Оценка использования ENEPIG в маленьких паяных соединениях. Часть 1.

автор Бен Гамперт (Ben Gumpert), Уильям Фокс (William Fox), и С.Дон Дуприст (C. Don Dupriest) |

Резюме

Поверхностное покрытие печатной платы выполняет набор функций, которые имеют важное значение, начиная с самого начала разработки, и продолжаются в течение всего срока службы собранного продукта.

Иммерсионное золочение по подслою никеля и палладия ENEPIG – это поверхностное покрытие, которое продемонстрировало ряд преимуществ и подходит как для SnPb, так и для бессвинцового монтажа плат. Всестороннее тестирования ENEPIG показало надежность этого покрытия и привело к созданию отраслевого стандарта для его применения: IPC-4556 Specification for Electroless Nickel/Electroless Palladium/Immersion Gold (ENEPIG) Покрытия для печатных плат. При пайке на ENEPIG все палладий растворяется в паяное соединение и создает богатую палладием зону (источник Pd) в основании паяного соединения. Эта богатая палладием микроструктура может расколоться, образуя столбчатую форму. С постоянно уменьшающимся размером деталей электронного монтажа, размер паяных соединений соответственно продолжает сжиматься, что приводит к тому, что относительный размер этой богатой палладием микроструктуры растет относительно общей толщины соединения. В данной статье оцениваются отраслевые стандарты толщины палладия на тонких паяных соединениях по результатам тестирования на сдвиг.

Введение

ENEPIG – это поверхностное покрытие для многослойных печатных плат. Для пайки применяется золото и палладий для защиты способности к пайке лежащего ниже никеля, и они практически полностью растворяются в паяное соединение. Избыточное количество этих металлов в паяном соединении может потенциально вызвать слабость паяного соединения, что повлияет на его надежность.

Существует отраслевая спецификация (IPC- 4556), которая описывает требования к ENEPIG, и покрытие имеет определенное использование в отрасли, хотя и ограниченное его доступностью и увеличением стоимости печатных плат относительно других поверхностных покрытий. Слои, покрываемые ENEPIG, должны быть очень плоскими, так как все поверхностные покрытия имеют отношение к HASL (выравниванию припоя горячим воздухом), что делает его более преимущественным для более маленьких разработок печатных плат. С развитием технологий корпусирования электронных компонентов и уменьшением размеров деталей печатные платы должны иметь более тонкие свойства, чтобы крепить эти детали. Это уменьшение в размерах элементов обычно приводит к уменьшению толщины трафарета паяльной пасты для эффективной пайки, что дает в результате более маленький объем паяных соединений. При том, что размер паяного соединения становится меньше, толщина поверхностного покрытия на печатной плате остается постоянной, следовательно, относительный объем золота и палладия в паяном соединении возрастает. ENEPIG доказал, что обладает приемлемыми надежностью и эффективностью для многих современных корпусов и конфигураций паяных соединений, но некоторые исследования говорят о проблемах использования ENEPIG в высоких концентрациях или в очень маленьких паяных соединениях1.

Межлабораторное тестирование для разработки спецификации IPC-4556 включало толщину палладия до 17,95 микродюймов (μin). Шаблон толщиной 0,005 дюйма использовался с 0,025-дюймовым диаметром SnPb шариков припоя, что дало в результате паяное соединение, содержащее примерно 0,17% палладия. Тестирование на сдвиг шариков припоя на площадке показало и сдвинутые площадки, и когезионные разрушения в объеме припоя.

 

Рис. 1: Межметаллическая структура PdSn, отходящая от поверхности субстрата.

IPC-7095C Применение процессов разработки и монтажа BGA предупреждает о влиянии на надежность избыточного и неравномерного роста слоя интерметаллического соединения (IMC). IPC-4556 отмечает 3% ограничение для золота и палладия, другие источники определяют предел ограничения в 2%2, но эти ограничения, базирующиеся на процентном содержании, некорректны, если относятся к палладию. Золото может (и это желательно) распределиться по паяному соединению для минимизации влияния, но палладий имеет тенденцию формировать отчетливый и концентрированные слой межметаллического соединения поверх никеля.

Палладий имеет более медленную скорость растворения в жидком припое, чем другие металлы. Во время пайки оловянно-палладиевые межметаллические соединения (PdSn3 или PdSn4) быстро растут в форме толстой чешуйчатой структуры, перпендикулярной изначальной поверхности палладия. Припой, состоящий из богатой свинцом фазы, будет присутствовать между чешуйками. Дальнейшее старение паяного соединения может привести к сдвигу (отхождению) слоя олово-палладий в объем припоя и вероятно оставит кристаллы олова-палладия внутри припоя.

ENEPIG оказался склонным к хрупким повреждениям. Слои олово-палладий, которые формируются прямо поверх никелевого покрытия, достаточно хрупкие, хотя некоторые исследования указывают на то, что это может быть основано на слабости богатого фосфором слоя никеля, а не обязательно межметаллического палладия3. Наличие кристаллов олова-палладия внутри припоя не было качественно задокументировано в отношении влияния на целостность паяного соединения; однако, для сравнения межметаллические кристаллы олова-золота в припое делают хрупкими паяное соединения, делая возможным разлом паяного соединения вдоль межметаллического золота. Было выявлено, что межметаллический палладий может иметь подобный эффект внутри припоя, типичное повреждение связано с хрупким повреждением на площадке печатной платы.

Базируясь на первичном формировании толстой чешуйчатой палладиевой межметаллической структуры на слое никеля, ограничение толщины палладия может быть более точным, чтобы предотвратить избыточную толщину межметаллического слоя. Большая толщина палладия ведет к увеличению толщины межповерхностного IMC, особенно когда используется припой SnPb. Тонкий слой палладия должен быстро растворяться в расплавленном припое, что приведет к отсутствию вредного воздействия на механические свойства паяного соединения. Было предложено разнообразие процентного отношения толщины палладия или ограничения толщины, некоторые из которых ниже, чем 12 μin ограничение в IPC-4556. Один доклад предлагает ограничение в 7.8 μin4, хотя другое исследование утверждает, что толщина палладия в 20 μin не влияет на прочность паяного соединения к сколу5.

В данной статье печатные платы, покрытые стандартным поверхностным покрытием ENEPIG (по IPC-4556), будут монтироваться с минимальным количеством припоя, чтобы создать очень маленькие паяные соединения, где концентрация палладия становится выше относительно всего паяного соединения. Прочность припоя к скалыванию и анализ паяного соединения будут использоваться, чтобы изучить возможность применения ENEPIG с SnPb припоем в этих очень маленьких паяных соединениях.

Процедура эксперимента

Для монтажа и тестирования было выбрано существующий механизм тестирования для использования с маленькими корпусами LGA. При использовании корпуса LGA ограничивается объем припоя в паяном соединении, поэтому не происходит никакого вклада от шарика припоя, который случается при корпусе BGA, что приводит к более высокой концентрации палладия в паяном соединении. Был взят маленький корпус LGA с решеткой 6*6, который был установлен по четырем углам большей схемы BGA таким образом, что только средняя решетка 4*4 детали была подвержена пайке. Это было сделано для того, чтобы увеличить количество точек данных для теста на сдвиг и ограничить количество паяных соединений, которые ограничивают сдвигающую силу, требуемую для удаления детали.

Тестовые образцы (всего 24) были разделены на четыре группы, три из этих групп шли в три отдельные аппарата (каждая из которых использовала различные химические вещества для покрытия) для нанесения покрытия ENEPIG. Последняя группа покрывалась HASL (контрольная группа). По возвращению печатные платы подвергались рентгеновской люминесценции для измерения толщины трех-металлического слоя. Данные этих измерений показаны на Рис.2 (каждый аппарат представлен отдельным цветом).

Для нанесения паяльной пасты был использован трафарет толщиной 3 mil. Апертуры трафарета совпадали с площадками печатных плат (по разработке) с диаметром 14,8 mil. Половина устройств паялась с использованием припоя Sn63Pb37 третьего типа с флюсом RMA. Остальные устройства паялись с припоем Sn62Pb36Ag2 того же типа и содержания флюса.

 

Рис.2. Измерения толщины палладия (каждому аппарату соответствует свой цвет).

Источник: SMTA International, 2016.

Назад