Увеличение чистоты сигнала прецизионных, 5G и СВЧ ПП

Увеличение чистоты сигнала прецизионных, 5G и СВЧ ПП

12 декабря 2019 года

Со значительным ростом мобильных телефонов и устройств, доступностью интернета, носимых на руке устройств, объём информации, передаваемой в беспроводных сетях непривычно увеличился. Для передачи объёма данных, требуемого сегодняшней технологией, производители электронных устройств прибегли к высокоскоростным, высокочастотным электронным сигналам.

Чистота СВЧ сигналов может достигаться выбором материалов, используемых для производства сборок ПП в приёмниках. Комбинация СВЧ сигналов с тонкими проводниками, как в носимых устройствах, ведёт к потерям сигнала и ухудшению характеристик.

Потеря сигнала.

Первичный фактор, воздействующий на чистоту СВЧ сигналов — потери проводника, зависящие, в основном, от используемого финишного покрытия на медных площадках ПП. Среди доступных покрытий для такого применения, популярным выбором служит ENIG (химическое никелирование, химическое золочение).
Однако, ENIG может привести к внутренней потере из-за присутствия никеля. Никель обладает 1/3 проводимости меди, приводя к сильным потерям проводника. Также, слой никель-фосфора (Ni-P) обладает ферромагнитными свойствами, которые неблагоприятно влияют на характеристики схемы.

Рис. 1 Сравнение внутренних потерь медных проводников схемы непокрытых и покрытых ENIG в диапазоне от 0 до 50 ГГц

На рисунке 1 показано увеличение внутренних потерь из-за ENIG на медных проводниках в диапазоне частот от 0 до 50 ГГц. Последнее поколение спутниковой сети и 5G используют миллиметровую полосу частот в верхнем конце этого диапазона. К примеру, Verizon использует полосу 26 ГГц тогда, как АТ&T — 39 ГГц. Высокополосные ГГц частоты уже рассматривались для спутниковых систем в диапазоне от 50 до 100 ГГц из-за доступности большой передачи данных на высоких частотах.

Автомобильные радары уже используют полосу от 76 до 81 ГГц. Это создаёт проблему, которую нужно адресовать не только ближайшим будущим технологиям, но, также — и существующим устройствам, которые всё ещё должны бороться с потерей сигналов из-за никеля в покрытиях ENIG. На рынке уже используется ряд СВЧ ПП, являясь быстрорастущим сегментом электронной промышленности.

Рис. 2 Пример интерметаллического слоя в покрытии без никеля после шести циклов оплавления и 1000 часов старения (слева). То же финишное покрытие после шести циклов и 500 часов старения (справа)

ENIG-премиум без никеля.

С ростом необходимости в ПП и конструктивах СВЧ применений, внутренние потери из-за покрытия ENIG становятся недопустимыми в промышленности. Для такого вида применения должно быть разработано новое поверхностное покрытие.

Во-первых, в замене ENIG не должен присутствовать никель. Это для того, чтобы исключить внутреннюю потерю и ферромагнетизм ENIG. Во-вторых, она должна иметь финишное золотое покрытие для высокой надёжности и продолжительного срока службы, ожидаемых пользователями от ENIG. В-третьих, она должна обеспечивать большую надёжность (прочные соединения пайки) и быть экономичной (минимальное использование драгметалла). Финишное покрытие, удовлетворяющее этим требованиям, могло бы в значительной степени заменить ENIG в СВЧ применениях, без потерь особенностей ENIG, обеспечиваемых низкочастотными платами.

Альтернативой ENIG СВЧ применений является ENIG-Premium без никеля. Это электролит без никеля со всеми преимуществами ENIG-Premium, в котором барьерный слой осаждается на чистую медь вместо никеля, а золото осаждается на барьер. Состав ENIG-Premium без никеля создаёт нано-барьерный слой вместо Ni-P в ENIG. Поскольку в этой разработке нет никеля, то нет и неблагоприятных воздействий на внутренние потери плат СВЧ. Надёжность золотого финишного покрытия остаётся в силе.

Сравнение покрытий.

Было проведено сравнение образцов с барьерным слоем (ENIG-Premium без никеля), без барьерного слоя (DIG) и барьерного слоя в различных финишных покрытиях. В последнем случае, наносилось финишное покрытие EPIG/EPAG c толщиной палладия 100 нм для роста интерметаллического соединения.
Несмотря на более жёсткие испытания для образцов с финишным покрытием без никеля, результаты эксперимента показали, что покрытие без никеля имеет меньше интерметаллического соединения, чем финишные покрытия DIG и EPIG/EPAG.

Так как интерметаллическое соединение крупнее в DIG и EPIG/EPAG, чем в покрытие без никеля, то шарики припоя в нём должны быть прочнее, чем на финишном покрытии DIG и EPIG/EPAG.

При испытании на сдвиг и растяжение шариков припоя на покрытии без никеля определено, что единственным типом отказов стала пластичность шариков и отслаивание площадки, являясь проблемами припоя и материала подложки, а не покрытия поверхности.

Испытания на сдвиг и растяжение шариков припоя показали отсутствие отказов, относящихся к покрытию поверхности, поэтому, подтверждается предсказанное сильное интерметаллическое соединение при малой толщине. Так как не хрупкости интерметаллида, то финишное покрытие без никеля, можно сказать, позволяет паять более прочно, чем с ENIG.

В диапазоне от 0 до 100 ГГц внутренние потери у финишного покрытия без никеля почти точно такие же, как у чистой меди. Это говорит о том, что покрытие без никеля может использоваться в СВЧ применениях без каких-либо увеличений потерь в сравнении с чистой медью.

ENIG демонстрирует внутренние потери около 2.75 дБ/дюйм, тогда как покрытие без никеля — около1.25 дБ/дюйм при 50 ГГц. Это более, чем на 50% меньше.
Так как покрытие без никеля имеет такую малую разницу во внутренних потерях по сравнению с чистой медью, особенно контрастируя со внутренними потерями в ENIG, то такое покрытие является хорошим для СВЧ применений.

Состав ENIG-Premium без никеля это — погружное золочение без цианида на нано барьерный слой поверх меди, который обеспечивает решение для прецизионных, 5G и СВЧ применений.

Покрытие протестировано на рост интерметаллического соединения, отказ из-за хрупкости шариков припоя и внутренние потери. Результаты показали, что такое покрытие работает лучше, чем другие доступные в настоящее время финишные покрытия без никеля, как DIG и EPIG/EPAG, благодаря тонкому слою интерметаллида, отсутствию отказов из-за хрупкости паянных соединений и благодаря очень низким потерям в сравнении с чистой медью.

*************************
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, Таллиннское шоссе, 206
Электронная почта: aleksey@bmptek.ru
Тел. +7 (921) 895−1422, (812) 994−9502
Управляющий проекта — Алексей Леонов