Сравнение результатов паяемости плат с покрытиями ENIG и EPIG после воздействия паром. Часть 1
Сергей Шихов, технический директор «А‑КОНТРАКТ»:
По результатам тестов, которые приведены в данной статье, покрытие EPIG является достойной альтернативой традиционному ENIG. Покрытие EPIG обладает такой же плоскостностью, как и ENIG, но при этом имеет осязаемые преимущества:
• отсутствие подслоя никеля (что важно для ВЧ/СВЧ-применений);
• более надежное паяное соединение (т. к. образуются интерметаллиды медь/олово, а не никель/олово);
• более длительное сохранение паяемости в неблагоприятных условиях хранения печатных плат.
Сегодня специалистам хорошо известно зарекомендовавшее себя такое поверхностное покрытие, как ENIG — иммерсионное золочение по подслою никеля, используемое для усиления и сохранения способности к пайке медных контактов. Однако в последнее время обретает популярность новое поверхностное покрытие EPIG — иммерсионное золочение по подслою палладия, тоже предназначенное для усиления и сохранения способности к пайке, но с преимуществом устранения подслоя никеля. Это свойство становится все более важным из-за растущего спроса на высокочастотные печатные платы, в которых магнитные свойства никеля оказывают негативное воздействие. Мы изучили оба покрытия и соответствующие им характеристики пайки после нанесения и после парового старения и предлагаем свое объяснение изменений в характеристиках.
Сравнение данных, полученных при проведении теста на старение под воздействием пара, показывает значительное преимущество EPIG перед ENIG. Даже после непродолжительного воздействия пара покрытие ENIG оказалось неспособно к пайке. Намного более продолжительное воздействие пара оказало либо незначительное, либо не оказало никакого влияния на образцы с покрытием EPIG. Превосходные результаты EPIG по сравнению с ENIG объясняются быстрым окислением химически нанесенного слоя никеля под воздействием тепла и влаги.
Способность сохранять отличную паяемость после воздействия пара гарантирует возможность качественного монтажа при неидеальных условиях хранения.
Оценка паяемости конкретного поверхностного покрытия может варьироваться от простой пайки погружением до достаточно сложных процедур, включающих тип поверхностного покрытия, сплав припоя, характеристики флюса, предварительную подготовку испытания, паяльный аппарат (баланс смачивания) и геометрию деталей. Фокусирование на двух типах покрытий и одной процедуре предварительной подготовки позволяет увидеть четкие результаты и составить представление о возможностях этих покрытий.
Гаррон Моррис (Garron Morris), Ричард А. Лукашевский (Richard A. Lukaszewski) и Кристофер Гент (Christopher Genthe) [1] описывают необходимость методов проверки для ускоренного тестирования электроники. Касательно параметров пайки ускоренное старение ПП под воздействием пара (паровое старение), проведенное перед тестированием на растекание припоя, считается не только быстрым и недорогим тестом, но и надежным средством предсказания срока годности. Воздействие пара в течение 8 ч считается эквивалентным 12 месяцам срока годности для систем свинец-олово [2]. Существует много способных к пайке поверхностных покрытий, используемых на медных печатных платах. Они варьируются от тонких органических покрытий до тяжелых металлических, например покрытие золотом в 1–3 мкм.
Свинцово-оловянные или свинцово-оловянные горячего лужения покрытия (HASL) — это ранние предшественники разнообразных покрытий, доступных сегодня. Эти содержащие свинец сплавы неизменно демонстрируют высокую устойчивость к паровому старению и сохранение качества паяемости. Большинство других покрытий ПП не очень хорошо себя проявляют после воздействия пара. Сегодня все остальные поверхностные покрытия для ПП не в состоянии поддерживать приемлемые характеристики паяемости после старения паром в течение 1 ч [2]. Из множества доступных на рынке поверхностных покрытий нами тестировались два. Первое из них, ENIG, применяется более 20 лет. Оно имеет хорошую репутацию по надежности характеристик пайки, и обычно считается, что срок его годности составляет 12 месяцев до того, как его паяемость начинает ухудшаться. Второе покрытие, EPIG,— это новое покрытие, по результатам тестирования, оно обеспечивает хорошую смачиваемость и высокую надежность паяного соединения.
Общий срок годности еще не определен. Однако результаты тестирования, приведенные в данной статье, сравнивающие характеристики ENIG и EPIG под воздействием пара, прольют свет на данный вопрос. Воздействие паром — это не единственный метод определения, как покрытие будет выдерживать влияние условий окружающей среды. Другие испытания включают циклическое изменение температуры, которое показывает влияние нескольких циклов пайки; воздействие окружающей среды в режиме реального времени, что дает самые надежные данные; тестирование смешанными потоками газа, точный тест в камере, где строго контролируются тип газа и его концентрация. С другой стороны, воздействие паром обеспечивает быстрый, надежный и недорогой индикатор срока годности пайки.
Методология
Была проведена предварительная процедура парового старения на двух образцах — ENIG и EPIG в соответствии с IPC J-STD-002 и J-STD-003. Использование перегрузки от воздействия пара помогает определить долговечность и надежность каждой паяемой поверхности. Понятие «надежность» сложно определить и точно измерить. В данном случае под надежностью подразумевается то, что продолжительность жизни печатной платы значительно превосходит стандартные 12 месяцев, плата может выдерживать большее количество циклов пайки и сохраняет паяльные свойства вне зависимости от используемых стандартных процессов производства.
При тесте применялись материалы: неактивный флюс (наносился непосредственно перед пайкой), бессвинцовый припой Sn3Ag0.5Cu. Для упрощения протокола испытания использовались одинаковые параметры пайки. Оба опыта представляют собой стандартную технологию коммерческой пайки. Данная оценка позволяет наблюдать растекание припоя по тестируемому образцу печатной платы, покрытой ENIG или EPIG. Испытание проводится после нанесения покрытия и после воздействия на него паром. Продолжительность воздействия паром измеряется в часах и длится до тех пор, пока не произойдет отказ или до 8 ч непрерывного воздействия паром. Ожидается, что смачиваемость припоем ухудшится только при окислении поверхности покрытия или базовой меди до той степени, когда флюс не сможет удалить эти оксиды.
Печатные платы с испытываемыми покрытиями состоят из стандартных образцов и показаны на рис. 1. Толщина пленки ENIG составляет 3,75 мкм никель-фосфора со слоем 0,075–0,1 мкм иммерсионного золота на поверхности. Толщина не менялась, поскольку не являлась переменной (рис. 2). Толщина пленки EPIG составляет 0,375 мкм палладия-фосфора с 0,025 мкм иммерсионного золота на поверхности. Опять же, толщина сохранялась на одном уровне на всей продолжительности испытания (рис. 3).
Используемый флюс состоит из (25 ±0,5)% канифоли, (0,39 ±0,01)% хлорида диэтиламмония и изопропилового спирта. В качестве припоя был использован сплав SAC 305, состоящий из 3% серебра, 0,5% меди, остальное — олово.
Температура пайки была установлена +255 °C. Время контакта между припоем и образцом измеряет время смачивания и максимальную прочность соединения. Для измерения времени смачивания и прочности соединения использовался метод баланса смачивания (рис. 4). Для измерения толщины покрытия применен аппарат рентгенолюминесценции (рис. 5). Для проведения испытания использовался аппарат парового старения в соответствии с IPC J-STD-002/003 (рис. 6). Процедура оценки паяемости заключалась в том, чтобы сначала нанести на тестовые образцы покрытия ENIG и EPIG. Для обоих процессов покрытия применялся одинаковый цикл подготовки по очистке и активации медной основы. Химически нанесенный никель просто заменили химически нанесенным палладием, чтобы создать покрытие EPIG. Последовательность подготовки и нанесения приведена в таблице 1.
Время покрытия было отрегулировано на этапе иммерсионного золочения, так как осаждение никеля более интенсивное по сравнению с палладием, как предсказывают относительные потенциалы коррозии –0,250 В для никеля и +1,498 В для золота, дельта –1,748 В, по сравнению с +0,987 В для палладия и +1,498 В для золота, дельта –0,511 В [3]. Большой отрицательный дельта-потенциал между никелем и золотом показывает, что при иммерсионном золочении золото быстрее осаждается на никеле, чем на палладии. После нанесения покрытия тестовые образцы были высушены и хранились в герметичной обезвоженной среде до проведения испытания. Образцы были подвергнуты старению воздействием пара в соответствии с J-STD-002/003 в течение 1–8 ч. Испытание проводилось с шагом в 1 ч, либо до отказа припоя, либо до достижения общего времени парового старения (8 ч).
