Золочение и охрупчивание

Золочение и охрупчивание

(мнения экспертов)

Каково ваше мнение относительно удаления золотого покрытия для улучшения пайки? Есть уверенность в том, что в прошлом золотое покрытие было достаточно толстым (>1.27 мкм), чтобы вызвать охрупчивание золота в паянном соединении. Однако, вакуумное осаждение золота сегодня (<1.27 мкм) не должно приводить к охрупчиванию, Вы согласны?

Джеральд О′Брайан, президент компании «ST & S Testing & Analysis»

Охрупчивание золота наблюдается при 5% (вес) содержании в паянном соединении, хотя промышленность обычно отбраковывает при 3% (вес) содержании. Можно легко подсчитать ожидаемый % (вес) в соединении и увидеть, превышает ли содержание указанные величины. Для ENIG на сегодня неизвестны какие-либо устройства, в которых используются примерно эти пороговые величины.

Брайан Буш, специалист по промышленному использованию компании «Citronics Corp.»

Охрупчивание золота может быть значительной проблемой надёжности. Большинство конструкторов печатных плат (ПП) преодолевают это и производится тщательное рассмотрение при разработке паянных соединений. Имеется пороговый уровень для золота, который может быть рассчитан. Проведено большое исследование д-ра Эда Хара, с которым можно ознакомиться на www.semlab.com

Лео Ламберт, вице-президент и технический директор компании «EPTAC Corporation»

Охрупчивание золота в паяном соединении всегда вызвано процентным весовым соотношением золота относительно веса припоя и численно за эти годы составило примерно 3% от общего веса припойного сплава.

Проблема и обоснование изменения критерия в стандарте J-STD-001, редакции F, адресованы проблеме, хорошо известной промышленности. Как найдено, эта проблема в плохой проходимости металлизированного сквозного отверстия во время волновой пайки. При скорости 1.5 м/мин. и ширине контакта платы на волне 25 мм в течении 1 сек. довольно быстро для протекания припоя через сквозное отверстие во время процесса пайки. Это задерживает растворяемое золото на выводах в припое в пределах отверстия, приводя к высокому проценту золота, более чем требуется.

Во-вторых, если компоненты паяются вручную, то количество припоя, добавляемого в паянное соединение или сквозное металлизированное отверстие, — минимально из-за физического объёма отверстия, минус объём вывода, создающего богатое золотом окружение, подверженное распространению растрескивания в пределах сквозного отверстия.

В-третьих, если компоненты — компоненты поверхностного монтажа, то количество пасты припоя, нанесённой на площадки, меньше по объёму, чем в любом металлизированном отверстии, а способность золота растворяться в расплавленной пасте припоя увеличивает количество золота на данный объём припойной пасты, а дендриты золота в паянном соединении должны быть катализатором распространения растрескивания по паянному соединению.

Поэтому для безопасности, удалите золото и избавьтесь от беспокойства за превышение его количества на выводах и контактах.

Фриц Буль, операционный инженер, компании «Astronautics»

На существование риска охрупчивания влияют несколько факторов:

• Ожидаемое количество растворённого золота (площадь пайки х толщину золота);

• Объём золота в полученном соединении;

• Будет или нет припой из «бесконечного источника» как волна или из припойной пасты;

• Будет ли какое-либо количество золота из финишного покрытия ПП (ENIG или ENEPIG).

В наихудшем случае, можно предположить, что всё золото растворится (обычно точно предполагается) и что источник припоя бесконечен и равен объёму соединения (справедливо для оплавления, ограниченно для волны), если делать такие предположения, то фактически, просматриваются случаи, когда толщина золочения компонента ниже 0.76 мкм всё ещё приводит к неприемлемому уровню золота в окончательном соединении.

Там, где толщина золота действительно минимизирована, например, менее 0.25 мкм, мне не встречались случаи, где концентрация золота становилась бы неприемлемой. Окончательно, каждая конфигурация соединения уникальна и должна рассматриваться, как таковая.

Д-р Крэйг Хиллман, исполнительный директор и управляющий партнёр компании «DfR Solutions»

Насколько мне известно, золочение в электронике на уровне компоновки или сборки все еще не применяется через осаждение из паровой фазы. Однако, если в процессе используется технология погружения, то — да, охрупчивание золота маловероятно.

Ричард Стэйдим, ведущий инженер / учёный компании «General Dynamics»

Вначале хотелось бы прояснить, что разговор идёт только о золочёных выводах и контактах компонентов, а не золочёной поверхности печатной платы (такой, как ENIG, ENEPIG и мягком золоте проволочного соединения), используемой на площадках ПП. Финишные покрытия такие, как ENIG, с толщиной золота 0.1 мкм, не способствует охрупчиванию.

Во-вторых, следует отметить существование многочисленных типов золочения выводов компонентов и разнообразные геометрические конфигурации выводов, контактов, паяльников и т. д., а также — много методов пайки таких выводов, все они — факторы охрупчивания золота.

В дополнение к различным типам золотых покрытий (химическое, электролитическое, наплавленное и т. д.) имеется множество типов базовых металлов и барьерных покрытий, включая медную подложку с барьерным покрытием фосфата бронзы или никеля (сплав 42), или ковар с прямым электролитическим осаждением золота и т. д.

Охрупчивание золота возникает из-за центров зарождения. Все природные силы стремятся выровняться, а инженерия — в том, чтобы создать методы контроля этих сил и ничего более. В жидкостной динамике сжатая горячая и холодная вода стремится достичь комнатной или контролируемой (охлаждение и пар) температуры, в электрической и электронной схемах электроны рекомбинируют (электрическая мощность и ток) и т. д. Магнитные поля — другой пример сил, стремящихся к выравниванию.

В металлургии есть подобные реакции между различными сплавами, ведущие к гальванизации, коррозии, окислению и т. д., а зарождение — ничего более, чем золото в паянном соединении, стремящееся к выравниванию с другими сплавами в пределах того же припаянного вывода.

Зарождение молекул золота в паянном соединении случается даже при комнатной температуре и является временным явлением, когда молекулы золота переместятся по паянному соединению к интерметаллическому образованию припоя и медной площадки, а также — припоя и вывода или контакта. Во время пайки молекулы золота легко и сразу растворяются, скапливаются и однородно распределяются в паянном соединении.

С образованием паянного соединения начинается зародышеобразование золота, а скорость и концентрация агломерата молекул золота на или около интерметаллической границы определяются количеством золота в процентах, геометрической формой, которая может быть причиной агломерации, более концентрированной в определённых точках паянного соединения, и скоростью зародышеобразования, зависимой от металла основы и барьерного покрытия. Когда идёт пайка по золоту, то реально это пайка не по самому золоту, а к интерметаллическому соединению, созданному между сплавом припоя и барьерным металлом под золотом, или, если нет барьерного металла, то прямо к основному металлу.

В большинстве обычных золочёных выводах компонентов базовый металл медь с барьерной металлизацией никелем или другим покрытием под золотом. Золото осаждается по никелю из-за возможного окисления никеля почти за ночь и становится нерастворимым (расплавленный припой не может образовать интерметаллическое соединение с любым окисным слоем, следовательно, нужен флюс, удаляющий окислы).

Мой собственный опыт зарождения золота, приводящий к охрупчиванию, включает случаи, когда лужёные многожильные провода паялись на позолоченные контакты, используя резистивную пайку, возвращаясь назад, в период 1960.

Да, это было уже давно.

В любом случае, эти проволоки использованы для соединения выводных контактов. Резистивная пайка осуществлена прямым пропусканием электрического тока через золотую площадку для расплавления припоя. Толщина золота на выводных контактах не устанавливалась строго, и некоторые имели гораздо больше, чем другие, из-за отсутствия в это время хороших методов, гарантирующих точно истинную толщину золота; у нас не было рентгена или иных более совершенных методов определения толщины золота (или другой толщины металлизации для этого).

В результате, требовалось (и всё ещё есть по стандарту J-STD-001F), чтобы золото было удалено до пайки, для снижения процентного содержания золота менее 3%. Однако, даже при содержании золота менее 1% в паянном соединении, существует охрупчивание золота. В упомянутых проволочных выводах, позолота химически стравливалась и, как определялось, составляла менее 2% по объёму, но из-за цилиндрической формы золото стремилось к зародышеобразованию между многожильным проводом и внутренней поверхностью площадки, ближайшей к проволоке.

Так как операторы стремятся разместить провода: вывести и ввести их вновь, то почти все зародыши золота в точках на концах 25% выводов между многожильным проводом и верхом ближайшей площадки, где провода изогнуты вверх, и там, где существуют переломы примерно 95% времени. Разломы не проявляются ранее года от припайки проволоки к площадке. По моему опытному ощущению 3% предел слишком либеральный, скорее допустимый максимум процента золота должен быть ближе к 1% или менее.

Вот именно поэтому в стандарте J-STD-001 °F также есть требования, когда вы не хотите сначала удалить золото лужением, тогда вам необходимо представить объективные доказательства того, что не произойдет охрупчивания, приводящего к переломам, и что не происходит охрупчивания в течение длительного периода времени.

Образец тестирования на отрыв или сгибание сразу припаянного вывода не являются объективным доказательством; временной разброс и варьирование температуры во времени должны быть частью оценки. В стандартах IPC-TM-650 и ANSI приводятся процедуры контроля охрупчивания золота.

И так подытоживая, охрупчивание золота в классе 3 (высокой надёжности) паяных соединений является ещё ведущей причиной, так как даже вакуумное осаждение может давать более 1 или 2% золота, если проводить некорректно. Лучше облудить его, чем экспериментировать со многими дорогостоящими сбоями в работе или, по крайней мере, соблюдать требуемую квалификацию и получать объективные данные, как минимум.

В Бога мы верим, всё остальное приносят данные.

Удачи в квалификации.

КН Мёрли, руководитель по качеству компании «Astra Microwave Products»

Пайка золочёных элементов может быть проблематичной, так как золото растворяется в припое. Припой, содержащий более 2−3% золота может становиться хрупким. Поверхность соединения имеет унылый вид.

В жидком состоянии золото реагирует как с оловом, так и со свинцом, образуя хрупкое интерметаллическое соединение. При использовании эвтектики 63% олова и 37% свинца, не образуются соединения свинец-золото, так как золото преимущественно реагирует с оловом, образуя соединение AuSn₄. Частицы этого соединения распределены в припое, формируя предпочтительные слои спайки, значительно понижая механическую прочность и, поэтому, надёжность паяных соединений.

Если слой золота полностью не растворён в припое, то далее медленная интерметаллическая реакция может протекать в твёрдом состоянии, из-за взаимной миграции атомов олова и золота. Интерметаллиды имеют плохую электропроводность и низкую прочность. Происходящие интерметаллические реакции также называются эффектом Керкендала, ведущего к механическому ослаблению соединения, подобно деградации соединений золота с алюминием, известных как пурпурная чума. (Эффект Керкендала заключается в движении соединительного слоя между двумя металлами, в виде постоянной разницы в скоростях диффузии атомов металла).

Неправильно представлять, что Sn62 (с 2%) можно использовать на золотых поверхностях, золото растворяется и образует хрупкие соединения такие, как SN63, с максимальным пределом 3% Au, применимым и к Sn62, чтобы предотвратить хрупкость соединений.

Припой с серебром такой, как Sn62, рекомендуется для пайки, где проводники покрыты серебром, или концевых выводов компонентов, где палладий-серебро служит для предотвращения выщелачивания серебра.

Эрик Бэстов, ведущий инженер технической поддержки компании «Indium»

Это зависит от сплава припоя и как много его нанесено.

Но в достаточных количествах золото, как известно, охрупчивает паянные соединения.

В зависимости от источника ссылки, 3−4% по весу золота в спайке SnPb и примерно 10% по весу золота в спайке SAC, как известно, достаточно для создания хрупкого соединения.

Карл Силиг, консультант компании «Deck Street Consultants»

Хрупкость паянных соединений существует, когда увеличивается процентное содержание золота по весу в припое. Также, на этом сказывается сплав припоя. Олово-свинец более склонен к хрупкости, чем SAC305. Поэтому, да, в основном, ваши рассмотрения корректны. Однако, нужно рассматривать конструктив паянного соединения и площадку для пайки. Старение также играет роль в этом охрупчивании.

Обычно, чем больше припоя, тем лучше распределяется золото для более безопасного паянного соединения. При пайке компонентов с нижними выводами (BTC) содержание золота возрастает не только от устройств с золотыми площадками, но при этом, также — уменьшается объём припоя и увеличивается возникновение пустот, которые могут препятствовать распределению золота.

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

Компания «БалтМедиа Партнёр» помогает производителям электроники во внедрении и освоении на российском рынке эффективной техники и технологи ведущих разработчиков, поставляя и консультируя по составам обработки: обезжириванию, декапированию, травлению, активированию, химической металлизации и электролитическому меднению, финишным покрытиям, подготовки и нанесению защитных покрытий.

По возможному сотрудничеству следует использовать следующий контакт:

Санкт-Петербург, Таллиннское шоссе, д.206

Электронная почта: office@bmptek.ru

Тел. +7 (921) 895−1422

Управляющий проекта — Алексей Леонов