Виды покрытий

Введение

Финишные покрытия наносятся в процессе производства печатных плат на контактные площадки и другие открытые элементы печатного рисунка. В современных электронных изделиях находят применение разнообразные финишные покрытия, различающиеся своими свойствами. Тем не менее, пока не найдено то из них, которое бы полностью удовлетворило нужды производителей в любых условиях применения. Выбор конкретного покрытия определяется назначением тех элементов печатного рисунка, которые им покрываются. Для контактных площадок, предназначенных для пайки, основными требованиями будут паяемость и совместимость с материалом выводов компонентов и составом припоя. Для контактных площадок для компонентов, монтируемых на поверхность, большую роль играет возможность обеспечения плоскостности покрытия. Когда покрытые элементы рисунка подвергаются механическим воздействиям, например в краевых разъемах, на выбор покрытия будут оказывать существенное влияние его механические свойства: коэффициент трения, стойкость к износу, механическая прочность. На элементы рисунка одной платы, имеющие различное назначение, могут наноситься разные покрытия, если это необходимо для обеспечения качества и надежности, либо одинаковое покрытие с «компромиссными» свойствами для упрощения процесса изготовления.

Данная статья посвящена покрытиям, наносимым на контактные площадки, предназначенные для пайки.

Для выбора покрытий и определения их характеристик существует целый ряд стандартов, наиболее распространенными из которых являются три зарубежных стандарта, разработанные ассоциацией IPC и дающие рекомендации по применению финишных покрытий:

· J-STD-003 «Solderability Tests for Printed Boards» определяет методы тестирования паяемости компонентов;

· IPC 2221 «Generic Standard on Printed Board Design» определяет базовые требования к конструкции печатной платы;

· IPC-7095A «Design and Assembly Process Implementation for BGAs» фокусирует внимание на внедрении BGA-компонентов.

Согласно последнему из перечисленных документов, финишное покрытие печатной платы может быть необходимо для сохранения паяемости платы, может служить проводящей поверхностью для контактов/разъемов, присоединения проволочных выводов и, главное, должно служить пограничным слоем между материалами КП и припоем при образовании паяного соединения.

Виды покрытий

Итак, основное назначение таких покрытий – защитить медную поверхность контактных площадок и обеспечить качественную пайку электронных компонентов на печатные платы.

Для выполнения данной задачи к финишным покрытиям предъявляются следующие основные требования:

· хорошая смачиваемость покрытия припоем;

· сохранение паяемости в течение длительного времени;

· предотвращение отслаивания при эксплуатации изделия.

По составу финишные покрытия в основном представляют собой металлы и их сплавы. Исключением является т.н. OSP покрытие, которое стоит особняком не только потому, что является органическим, но и потому, что оно разлагается при пайке, тогда как металлические покрытия растворяются в сплаве, образующем паяное соединение.

Среди методов нанесения металлических покрытий наибольшее распространение получили лужение, химическое и гальваническое осаждение. Лужение – достаточно простой способ, однако он теряет свою актуальность из-за сложности получения поверхностей с высокой плоскостностью, а также высоких температур процесса, отрицательно влияющих на надежность. Гальваническое осаждение – быстрый и хорошо контролируемый процесс, однако он требует наличия электрического контакта между всеми поверхностями, на которые наносится покрытие, что в случае рисунка печатной платы бывает достаточно сложно обеспечить. Для этого применяются технологические перемычки, соединяющие различные проводники и области в единое целое, которые потом удаляются, однако это в любом случае снижает технологичность процесса. В силу этих причин наибольшее распространение среди металлических покрытий получили т.н. иммерсионные покрытия (от англ. immersion – погружение), получаемые путем химической реакции замещения в растворе. Этот метод химического осаждения обеспечивает достаточно тонкие и однородные покрытия именно тех участков, где имеется открытая медь, т.е. благодаря реакции замещения процесс является самоуправляемым.

Среди наиболее распространенных финишных покрытий можно назвать следующие:

· HASL (Hot Air Solder Leveling) – покрытие припоем с выравниванием воздушным ножом;

· ENIG (electroless nickel/immersion gold, также часто обозначается ImAu) – химический никель/иммерсионное золото;

· ImSn – иммерсионное олово;

· ImAg – иммерсионное серебро;

· OSP (Organic Solderability Preservative) – органическое защитное покрытие.

Существует также ряд менее распространенных покрытий:

· ImBi – иммерсионный висмут;

· Pd (Electroplate Pd либо Electroless Pd) — палладий, нанесенный гальваническим либо химическим осаждением);

· Ni (Electroless Ni) – химический никель;

· NiPd (Electroless Ni/Immersion Pd) – химический никель/иммерсионный палладий;

· NiPdAu (Electroless NiPd/Immersion Au) – химический никель и палладий/ иммерсионное золото;

· NiSn (Electroplate Ni/Sn) – гальваническое осаждение никеля и олова;

· SnAg (Electroplate Sn/Ag) – гальваническое осаждение олова и серебра;

· Гальваническое оловянно-свинцовое покрытие (гальванический ПОС).

Последнее из упомянутых покрытий несколько лет назад имело очень широкое распространение, поскольку являлось, своего рода, «побочным эффектом» комбинированного позитивного метода изготовления печатных плат. Олово и свинец в пропорциях, близких к эвтектическому сплаву, наносились гальваническим методом через маску до травления меди, поэтому электрический контакт обеспечивался медной фольгой. Данное покрытие выполняло роль металлического резиста при травлении, а затем оплавлялось. Основными недостатками данного метода, приведшими к постепенному отказу от гальванического ПОС еще до перехода на бессвинцовую технологию, были отсутствие достаточной плоскостности, а также нанесения паяльной маски в местах проводников не на медную поверхность, а на поверхность, покрытую припоем, который, расплавляясь при пайке оплавлением, а часто и при ручной пайке вблизи контактных площадок, приводил к отслаиванию маски. Для устранения эффекта отслаивания данное покрытия в некоторых случаях в соответствующих местах удалялось механически до нанесения маски, однако этот способ снижал технологичность и надежность платы. В настоящее время данное покрытие применяется в некоторых изделиях, где отсутствует паяльная маска и/или указанные недостатки не играют большой роли, а также не предъявляется требований по исключению свинца, и ширина проводников плат и зазоры между элементами рисунка составляют не менее 0, 25–0, 3 мм.

Ниже в данной статье рассмотрены получившие наибольшее распространение покрытия: HASL, ENIG, ImAg, ImSn и OSP.

HASL

Данный вид покрытия до недавнего времени преобладал в электронной промышленности благодаря отличным характеристикам паяемости сплава олово-свинец и его относительной дешевизне по сравнению с покрытиями на основе благородных металлов. Сейчас данный метод теряет актуальность из-за возрастающих требований к плоскостности и уменьшению шага контактных площадок, а также из-за перехода многих отраслей промышленности на бессвинцовую технологию, что вызвало удорожание материалов припоя и повышение температур процесса.

В результате классического HASL-процесса контактные площадки платы покрываются слоем эвтектического сплава олово-свинец толщиной, как правило, от 1 до 40 мкм. Перед процессом HASL печатная плата проходит ряд операций подготовки – отмывку от загрязнений, предварительный нагрев и флюсование.

Процесс горячего лужения имеет два варианта: вертикальный и горизонтальный (конвейерный).

В вертикальном варианте печатная плата погружается вертикально в ванну с расплавленным припоем, находится в ней некоторое время при температуре ~260°С (для эвтектического сплава) и затем быстро вынимается; излишки припоя при этом сдуваются т.н. «воздушными ножами» – струями горячего воздуха. Одновременно происходит выравнивание покрытия. Площадки, различно ориентированные на плате по отношению к воздушным ножам, будут иметь разную толщину покрытия: перпендикулярные ножам – более тонкое, а параллельные – более толстое, так как ножи обдувают плату под углом в 90°. Кроме того, нижняя часть платы может пребывать в ванне с расплавленным припоем на 4-5 секунд дольше номинального времени, что ускоряет диффузию меди и может привести к загрязнению припоя [17, 22].

Как правило, вертикальное лужение применяется только для печатных плат, на которые не будут устанавливаться поверхностно монтируемые электронные компоненты.

При горизонтальном лужении плата перемещается по конвейеру, проходит через рециркулируемую ванну с припоем, а потом также обдувается воздушными ножами. Равномерная толщина покрытия здесь может быть обеспечена расположением плат на конвейере под углом 45° [22].

Главное и несомненное достоинство HASL – обеспечение отличной паяемости печатной платы и ее долговременное сохранение.

Общим недостатком HASL является неравномерность покрытия, вызванная образованием наплывов припоя (в особенности – на больших металлизированных полигонах) и ведущая к образованию неплоских контактных площадок. Такой дефект снижает выход годных, вызывая, в свою очередь, смещение отпечатков паяльной пасты и электронных компонентов, а также ухудшение припойного смачивания. Вследствие этого, при установке компонентов с малым шагом выводов такое покрытие может не удовлетворить требованиям плоскостности. Кроме того, для КП, расположенных с малым шагом (0, 5 мм и менее), возможно образование перемычек.

С точки зрения производителя печатных плат, HASL-процесс требует интенсивного обслуживания, вреден для здоровья, пожароопасен и требует значительных начальных капиталовложений [2].

Плата, погружаемая в расплавленный припой, испытывает жесткое тепловое воздействие. Существует мнение, что надежность внутренних соединений ПП резко падает вследствие таких термоударов, что можно обнаружить в результате проведения испытаний надежности платы по количеству выдержанных термоциклов до отказа, вследствие чего ряд производителей не использует HASL для покрытия МПП [17]. Кроме того, такой термоудар вызывает неравномерное тепловое расширение платы, что может сделать невозможной последующую точную установку компонентов с малым шагом выводов, если эта деформация будет значительной.

Вследствие принятия директив RoHS, направленных на ограничение и последующий полный запрет использования свинца в электронной промышленности, осуществляется постепенный переход от свинцовосодержащих покрытий к альтернативным бессвинцовым. В настоящее время технология HASL применяется и бессвинцовых припойных сплавов, однако все чаще применяются другие покрытия, некоторые из которых рассмотрены ниже в данной статье.

Достоинства:

· Наиболее хорошо известный и традиционно применяющийся метод покрытия, технология его нанесения и дальнейшего использования плат, покрытых HASL, хорошо отработана;

· Хорошая прочность паяного соединения;

· Выдерживает множество циклов пайки.

Недостатки:

· Значительная неплоскостность контактных площадок;

· Содержит свинец, вреден для окружающей среды и обслуживающего персонала;

· Затруднено применение для плат с большим соотношением толщина платы и диаметра металлизированного отверстия;

· Значительная тепловая нагрузка на плату, что может вызвать ее коробление;

· Возможны замыкания контактных площадок компонентов с малым шагом; не рекомендуется применять данный метод для компонентов с шагом менее 0.5 мм;

· Неравномерная толщина покрытия на контактных площадках разного размера и ориентации.