Эволюция финишных покрытий от стандартных до продвинутых

(из материалов статьи управляющего по технологии компании «Uyemura»)

Октябрь 2022 года

Финишное покрытие является критичным компонентом в конструировании печатной платы и функциональности. Финишные покрытия формируют прослойку между компонентом и схемой.

Как наиболее важная функция, процесс нанесения финишных покрытий направлен на обеспечение сохранения паяемости, защищая оголённую медь схемы. Селективные покрытия поверхности также используются для проволочного монтажа или как контактирующая поверхность для электрики. Вероятно, что нет другого шага в процессе производства печатной платы (ПП), претерпевшего больше изменений в эру производства поверхностного монтажа, чем процесс финишного, окончательного, химического процесса.

Электрические сигналы проходят по медной схеме, соединяя различные компоненты по всей покрытой плате. Медь — высокопроводящий металл, но один из недостатков в том, что она окисляется, когда соприкасается с окружающим воздухом. Окисленная медная поверхность не паяется и плохой проводник, препятствующий проволочному монтажу. Покрытие поверхности осуществляют для уверенности в отсутствии оголённой меди в произведённой продукции. Пайка, проволочный монтаж и контактирование производятся по покрытой поверхности.

На сегодня имеется широкое разнообразие покрытий, которые конструктора-разработчики могут использовать для достижения желаемой функциональности и области применения их ПП:

надёжное паяное соединение с выводной и без выводной поверхностью;

скрепляющая поверхность с алюминием, золотом, медью и медно-палладиевым покрытием;

контактирующая поверхность сквозного монтажа;

финишное покрытие, которое не сказывается на радиочастотном сигнале при передаче.

Когда паяемость сквозных отверстий была единственным, желаемым атрибутом, преимущественно использовались три покрытия. Это — выравнивание припоя горячим воздухом (HASL), оплавление контактирующей поверхности олово-свинца (сквозной монтаж) и электролитическая металлизация контактов никель-золотом, если требуется. С появлением защитной маски по оголённой меди (SMOBC) оплавление олово-свинца потеряло популярность.

В следующем поколении (легче, меньше и быстрее) доминировали у разработчиков ПП для производства: по технологии поверхностного монтажа (SMT) и шариковой решётке (BGA).

SMT и BGA создали вызов для сборки. Компланарность стала абсолютной необходимостью. HASL образовывал мениск, мешающий нанесению паяльной пасты на площадки поверхностного монтажа.

Для такого использования на передовой край вышли органическое защитное покрытие (OSP) и химический никель — погружное золото (ENIG).

Следующим шагом в эволюции послужило удаление свинца из припоя. Стали превалировать в следующем поколении бессвинцовые сплавы: олово-серебро-медь (SAC), вместо олово-свинца. Семейство сплавов SAC имеет точку плавления в диапазоне 217−219ºС с пиком температуры ожижения 240ºС для полного смачивания и формирования однородного интерметаллического соединения (IMC) по сравнению с олово-свинцом, у которого точка плавления в среднем 187ºС, а пик температуры пайки — 215ºС.

Чтобы приспособиться к устранению свинца из припоя, изготовители оборудования произвели конструктивные изменения для высокотемпературных сплавов без свинца. Хотя HASL создаёт только поверхность для пайки, оно остаётся значимым покрытием сегодня для продукции с адекватным расстоянием между площадками, не требующей контактов и проволочного монтажа. В то же время, изготовители с OSP могут наносить следующее поколение OSP-HT (высокотемпературное). OSP и OSP-HT широко используются по всему миру.

Для конструктивов, требующих высокотемпературной пайки и компланарности, нишу заполняют погружное серебро и олово. Однако, ни одно из них не может удовлетворить все требования к пайке по надёжности и продолжительности срока службы. Серебро склонно к потускнению и крип-коррозии, а олово требует нанесения толстых покрытий для сохранения паяемости. Со временем медь будет мигрировать в погружное олово, образуя не паяемое интерметаллическое соединение медь-олово. Оба погружных покрытия: серебро и олово, остаются значимыми с возможностью преодоления их недостатков.

ENIG, хотя более сложное и более дорогостоящее по сравнению с погружными серебром и оловом, более успешно в заполнении ниши поверхностных покрытий, паяемых бессвинцовым припоем, монтируемых алюминиевой проволокой и стойких на контактах. ENIG сделал вызов ещё на старте появления, с появлением коррозии никеля под погружным золочением. Коррозия, если сильная, должна взаимодействовать с интерметаллическим слоем и вести к ослаблению надёжного паяного соединения.

Стандарт IPC 4552 по ENIG редакция В от 2021 года содержит метод оценки и измерения степени коррозии никеля в ENIG. Теперь, когда есть метод измерения и количественной оценки коррозии никеля, дефект находится на пути к устранению. «Нельзя исправить то, что нельзя измерить».

ENIG остаётся популярным покрытием для продукции, требующей его нанесения. Следующим вызовом стала необходимость проволочного монтажа золотом. ENIG не монтируется золотой проволокой из-за возможной диффузии никеля в тонкий слой погружного золота. Потребовался диффузионный барьер для предотвращения от никеля из богатого покрытия. Ответом послужил химический палладий и покрытие ENEPIG (химический никель-химический палладий-погружное золото), правильный выбор в случае монтажа золотой проволокой.

Так как военные и воздушно-космические платы продолжили двигаться в радиочастотный диапазон, появилась необходимость в новом классе покрытий, которые не включают химический никель. Радиосигналы распространяются вдоль поверхности проводника, а наличие никеля сказывается на высокой частоте распространения сигнала.

Один способов достижения стало существенное снижение толщины слоя никеля в ENEPIG до 0.1 мкм. В других покрытиях EPIG или EPAG (химический палладий-погружное золото или химический палладий — автокаталитическое золото) никель удалён полностью. Эти покрытия основаны на катализе погружного палладия медной поверхности, а в более совершенной системе та же цель достигается использованием погружного золота для катализирования медной поверхности. IGEPIG (погружное золото-химический палладий-погружное золото) продемонстрировал более надёжное паяное соединение.

Ещё одним вариантом послужило устранение палладия и погружного золота с меди путём погружного золочения (DIG). В новой разработке DIG погружное золочение производится восстановлением. В покрытиях RAIG более толстые золотые слои (0.15−0.20 мкм) предотвращают диффузию меди в золотую проволоку при монтаже.

Новые и усовершенствованные поверхностные покрытия постоянно исследуются, тестируются и внедряются. Важно помнить, что все вышеупомянутые поверхностные покрытия используются сейчас в производстве ПП.

*************************

Во взаимовыгодной работе обеспечена информационная поддержка, консультирование, сопровождение технологического процесса, правильная расстановка подобранного оборудования, его поставка, наладка, сервис и обеспечение базовыми и расходными материалами.

По возможному сотрудничеству в технологиях сборочно-монтажного производства и изготовления печатных плат просьба использовать следующий контакт:

Санкт-Петербург, Таллинское шоссе, 206

Электронная почта: office@bmptek.ru

Тел. +7 (921) 895−1422, (812) 994−9502

Управляющий проекта — Алексей Леонов

Подпишитесь на рассылку