Введение
Комитет по стандартам IPC 4-14 недавно внес изменения в спецификацию IPC4552 для готовых печатных плат химического никеля/иммерсионного золота (ENIG). Изменение А дает более полную оценку измерения толщины слоя металла, его состава и впервые вводит аспект качества коррозии никеля, который исторически был связан с дефектом, называемым “черной площадкой” никеля.
Введение этих изменений обеспечит более высокий уровень качества осадка ENIG, но также создаст некоторые проблемы в достижении и последовательном обеспечении требуемого уровня качества при изготовлении печатных плат.
PC4552 A требует, чтобы производитель PCB измерял и контролировал толщину химического никеля и его состав. Уменьшение минимальной толщина золота и недавно введенные спецификации максимальной толщины золота бросают вызов не только измерительным системам, но и управлению технологическими процессами для соблюдения ограничений на соответствие продукции ENIG.
Ключевые слова: IPC4552, ENIG, толщина осадка, состав химического никеля, коррозия химического никеля.
Химический никель/Иммерсионное золото
В середине 1990-х годов IPC начала проект по оценке альтернативного покрытия до уровня HASL. Проект был разработан как ответ на надвигающийся европейский запрет свинца для электронной промышленности. Запрет исключил бы свинец в компонентах, припойных материалах и покрытию HASL. Надвигающаяся гибель перехода от свинца нависла над отраслью почти 10 лет, она до сих пор поражает некоторые сегменты рынка. Выпуск в 1996 году проекта ITRI/October, который проверял надежность альтернативных покрытий, позволил увеличить их количество [1]. Компании более удобны
“альтернативные” покрытия с краткосрочной и долгосрочной надежностью.
Пять из них используются регулярно, а новые появляются на рынке единично. Основные виды покрытий включают органическое металлопокрытие (OSP), иммерсионное олово, иммерсионное серебро, химический никель/иммерсионное золото и химический никель/химический палладий /иммерсионное золото (ENEPIG). ENIG является ведущим покрытием[2].
Все виды финишных покрытий имеют свои сильные и слабые стороны. Нет ни одного покрытия, который удовлетворял бы всем потребностям конструкторов, изготовителей печатных плат, монтажников и конечных пользователей. В данной статье основное внимание уделяется ENIG и тому, как добиться наилучшего контроля технологического процесса и производительности продукта от финишного покрытия и соответствовать требованиям IPC4552 Изменение A.
Исторически сложилось так, что HASL был единственным покрытие для защиты меди от окисления перед пайкой компонентов. По мере того как схемы становились все более сложными, промышленность требовала альтернатив этому покрытию, которые были бы менее агрессивными по отношению к основному материалу и более экологичными. Промышленность начала использовать химический никель/иммерсионное золото (ENIG) в больших объемах. Химический механизм нанесения покрытия двухслойным осаждением и химические взаимодействия с другими материалами сделало покрытие гораздо сложнее чем HASL. Даже с учетом сложностей, затрат и времени, связанных с ENIG, покрытие по-прежнему пользуется высоким спросом сегодня.
В 1990 — х годах с ростом новых разработок, запуском компонентов BGA для телекоммуникационной отрасли [3] и общим увеличением использования ENIG промышленность узнала много нового. Тем не менее, все еще существует уровень непредсказуемости, с которым отрасль имеет проблемы. Документ IPC 4552A создает руководство для уменьшения любой проблемы и создания более предсказуемо процесса нанесения ENIG. Эта статья предназначена для того, чтобы лучше объяснить необходимость пересмотра, методов достижения успешного осаждения и нового процесса с гораздо лучшим контролем, чтобы облегчить процесс изготовления печатных плат, повышая соответствие новой спецификации IPC 4552.
ENIG сохраняет свою популярность и использование благодаря многим преимуществам, включая длительный срок службы, устойчивость к окислению и росту “усов”, стабильную паяемость, особенно после многократного бессвинцового оплавления, возможность сварки алюминиевой проволокой и ее пригодность для клавишных контактов. Еще одним важным преимуществом, как объясняют потребители, является то, что многие области на готовой сборке печатной платы (PCBA) остаются не паянными. ENIG обеспечивает устойчивость к условиям окружающей среды и оставляет открытый металл с надежной контактной поверхностью, которая не окисляется.
Внимание на недостатки традиционного процесса позволило составить общее представление об основных дискуссионных моментах этой статьи. Для потребителя это дорогостоящий шаг в процессе изготовления печатных плат, несмотря на то, что он ограничен 15% или менее площади платы. Для изготовителя печатных плат проблемы гораздо серьезнее; высокотемпературная химия, сложный процесс с несколькими стадиями покрытия, которое не поддается переработке, делают ENIG одной из самых сложных финишных покрытий. Потенциально самая большая проблема для изготовителя печатных плат, никелирования черной площадки и вытекающие из этого проблемы надежности, которые не обнаруживаются до тех пор, пока плата не будет использована.
IPC 4552 Изменение A
В целом, изменение IPC4552 A [3] повышает уровень контроля за процессом ENIG и окончательным покрытием. Первый порядок изменения — это контроль и измерение толщины золотого осадка. Описано погрешность измерительной системы. Спецификация обращает внимание на точность оборудования, находящегося в рабочих условиях. Значительные достижения были достигнуты в области рентгенофлуоресцентного измерительного оборудования, но эта технология стоит порядка 100 тысяч долларов, не все производители печатных плат могут оправдать владение. Более старое оборудование может не обеспечить такого же уровня точности.
Для золотого осадка было уменьшено значение минимально допустимой толщины и установлено новое значение максимальной толщины. Диапазон поставит барьеры для тех, кто уменьшает толщину золота, чтобы сэкономить. Чрезвычайно низкая толщина золота способствует сбоям в работе, так как тонкий осадок может не выдержать термического удара и воздействия окружающей среды. Верхние пределы помогают бороться с потенциальной коррозией никеля, вызванной чрезмерным замещением, необходимым для приведения в действие механизма осаждения, который будет обсуждаться далее в этой статье.
Сегодняшняя спецификация содержит раздел, посвященный измерению содержания фосфора в никелевом покрытии. Исторически люди ссылались на диапазоны содержания фосфора (%P) с точки зрения низкого, среднего и высокого уровня, но не существовало отраслевого стандарта для проверки этого уровня или контроля его в течение всего срока эксплуатации раствора. Изменение А 4552 вводит новую систему измерения содержания фосфора и требований к управлению технологическим процессом.
Наконец, существует четкое объяснение оценки ENIG на коррозию. Он содержит предлагаемый метод оценки и уровни приемлемости. Комитет IPC провел детальные исследования для создания этого нового документа, которые добавляют ясности в серую область, отсутствовавшую в предыдущей спецификации 4552.
Коррозия никеля
Благодаря своим свойствам золото не окисляется. Тем не менее, существует вероятность того, что при тонком покрытии золота или плохом покрытии меди ENIG может подвергнуться коррозии. Опять же, это может происходить либо через поры в тонком слое золота, что приводит к окислению/пассивации никеля, либо к коррозии меди лежащей под ним, которая не была должным образом покрыта в процессе химического никелирования. В центре внимания данной статьи находится устойчивость к коррозии химического никелевого слоя, который является плохо контролируемым процессом.
Чтобы лучше понять коррозию никеля в результате нанесения иммерсионного золота, необходимо понять химический механизм осаждения золота.
Золото осаждается на поверхность никеля в результате реакции обмена, также называемой иммерсионной или реакцией замещения [5]. Реакции замещения управляются переносом электронов и рядом активности металлов.
Чтобы осаждать золото на поверхности химического никеля, электроны должны быть перенесены с металлического никеля на ионы золота в растворе, образующем золотой осадок. Этот перенос электронов приводит к удалению металлического никеля (коррозии) с поверхности никелевого осадка и накоплению ионов никеля в иммерсионном растворе золота по мере протекания реакции. Традиционные системы иммерсионного золочения могут позволить неконтролируемое растворение металлического никеля и привести к локализованным нежелательным всплескам коррозии, которые можно увидеть под микроскопом или через поперечное сечение.
Из-за механизма золочения всегда будет существовать некоторый уровень коррозии, так как никель должен быть удален с поверхности никелевого осадка, чтобы облегчить осаждение металла золота. Именно уровень коррозии на поверхности так и по глубине вызывает опасение.
Количество фосфора в слое никеля зависит от скорости осаждения золота. Взаимодействие между содержанием фосфора в никеле и поглощенным органическим стабилизатором будет определять степень коррозии, которую золото придает поверхности никелевого осадка. Вообще говоря более высокое содержание фосфора и более низкое поглощение органики приводят к более стойкому к коррозии никелевому осадку.
Чрезмерная коррозия может привести к образованию IMC и более слабому образованию паяных соединений, что, в свою очередь, может привести к отслоению компонентов с поверхности сборки печатной платы (PCBA) [6].
Измерение толщин осадка
IPC4552 вводит измерения XRF в виде исследования датчика типа 1, чтобы гарантировать, что производители используют надежное оборудование для контроля толщины ENIG. Рекомендуется, чтобы рентгеновское оборудование показывало измерительную способность (Cg) ≥ 1,33. В документе нет упоминания о Cgk, который учитывает любое изменениие измерений, поэтому повторяемость измерений является единственным требованием для измерения XRF. Повторяемость-это способность последовательно производить одно и то же измерение на одной и той же детали, используя один и тот же датчик, в одних и тех же условиях.
Показатели Cg/Cgk могут быть рассчитаны путем выполнения калибровочного исследования типа 1 прибора XRF, который будет использоваться для измерения толщины ENIG, как описано в разделе 3.1.1.2 новой редакции [4].
Был проведен эксперимент по количественной оценке влияния времени подсчета рентгеновского излучения на способность датчика. Было обнаружено, что уменьшение времени снижает повторяемость и изменение.
Увеличение времени с 30 до 60 секунд привело к увеличению Cg с 1,12 до 1,92 и Cgk с 0,89 до 1,90.
Для несоответствующего требованиям XRF оборудования IPC4552A допускает два варианта….
- Увеличьте количество измерений на [2 / Cg]2.
Cg, полученный в результате XRF, может быть использован для расчета количества необходимых измерений следующим образом.
- 30 секунд — [2 / 12]2 = 4 измерения
- 60 секунд — [2 / 92]2 = 2 измерения
По мере уменьшения возможностей датчика количество требуемых измерений будет увеличиваться, потребуется больше измерений для того, чтобы рассчитанная средняя толщина была близка к истинному значению. Наличие операторов, выполняющих много измерений, может быть неосуществимо в производственной среде, поэтому IPC4552A предоставляет второй вариант.
- Использование 3 группы Sigma Guards.
Используя отклонение от измерений толщины золота, полученных в результате XRF-датчика, IPC4552A предписывает ввести три 3 группы Sigma Guards для создания новой ужесточенной рабочей спецификации, чтобы уменьшить влияние ошибки системы измерений, создающей выход за пределы спецификации толщины.
Таким образом, использование 3 группы Sigma Guards уменьшит допуск спецификации и уменьшит “диапазон” для технологических изменений толщины, наблюдаемых в процессе производства ENIG.
Данные по толщине золота были оценены с помощью производственного процесса ENIG в соответствии с IPC4552A и обнаружили, что 0,0126% ожидаемых измерений находятся за пределами новой спецификации толщины. Однако, применяя правило 3 группы Sigma Guards (Cg = 1.12, Std Dev = 0.07151), было определено, что ожидаемые измерения вне спецификации выросли до 0.31 %. Этот эксперимент не учитывает, что будет происходить расширение распределения толщины золота с использованием XRF с Cg – 1.12, и в действительности можно ожидать, что больше измерений будет выходить за пределы спецификации толщины золота.
Наличие рентгеновского оборудования считается ключом к минимизации объема измерений и максимизации рабочих характеристик толщины золота. Без адекватной возможности измерения толщины осадка возникает повышенное давление на производственный процесс ENIG. Чтобы доказать работоспособность прибора, было проведено исследование датчика типа 1 с использованием Fischerscope SDD XRF относительно IPC 4552А.
Минимальный Cg, рассчитанный для этого исследования, составил 1,50 (Cgk = 1,47), что соответствует требованиям IPC4552A. Это позволяет тестировать и измерять различные схемы печатных плат, а также изменять технологические рецептуры и условия в зависимости от толщины золота.
Новые параметры для толщины золота
Новый IPC4552A включает в себя минимальную и впервые вводит максимальную толщину золота. Средняя измеренная толщина золота должна составлять три стандартных отклонения выше 1,58 микродюйма и ниже 3.94 микродюйма [4].
Толщина золота должна иметь среднее значение x˜ …
x˜ — 3 s ≥ 1.58 микродюйма,
и x˜ + 3 s ≤ 3.94 микродюйма
С добавлением максимального предела спецификации и необходимых ограничений, основанных на стандартном отклонении толщины, контроль толщины золота создает более сложную задачу для изготовления печатных плат. Это означает, что изменения измерительной системы и процесса должны быть низкими. Поскольку процесс ENIG обеспечивает отличное распределения золота, средняя толщина золота может быть уменьшена ближе к нижнему пределу спецификации. Это дает потенциальную экономию в потреблении золота.
Дефекты пайки без смачивания могут возникать по многим причинам, не зависящим от покрытия печатной платы. Таким образом, последовательный и низкий уровень коррозии EN рекомендуется для того, чтобы избежать любого отказа паяемости, диагностируемого как “гиперкоррозия” и, таким образом, забракованным.
Документ IPC включает уровни оценки коррозии ENIG и схему оценки приемлемости для более четкого наблюдения и идентификации коррозии. Диаграмма дает прямое пошаговое определение коррозии и приемлемости для выпуска или представления на анализ отказов.
Таблица 3-4 в IPC 4552 А диагностирует различные степени гиперкоррозии на основе частоты и глубины коррозионных включений в пределах площади поперечного сечения, и также содержит визуальные рекомендации по трем определенным уровням.
Окончательное изменение в документе IPC 4552, которое является дополнением к предыдущей версии, — это раздел 3.1.6 Измерение содержания фосфора в покрытии ENIG. Изменение А ставит под сомнение традиционное использование энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) в качестве подходящего метода измерения фосфора, но предполагает химическую очистку осадка EN и анализ полученного раствора для очистки с помощью индуктивно связанной плазмы (ICP) или атомно — абсорбционной спектроскопии (AAS).
В этом разделе также вводится метод XRF для анализа фосфорного осадка EN в виде покрытия, но оборудование должно использовать Silicon Drift Detector, чтобы быть способным к такому анализу. Указано, что содержание фосфора в покрытом образце должно проверяться как минимум ежеквартально и должно охватывать рабочий диапазон оборота металла для химического никеля. Следует отметить, что для многих никелевых составов содержание совместно осажденного фосфора может изменяться на несколько процентов в течение полного срока эксплуатации раствора.
Исследование химического никеля/иммерсионного золота
Чтобы лучше понять возможности и качество современного оборудования и процессов, было проведено исследование с производителем печатных плат в Северной Америке. Первым шагом была оценка возможности измерения их толщины. Исследование датчика типа 1 проводилось с использованием 5-секундного времени считывания, что было стандартной процедурой для этого объекта. В качестве рекомендуемого времени для сравнения также использовалось 60-секундное время подсчета. Увеличение времени с 5 до 60 секунд значительно улучшило повторяемость показаний Cg от 0,5 до 1,44. Устраняя некоторую погрешность измерительной системы, вариация толщины золота уменьшается. Несмотря на повторяемость измерения толщины золота, все еще наблюдалось значительное изменение.
Следующим шагом была оценка эффективности ENIG, включая распределение толщины золота, содержание фосфора в никеле и характеристики паяемости с существующим производственным процессом.
Распределение толщины золота
- XRF показания на каждом тестовом купоне в различных местах платы
- 100 показаний XRF на тестовой плате
- Толщина анализируется в соответствии с требованиями IPC 4552 (согласованный размер площадки контакта)
- Pad-Pad анализ толщины (распределение в пределах платы)
Анализ коррозии
- Поперечное сечение 10 контактов BGA
- Поперечное сечение через ряд из 10 отверстий
- Каждый BGA и PTH оценен в соответствии IPC 4552A
- % коррозии, определение по анализу.
- Очистка золота от цианида для 10 контактов BGA
- Очистка золота от цианида для 10 отверстий
- Каждый BGA и PTH оценивались SEM при 300x увеличении
Для этого примера были обработаны две тестовые платы с помощью существующего у заказчика процесса ENIG-одна на 0,72 МТО хим. никеля и 2,2 МТО. Основываясь на “снимке” процесса, ожидается, что 6,97% измерений толщины золота в этом процессе находится вне спецификации IPC4552A (размер площадки для измерения). При рассмотрении процесса с точки зрения возможности толщины, основанной на различных размерах контактов на конкретном тестовом купоне, было установлено, что 12,37% измерений толщины золота, как ожидается, будут выходить за рамки спецификации IPC 4552A
Большинство оценок коррозии поперечного сечения от контактов SMT было приемлемо примерно 50/50 между приемлемым и ABBUS. Однако при оценке отверстий наблюдалось увеличение коррозии 2-го уровня.
Введение нового химического процесса
Уменьшение изменений
Параллельно с созданием IPC 4552 A разрабатывался новый химический процесс ENIG в результате более широкого диапазона технических знаний в рамках организации MacDermid Enthone. Сочетая этот опыт с подходом шести сигм к разработке, была поставлена технология ENIG со значительно улучшенным соответствием IPC4552A.
Многие традиционные никелевые системы позволяют содержанию фосфора изменяться в течение всего срока службы ванны химического покрытия. По мере накопления побочных продуктов в химическом процессе наблюдается снижение скорости нанесения покрытия. НЕ стабильность процесса не подходит для изготовителя печатных плат, иметь меняющуюся скорость нанесения покрытия, поскольку это может повлиять на пропускную способность, и часто время нанесения покрытия в каждой ванне диктуется фиксированным временем. Общие методы, используемые для поддержания производительности и компенсации сниженной скорости нанесения покрытия, заключаются в повышении температуры или химической регулировке рН и никеля.
Недостатком изменения скорости нанесения покрытия является его влияние на содержание фосфора. Некоторые методы дают меньше изменений в фосфоре, чем другие (рис. 24), поэтому следует проконсультироваться с вашим поставщиком химических веществ. По мере изменения скорости нанесения покрытия содержание осажденного фосфора изменяется.
Как уже упоминалось в введении, уровень фосфора в осадке прогнозирует уровень коррозионной стойкости осажденного EN. Это соответствует для коррозионной стойкости к окружающей среде, так и для коррозионной стойкости раствора золотого покрытия. Чем выше содержание фосфора в никелевом осадке, тем больше сопротивление. Необходимо соблюдать осторожность при приближении к содержанию выше 12 %, поскольку адгезия золота и поддержание паяемости становится все более сложной задачей, не невозможной, а более сложной.
При использовании традиционной технологии никелирования реакция замещения золота должна управлять изменчивостью коррозионной стойкости никеля, поскольку она меняется с течением времени. Во многих случаях это может быть несколько процентов. Это приводит к трудностям при контроле толщины золота и не соответствует стандарту IPC4552 A.
Новый подход к приготовлению химического никеля и управлению технологическим процессом обеспечивает стабильное содержание фосфора в течение всего срока службы химического состава с малым стандартным отклонением. Обеспечивая постоянный уровень фосфора на плате, и в течение всего срока службы никелевого раствора, золотой осадок по своей сути является более однородным. Механизм золочения замещения молекул никеля на поверхности с постоянной коррозионной стойкостью. На рис 25 показан очень узкий диапазон содержания осажденного фосфора в течение “старения” никелевого раствора для пяти оборотов металла. Эти данные подходят для платы с различными размерами контактов. В свою очередь, это приводит к значительному увеличению способности поддерживать толщину золотого осадка в течение всего срока эксплуатации.
Создания более коррозионностойкого никеля и контролируемого процесса золочения можно наблюдать по улучшенному распределению толщины золота (рис.30) на различных размерах контактов, а также по снижению наблюдаемой коррозии с помощью SEM и анализа поперечного сечения (рис. 28 и 29).
Выводы
IPC4552 A поднимет планку качества ENIG с точки зрения коррозии, состава металлических осадков и контроля толщины. Некоторые традиционные системы ENIG могут быть поставлены под сомнение в том, чтобы последовательно обеспечивать требуемое качество на уровне изготовления печатных плат. Пристальное внимание следует уделять условиям химического процесса и оборудованию, используемому для проведения анализа.
Чтобы обеспечить большую легкость и согласованность процесса ENIG при изготовлении печатных плат и обеспечить соответствие стандарту IPC 4552 A, был разработан новый химический процесс ENIG. Это приводит к значительному улучшению однородности состава осадка и способности контролировать критические для качества характеристики, необходимые для соответствующего продукта ENIG.