Реклама на сайте

вход на сайт

Имя пользователя :
Пароль :

Восстановление пароля Регистрация
Влияние бессвинцовой пайки на металлизацию отверстий
Известно достаточно много бессвинцовых паяльных сплавов. Но у всех них температура плавления выше, чем у эвтектики олово-свинец (Sn-Pb). К последней близки по своим свойствам сплавы олово-серебро-медь (SAC), что обеспечило им широкое применение на первых стадиях внедрения бессвинцовых технологий. Сегодня с успехом применяется более новая эвтектика Sn-Cu+Ni, которая плавится при 227°С, что на 10°С выше точки плавления SAC-сплавов. Но по мере повышения температуры разница между температурными коэффициентами расширения (ТКР) полимера и меди значительно увеличивается, что вызывает резкий рост механического напряжения по оси Z и может привести к производственному браку. Для межсоединений с высокой плотностью в толстых платах расширение по оси Z было проблемой и при оловянно-свинцовой пайке, и за многие годы разработаны методы и аппаратура для оценки надежности печатных узлов.

ИСПЫТАНИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ

В недавней публикации Холдена [1] дан обзор шести систем тестирования, необходимых при разработке технологических процессов с повышенными температурами пайки. Каждая система отличается от других своим особым методом, но все предназначены для обеспечения надежности создаваемого изделия.

Термическое испытание межсоединений на надежность (1ST). Система испытания на надежность межсоединений, предложенная компанией FWB Interconnect Solutions, определяет изменение сопротивления металлизированных сквозных и переходных отверстий, переходных микроотверстий и межсоединений во внутренних слоях под воздействием тер-моциклирования [2]. В методе используется тепло, генерируемое постоянным током, в течение трех минут протекающим через внутрислойное межсоединение к переходному отверстию. При достижении требуемой температуры ток отключается для охлаждения образца до первоначальной температуры. Охлаждение занимает несколько минут в зависимости от толщины испытуемого образца. Количественно результат выражается числом циклов до отказа, причем отказ - это изменение сопротивления на 10% при температуре 150°С. Надежные материалы и процессы выдерживают до 250 термоциклов.

Влияние бессвинцовой пайки на металлизацию отверстий

Таблица 1. Зависимость числа циклов до отказа от температуры


Полученные в работе [3] данные показывают, что надежность испытуемых образцов толщиной 2,4 мм повышалась в четыре раза при увеличении температуры стеклования (Tg) с 145 до 180°С для плат толщиной 2,4 мм и жесткой предварительной термотренировке (6 циклов до 230°С). Увеличение толщины платы и более высокие температуры предварительного термоциклирования ведут к снижению числа циклов до отказа.

Проведено исследование применимости метода IST для образцов ПП с заведомо некачествеными переходными микроотверстиями после сборки или перепайки в условиях бессвинцового монтажа [4]. Первый эксперимент состоял из пяти циклов стандартной термотренировки при температуре 230°С и последующего термоциклирования с постепенным повышением температуры. Данные о воздействии температуры на некачественные микроотверстия показывают, что при стандартной температуре 150°С после 1000 циклов отказов не наблюдалось, а при повышении температуры до 190°С отказы возникали после 400-500 циклов (табл.1).

Во втором эксперименте на аналогичных образцах проверялось влияние бессвинцовой технологии сборки путем изменения температуры тренинга с последующим термоциклированием при стандартной температуре 150°С. Повышение температуры тренинга до 260°С снизило число циклов до отказа с 788 до 4.

Влияние бессвинцовой пайки на металлизацию отверстий

Таблица 2. Рекомендуемые параметры термотренировок


В последующих экспериментах были исследованы образцы с качественными микроотверстиями. Когда программа испытаний была доведена до 2000 циклов, повышение температуры тренинга до 260°С снизило число термоциклов до отказа всего на 20%. Эти данные подтверждают, что качественные микроотверстия могут выдерживать свыше 1500 термоциклов, а метод IST применим для оценки надежности микроотверстий в условиях бессвинцовой технологии.

В табл.2 приведены значения температуры тренинга, рекомендованные для оловянно-свинцовых припоев, бессвинцовых припоев для тонких плат и бессвинцовых припоев для стандартных плат [5]. Если целью испытания является моделирование условий сборки печатного узла, следует использовать три цикла тренинга при температуре, определяемой типом сплава и толщиной платы. Для моделирования сборки и доводки следует провести шесть циклов при соответствующей температуре.

Влияние бессвинцовой пайки на металлизацию отверстий

Таблица 3. Дефекты металлизации и их потенциальные причины


Термоудары и поперечное сечение микроотверстий. Стандартный метод определения надежности сквозных отверстий состоит в воздействии на образец шести циклов термоудара в ванне с припоем с температурой 288°С и последующего визуального анализа поперечного сечения каждого отверстия под увеличением на наличие дефектов (табл.З). В этих ваннах могут применяться, например, SAC-сплавы. Опыт показывает, что если печатные узлы проходят это испытание, они в основном надежны. Безусловно, повышенную надежность имеют образцы, в которых не наблюдаются дефекты после десяти циклов термоудара при 288°С. Отмечена более высокая скорость растворения меди под действием бессвинцовых сплавов [6] по сравнению с оловянно-свинцовым припоем.

Влияние бессвинцовой пайки на металлизацию отверстий

Таблица 4. Характеристики очистки


ОЧИСТКА ОТВЕРСТИЙ ПЕРЕД ХИМИЧЕСКИМ МЕДНЕНИЕМ

Сквозные отверстия в платах обычно просверливаются, а глухие переходные микроотверстия формируются лазером. Эти операции оставляют после себя мелкие частицы, которые необходимо удалять наряду со смолой на стенках, чтобы обеспечить хорошую металлизацию отверстия. В любом случае неполное удаление этих отходов приводит к тому, что соединения разрушаются сразу или в ходе термического испытания. На рис.1 [4] показан вид сильно поврежденного микроперехода из-за тяжелого остатка полимера между металлическим покрытием и контактной площадкой.

Влияние бессвинцовой пайки на металлизацию отверстий

Рис.1. Тяжелый осадок полимера


Для удаления этих остатков из стандартных материалов типа FR 4 многие годы успешно применяются различные химические соединения (табл.4). При использовании новых ламинатов с высокой температурой стеклования (Tg) применимы те же растворители и перманганат калия (KMnO4), что и для FR 4. Однако теперь для очистки требуется более высокая рабочая температура и более длительная обработка.

ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ МЕДИ

К факторам, от которых зависит надежность сквозных отверстий и микропереходов, относятся толщина, физические свойства и однородность нанесенного металлического покрытия. При металлизации микроперехода большое значение имеет его форма. Легче и равномерней по толщине покрываются микропереходы с уклоном боковых стенок (рис.2), что делает их предпочтительней микроотверстий с прямыми стенками (рис.З) [4].

Толщина электроосажденного медного покрытия сквозных отверстий и микропереходов оказывает значительное влияние на срок службы межсоединений. В последнее время было установлено [7, 8], что при использовании оловянносвинцовых припоев медное покрытие является самым важным фактором надежности изделия, а при температурах плавления бессвинцовых припоев медное покрытие становится приоритетным элементом. Все другие этапы процесса, например сверление и конструирование узла, оказывают меньшее влияние на надежность конечного изделия. Если все производственные стадии оптимальны, но медный слой на сквозных отверстиях и/или в микропереходах тоньше 25 мкм, это может привести годное изделие к отказу при сборке или эксплуатации.

Влияние бессвинцовой пайки на металлизацию отверстий

Рис.2. Сужающийся микропереход


Такие свойства металлического покрытия, как прочность на разрыв и относительное удлинение, определяются легко. Медная фольга разрезается на полоски и испытывается на динамометре, например, производства компании Instron [9]. Значения относительного удлинения выше 12% и прочность на разрыв выше 248 МПа гарантируют, что покрытие выдержит растяжение в ходе многократных термоциклических нагрузок в процессе сборки, доработки и последующей эксплуатации. Мелкозернистые покрытия с низким содержанием углерода и серы обеспечивают надежные сквозные отверстия и межслойные микропереходы. Для создания таких покрытий необходима электролитическая ванна с оптимальной концентрацией органических добавок.

Влияние бессвинцовой пайки на металлизацию отверстий

Рис.З. Микроотверстие с прямыми стенками


Несколько лет назад для количественного определения влияния увеличения толщины печатной платы и снижения диаметра отверстия на процесс формирования покрытия в компании Rohm and Haas Electronic Materials был введен так называемый коэффициент трудности, численно равный L^2/D, где L - толщина платы, a D - диаметр отверстия [10]. Как видим, увеличение вдвое толщины платы при неизменном диаметре отверстия приводит к росту коэффициента в четыре раза, а уменьшение диаметра в два раза повышает его вдвое.

Статья первоначально публиковалась в Proceedings of the International Conference on Lead Free Soldering, Toronto, Ontario, Canada, May 2006.

Автор: Джек Фелман, статья из журнала «Печатный монтаж»


ЛИТЕРАТУРА

1. Holden Н. Passing the Test. - CircuiTree, 2005, NqI 8.
2. IPC Test Methods Manual 650, Number 2.6.26. DC Current Induced Thermal Cycling Test, May 2001.
3. Reid P. 1ST Performance Baseline Including Impact of Assembly @ 230°C," May 6, 2004.
4. Andrews P., Parry G. and Reid P. Microvia Reliability. Concerns in the Lead Free Assembly Environment. - IPC Works, Las Vegas, NV, Number S02-6, October 2005. Table 1 and Photos 1-3 used with permission.
5. Reid Paul. - Unpublished Communication, March 21,2006.
6. iNEMI High Reliability Task Force, "Pb-Free Manufacturing Requirements for High-Complexity, Thermally Challenging Electronic Assemblies," page 2, February 16, 2006.
7. Reid Paul. Demonstrating the Lead-Free Capability of PCBs. - Printed Circuit Design & Manufacture, 2006, №23.
8. IPC 6012B, 3.2.6.8b, Electrodeposited Copper, p. 5, August 2004.
9. IPC Test Methods Manual 650, Number 2.4.18.1. Tensile Strength and Elongation, In-House Plating,. Rev. A, May 2004.
10. Fisher G.L., Sonnenberg W. and Bernards R. Electroplating of High Aspect Ratio Holes. - PC Fab, 1989, NqI 2.

  • 0
Новость опубликована 3-12-2014, 22:58, её прочитали 1018 раз(а)
Понравилась тема? Посмотрите эти:
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.