144 пм) осідають у неправильному шарі, який утворює товсті та пористі зерна. Іншими словами, шар золота не повністю покриває шар нікелю під ним, даючи шару нікелю можливість контактувати з повітрям, і врешті-решт утворює нікелеву іржу під шаром золота, що значно погіршує здатність до спаювання. Відповіддю на ці проблеми є покриття ENEPIG, про яке буде у наступному матеріалі.

За матеріалами сайту https://tek.info.pl