Переход на без свинцовые технологии в электронной промышленности привел к появлению иммерсионного серебра в качестве финишного покрытия печатных плат для процессов и продуктов, соответствующих RoHS. Сильные стороны иммерсионного серебра многочисленны; простота процесса на уровне изготовления, контактная функциональность и долговечность при многократных циклах оплавления являются одними из наиболее приемлемых покрытий. В последнее время тема образования микропустот была связана с иммерсионным покрытием серебра, и исследования этого явления показали, что микропустоты представляет неприемлемый риск для надежности электронных товаров. Приведено также прямое сравнение этого оптимизированного процесса с альтернативной химией иммерсионной серебрения.
Введение
Экологическое законодательство и директивы, особенно директивы RoHS и WEEE, оказали значительное влияние на материалы и процессы, используемые в электронной промышленности в последние годы. Предпринимаются корпоративные, правительственные и отраслевые инициативы по приведению электронных продуктов и процессов в соответствие с этими стандартами, многие из которых стали “официальными и активными” в 2006 году.
Покрытие печатных плат и последующая сборка компонентов являются ключевыми сегментами в более широкой цепочке производства электроники. В этих областях новые финишные покрытия и материалы для пайки заменили их оловянно-свинцовые аналоги. Серебро, нанесенное методом иммерсионного серебрения, стало одним из наиболее технически привлекательных и наиболее часто используемых видов покрытия поверхностей без свинца. В 2001 году движение без свинца находилось в основном на стадии “идеи и оценки”; использование серебра в качестве покрытия плат составляло менее 5% от общего объема производства. Сегодня, по оценкам, иммерсионное серебро составляет от 20 до 30% от общего объема производства печатных плат по всему миру 1.
Определение микропустот
Тема микропустот, связанная с иммерсионным серебрением и последующей сборкой компонентов, активно обсуждается уже два-три года. Несмотря на это, необходимо четкое определение микропустот и связанного с ним риска.
Микропустота-это явление, которому было дано много названий, наиболее распространенныGми альтернативами являются: пустоты /пузырьки, плоские микропустоты, микропузырьки или просто “пустоты”.
Микропустоты можно рассматривать как подкатегорию в рамках более широкой классификации дефектов паяных соединений. Путаница между микропустотами и другими формами брака может быть устранена путем рассмотрения двух ключевых и определяющих характеристик микропустот: во-первых, микропустоты чрезвычайно малы, обычно от 5 до 40 мкм. Это контрастирует с более распространенными и традиционными пустотами припоя, которые обычно намного больше.
Во-вторых, микропустоты всегда возникают на границе раздела припоя и медной подложки. Механизм образования пустот будет обсуждаться позже, но ключевым моментом на данный момент является то, что микропустоты образуются в процессе пайки. В этот критический момент тонкое серебряное покрытие растворяется в припое и образуется тонкий слой интерметаллида олова/меди. Когда наблюдается микропустота, она всегда находится в той же области, что и интерметаллид.
Наши первоначальные выводы по микропустотам, опубликованные в 2005 году, связывали микропустоты с чрезмерно толстыми осадками серебра и условиями оплавления 2. Хотя эти исследования были информативны и важны для дальнейшей работы, они не давали полного объяснения этим явлениям. С тех пор другие предложили связи с органическим осаждением из серебрения, окислением покрытой поверхности, изменением покрытия и эффектами флюса среди прочих 3, 4, 5.
Методы выявления
Существует три основных метода идентификации и измерения микропустот. У каждого есть свои сильные и слабые стороны. Один из методов включает в себя физическое “разрезание” компонентов из сборки с последующим визуальным осмотром площадки после разреза. Этот метод имеет очевидные недостатки, один из которых связан с плохой продуктивностью, связанной с изменчивостью в вырезании. Другой метод включает использование рентгеновского контроля. На рис. 1 показан пример образование, наблюдаемого в паяных колодках соединения с помощью рентгеновского оборудования. С помощью этой техники собранное паяное соединение можно наблюдать неразрушающе. С другой стороны, могут возникнуть сомнения относительно того, существует ли пустота внутри припоя или на границе меди. Кроме того, рентгеновское оборудование является дорогостоящим и отсутствуют во многих производственных и сборочных цехах. Второй метод идентификации микропустот включает в себя относительно простое поперечное сечение. На рис. 2 показано образование, наблюдаемое в BGA с помощью поперечного сечения. Для большинства будет очевидно, что эта техника разрушительна, но также относительно проста и широко используется. Наконец, следует отметить, что рентгеновский метод позволяет исследовать всю поверхность контакта, в то время как поперечные наблюдения ограничиваются “срезом” данного контакта.
Риск надежности
Недавние исследования и публикации показали, что высокая плотность микропустот в паяных соединениях не влияет на сборку, но представляет значительный риск надежности. Ключевой механизм проявления этого риска показан на рис. 3. При воздействии температурных циклов контакты, выходили из строя из-за чрезмерных трещин.
Ключевая проблема здесь заключается в том, что наличие микропустот приводит к более быстрому образованию трещин через границу стыка, что приводит к электрическому отказу 6, 7.
Обсуждение исследований по выявлению механизма микропустот
Обзор методов измерения и систем показателей
Работа по идентификации и количественной оценке микропустот, описанная ниже, была достигнута с помощью обычных методов поперечного сечения. Этот метод был выбран из-за его доступности для испытаний, а также надежности в получении результатов относительно расположения пустот в паяном соединении.
На протяжении большей части этой работы для изучения микропустотных феноменов использовался стандартный тестовый образец. Образец можно удобно использовать как в лабораторных, так и в производственных условиях, и он включал стандартную модель компонента BGA с квадратной конфигурацией контактов (см. рис. 4). Поперечное сечение и проверка на микропустоты были проведены через ряд контактов. Наша стандартная процедура требовала анализа 16 контактов в поперечном ряду.
Затем микропустоты были количественно определены и нанесены на график с использованием иллюстративной шкалы, показанной ниже на рис.5. Эта система классификации была масштабирована от нуля до девяти, где ноль указывал на практически свободную от пустот поверхность, а 9 приравнивалось к почти полному заполнению поверхности.
Определение основных образований микропустот
В 2005 и 2006 годах, после значительного исследования, направленного на выявление факторов, влияющих на формирование микропустот, MacDermid опубликовал результаты своих работ 2, 8 и 9. В этой работе были определены две ключевые переменные процесса, влияющие на формирование микропустот в последующей операции сборки. Исходя из этого, корректирующие действия в виде простых технологических модификаций были включены в условия эксплуатации “наилучшей практики” для иммерсионного серебра MacDermid. Эти ключевые изменения процесса рассматриваются отдельно ниже.
Подбор подходящего микротравления
На рисунке 6 показаны результаты ключевого исследования, которое включало манипулирование несколькими переменными процесса, включая тип микротравления. Для этой работы мы подготовили образцы, используя два широко используемых микротравлений: химию на основе серной кислоты и перекиси водорода, которая, как известно, дает более грубый рельеф, и запатентованную химию на основе персульфата и серной кислоты, которая обеспечивает более гладкий рельеф. Толщина серебра поддерживалась на уровне 0,25 мкм. Как показано на рис. 6, образцы, обработанные травлением на основе персульфата, демонстрировали незначительные показатели микропустот; в то время как те, которые обрабатывались с помощью серной кислоты и перекиси водорода, постоянно образовывались пустоты. Этот график отображает образование микропустот от типа микротравления;
Для подтверждения данного эффекта, мы решили исследовать роль рельефа к образованию микропустот на серебряном покрытии, нанесенном из альтернативной иммерсионной химии серебра, утверждающей, что она внутренне устойчива к образованию микропустот, называемой “Process А”10. На рис. 7 ниже показаны типичные образования пустот на границе осадка, обработанных с помощью травления на основе пероксида и модифицированного персульфата соответственно. Опять же, все толщины серебра поддерживались на уровне 0,25 мкм. Эти результаты ясно подтверждают утверждение о том, что основные пероксидные микротравления, обычно используемые в местах изготовления печатных плат (эти травления обычно не содержат добавок, придающих полированную поверхность), сильно индуцируют и обеспечивают образование микропустот, независимо от используемой химии серебрения.
Эффект, наблюдаемый после микротравления, привел к вопросу о том, что может быть причиной этих явлений. Рельеф поверхности меди дал некоторые подсказки. На рис. 8 и 9 показаны изображения травленных медных поверхностей с помощью SEM и атомно-силового микроскопа (АFМ)
Наблюдается явная разница в структуре. Одно из объяснений состоит в том, что структурные особенности, возникающие в результате широко используемых пероксидных обработок, могут приводить к образованию высокоактивных участков и локализованному неоднородному осаждению серебра в этой области.
Контроль кинетического серебряного осадка за счет снижения концентрации серебра.
Дополнительные исследования выявили, что скорость реакции иммерсионного серебрения также оказывает влияние на образование микропустот. На рис. 10 ниже показан выход из полного факторного DOE, который включал концентрацию серебра в качестве фактора образования микропустот. При этом испытании были исследованы две толщины серебра-0,37 и 1,5 мкм. Хотя это и не так критично, как эффект микротрещины, результат ясен и статистически достоверен.
Механизм формирования микропустот
Сочетание внутренних исследований и сотрудничества с другими исследователями, изучающими феномены микропустот, привело нас к более детальному исследованию, направленному на лучшее определение механизма формирования микропустот 7. Стимулирующие эффекты пероксидного травления и более высоких концентраций серебра были повторяемы в лабораторных условиях, но эти результаты не предлагали механизма образования пустот. Очень важная находка включала в себя идентификацию “полостей” под покрытой серебром поверхностью в образцах, которые впоследствии показали образование пустот. На рисунках 11 и 12 показаны изображения разреза тестовой заготовки покрытой серебром. Изображения, показанные на рис. 11, были обработаны в условиях, способствующих образованию микропустот (пероксидное микротравление и более высокая концентрация серебра). Пустоты, наблюдаемые под серебром, стали обычно называться “полостями”; они могут быть последовательно получены путем обработки материалов с помощью “благоприятных” условий, рассмотренных выше. На рис. 12 показано от нескольких до полного отсутствия пустот; эти изображения обрабатывались в условиях, способствующих отсутствию микропустот при монтаже (персульфатное травление и более низкая концентрация серебра). Эти образцы последовательно давали отсутствие микропустот к паяным соединениям/монтажу.
С идентификацией пустотных явлений возможно лучшее механистическое объяснение микропустот. Изображения полостей лучше всего видны с помощью современных инструментов, таких как сфокусированный ионный луч (FIB), но адекватный анализ также может быть получен с помощью тщательных и квалифицированных традиционных металлографических методов (шлифовка).
Подводя итог вышеизложенной работе, мы предлагаем следующее объяснение механизма микропустот: Состояние поверхности и рельеф меди при ее вступлении в стадию серебрения играют решающую роль в потенциальном образовании полостей, которые в конечном итоге проявляются в виде микропустот при сборке/монтаже. Рельеф, созданный пероксидным травлением, обеспечивает участки, которые восприимчивы к образованию полостей на стадии нанесения покрытия. Эта “восприимчивость” к образованию полостей и микропустот может быть усилена, если медь не будет эффективно очищена. Остатки паяльной маски и окись могут обеспечить место для локализованного образования пустот (коррозия меди) на стадии нанесения покрытия. Кроме того, движущая сила реакции иммерсионнго серебра, когда она чрезмерна, может привести к гиперкоррозии в активных местах на поверхности меди, что приведет к образованию пустот и образованию серебряных соединений через пустоты. Иллюстрация предложенного нами микропустотного механизма показана на рис. 13.
В дополнении, полость ведет к образованию микропустот. Это может произойти из — за неспособности захваченного воздуха/газа вырваться наружу при нанесении припоя.
Это также может быть связано с образованием водяного пара в результате реакции горячего припоя с оксидами меди на стенках полости.
Первоначальная проверка при производстве
Следующим логическим шагом в наших усилиях по решению проблем было тестирование эффективности наших “улучшений” и корректирующих действий в реальных производственных условиях. Проверка эффективности наших технологических модификаций была бы сложной задачей, поскольку история ясно показала, что очень большие объемы продукта могут быть произведены в “благоприятных” условиях без образования микропустот (хорошо задокументировано, что явления микропустот происходят очень редко и непредсказуемо). Наш предложенный механизм предполагает, что благоприятные условия в процессе нанесения покрытия создают более надежный процесс, который меняет ранее существовавшие условия к меди, которые могут способствовать образованию полостей/микропустот.
Наша первоначальная проверка включала изготовление стандартной тестового образца с BGA, описанного ранее на рис.4, на крупномасштабном производстве с использованием травления на основе пероксида и старых условий работы (более высокое содержание серебра и более низкая температура). Этот конкретный производитель был также выбран потому, что он использовал вторую иммерсионную химию серебра из процесса, который, как утверждалось, был внутренне устойчив к образованию микропустот (ранее в этой статье упоминался как “Process А”) 10. Для этой работы мы начали с запуска тестовых плат с нашим процессом управления. Затем мы постепенно изменяли три ключевые переменные (тип травления, концентрация серебра и температура нанесения покрытия для обеспечения качества осадка), отбирая пробные платы по мере каждой модификации процесса. Наконец, мы изготовили платы из погружного серебра “Process А” в соответствии со стандартной практикой эксплуатации для включения в нашу оценку. Толщина серебра поддерживалась постоянной на уровне приблизительно 0,25 мкм на протяжении всего этого испытания (выполненного путем изменения времени иммерсионного покрытия), и последующий анализ микропустот проводился с помощью метода поперечного сечения, как описано ранее. В общей сложности было проведено 5 тестов для каждого условия, что дало 80 индивидуальных наблюдений для каждого условия (5 х 16 контактов на плату). Результаты этой работы представлены ниже на рис.14. Несмотря на то, что все результаты по микропустотам были относительно низкими и приемлемыми по большинству стандартов, можно ясно видеть, что наши ключевые модификации процесса привели к статистически значимому улучшению производительности. Этот важный результат получен для модификации наших рекомендаций по процессу наилучшей практики для наших клиентов.
Лучший опыт для обеспечения надежности.
Исходя из описанной выше работы, рекомендуемые рабочие параметры для иммерсионного серебра были сдвинуты таким образом, чтобы обеспечить условия обработки, минимизирующие полости и образование микропустот. Эти изменения были внедрены по всей нашей клиентской базе, начиная с начала 2006 года. Основные изменения приведены ниже на рис. 15 (хотя температурные изменения не оказывали большого влияния на риск микропустот, более высокие температуры обеспечивали гладкий осадок серебра при сниженных концентрациях серебра)
Производственный опыт
Одной из больших проблем, исторически преследовавших весь вопрос о микропустот, был тот факт, что они возникали крайне редко. Поскольку миллионы хороших иммерсионных серебряных печатных плат были произведены в условиях до 2006 года без наблюдений за микропустотами, стало ясно, что другие факторы способствуют образованию пустот. Основная предпосылка, лежащая в основе нашего предложения о механизме, заключается в том, что микротравление и кинетика нанесения покрытия являются ключевыми переменными в обеспечении того, чтобы избежать полостей и микропустот, даже если поступающая медь восприимчива к образованию пустот; логическая гипотеза-это частицы прилипших остатков паяльной маски.
Одним из ярких примеров этого положения является случай образования пустот, с которым мы столкнулись в начале 2006 года. Этот инцидент был связан с производством, который внезапно испытал значительное образование пустот; они еще не перешли к оптимальным практическим условиям эксплуатации, но уже долгое время работали без проблем. После перехода к условиям оптимальной практики микропустоты исчезли навсегда. Изображения образование полостей (через FIB) и микропустот из прошлых эксплуатационных практик и новых условий практики показаны ниже на рисунках 16 и 17.
Контроль на производстве
Несмотря на значительный объем доказательств, подтверждающих эффективность и обоснованность наших технологических модификаций, мы провели дополнительное тестирование и сбор данных, направленных на дальнейшую проверку нашей работы. У нас были две основные задачи в этой работе. Во-первых, мы хотели подтвердить, что наши лучшие условия эксплуатации производили платы с минимальным или нулевым появлением микропустот на протяжении всего срока службы химии нанесения покрытий. Во-вторых, мы хотели сравнить склонность образования микропустот нашего процесса с устойчивым “Process А”10, описанным выше. Учитывая эти две цели, мы выбрали два крупных производственных участка, которые регулярно использовали каждую химию. Для каждого участка и каждого химического состава покрытия 10 плат обрабатывались в стандартных условиях с 5 отдельными интервалами времени в течение срока службы каждого раствора (начиная с испытаний при составления ванны и заканчивая утилизацией ванны). Это обеспечило 800 показаний для каждой химии на каждом изготовителе (10 х 5 х 16 контактов на плату). Для этой работы мы модифицировали измерения, с помощью которых мы количественно определяли появление микропустот; это обсуждается ниже.
Измерения, используемые для количественной оценки пустот, были получены путем обсуждения с другими исследователями феномена микропустот. Первоначально мы использовали количественную градировочную шкалу, которая позволяла аналитикам аппроксимировать уровни микропустот в любом данном анализе (см. для этой работы мы внедрили более строгую и количественную методику отчетности о микропустот. Этот метод по существу сводится к измерению размера и подсчету индивидуальных пустот для каждого анализируемого контакта. Специфика наших методов отчетности кратко изложена ниже:
Микропустоты классифицируются как “тип 1” и “тип 2”, обозначаемые размером пустот. Пустоты “типа 1” имеют диаметр менее 15 микрон. Пустоты “типа 2” имеют размер более 15 мкм (см. рис. 18). Все пустоты, которые наблюдаются на границе раздела меди, считаются микропустотами.
Микропустоты определяются двумя способами: во-первых, распределение наблюдений пустот типа 1 на площадку. Это позволяет идентифицировать один внешний плохой контакт. Второй метод построения микропустот включает в себя построение появления пустот для набора контактов на данной плате. Мы сообщаем результаты, которые нормализуют данные к набору из восьми контактов(1/2 контакта, проанализированных на нашем тестовом образце). Это обеспечивает анализ, который способен идентифицировать отдельные образцы плат с умеренными или высокими микропустотами. Эти графики содержат ссылки на верхние пределы возникновения пустот (пределы представляют собой мнение экспертов по сборке, с которыми мы работали).
Результаты работ, проведенных на двух производствах, представлены на рисунках 19-21 ниже. Анализ pad by pad на нескольких производствах ясно указывает на то, что наш процесс
Sterling ™ Silver последовательно обеспечивает серебряное покрытие с минимальным риском микропустот. Эти данные также указывают на то, что две оцененные химии не проявляют существенной разницы в склонности к микропустотам.
Выводы
- В ходе этой работы были проверены теории, связывающие полости с последующим образованием микропустот. Многочисленные наблюдения, как в лабораторных, так и в производственных условиях, подтвердили, что появление микропустотных образований обязательно связано с образованием полостей под серебрением.
- Процесс предварительной обработки серебра, особенно микротравление, является критическим элементом, участвующим в предотвращении образования микропустот и полостей. Было показано, что обычное пероксидное микротравление может индуцировать образование микропустот с помощью нескольких химий нанесения покрытий. Было продемонстрировано, что персульфатное травление эффективно предотвращает образование микропустот и полостей.
- В дополнение к выше изложенному был определен оптимизированный процесс нанесения покрытия MacDermid, который минимизирует риск образования микропустот. Критические элементы этого процесса включают в себя: соответствующую химию микротравления, сниженную и контролируемую концентрацию серебра и работу при надлежащей температуре нанесения покрытия для обеспечения качества осадка.
- Устойчивое крупносерийное производство качественных печатных плат и сборок с помощью вышеуказанного процесса в течение всего 2006 года дополнительно подтвердило приведенные выше наблюдения и выводы.