Исследование решений пайки печатных плат бессвинцовыми припоями

Введение
Введение бессвинцовых паяльных паст оказывает воздействие на проектирование печатных плат. Прежде всего, защитное покрытие площадок плат не должно содержать свинец. Также, материал плат должен выдерживать более высокие температуры пайки, типичные для этих припоев. [2, с.1]
В 1997 году североамериканская организация NCMS (National Centre for Manufacturing Sciences) проанализировала более 75 разных сплавов, которые можно использовать в роли бессвинцовых припоев. В их числе не было ни одного, которым можно было бы заменить стандартные оловянно-свинцовые припои с температурой плавления 185 °С без изменения технологических особенностей хода пайки.
Основным материалом бессвинцовых припоев служит олово, температура плавления которого равна 232 °С. Но в чистом виде оно не используется для пайки, так как сформированное им соединение имеет зернистую структуру и различается максимальной хрупкостью. Было изучено большое число металлов, которые могли бы являться добавками к олову для снижения температуры плавления.
Целью написания данного реферата является изучение теоретических аспектов пайки печатных плат бессвинцовыми припоями.
Из выше указанной цели можно выделить следующие задачи:
бессвинцовые припои;
общие сведения о покрытии кристаллов и корпусов ППИ и их разновидности.
Бессвинцовые припоиРассмотрим сплавы на базе олова с добавками Ag, Cu, Bi, Zn и других металлов – бессвинцовые пропои. В аспекте прочности можно выделить следующие сплавы Sn-Ag и Sn-Ag-Cu (95–96,6 Sn / 2,5–4,1 Ag / 0,9 Cu). Представленные пропои наиболее популярны в практике. [1, с.47]
У этих сплавов есть свои минусы при пайке частей на печатные платы – значительно большая температура плавки (приблизительно 2200С), которые влияют отрицательно на ППИ и плату.
Уменьшение температуры плавки пропоев можно при помощи добавок Bi, Zn и схожих металлов.
Хороший успех в тестировании показал сплав 95,5 Sn / 4 Ag / 0,5 Cu: большая температура плавки (217 °С) делает его лучшим для пайки изделий, функционирующих при температуре ≤ 175 °С — при некоторых экспериментах он показал идеальную стойкость к переменным температурам, чем припой Sn-Ag.
Для пайки без свинца могут применяться сплавы олова с медью, серебром, висмутом, индием, цинком. Сплав олова с висмутом с небольшим содержанием олова не намного дороже свинцового сплава, но он имеет малую температуру плавки (138 °С).
Рекомендуется сплав для соединения компонентов полупроводниковых приборов с принятием очень высокой стойкости к термической усталости: 81–92 Sn / 3–6 Ag / 0,1–2 Cu.
Хорошие итоги выявлены при применении покрытий из Sn-Bi, Sn-Cu, Sn-Ag, Sn и Sn-Zn. Контактные шарики из сплава Sn-Ag-Cu гарантируют достаточно высокую циклическую прочность рядом с припоями Sn-Pb. При сборке кристаллов значительных размеров большая разница в термических коэффициентах расширения между Si, медной рамкой и пластмассовым заполнителем приводит к образованию больших напряжений и к разрушению пластмассы. Формирование трещин по поверхности контакта между соединением и заливочной массой возникает из-за влажности.
Для усталостных экспериментов соединений деталей, которые представлены в виде прямоугольной пластинки с гребнями отогнутых проволочных выводов по четырем кромкам, создана особая методика. Для испытаний применялись сплавы 96,5 Sn / 3,5 Ag и 91,5 Sn / 3,5 Ag / 5 Bi.
Многие ученые в роли припоев советуют применять трех- и четырех-компонентные сплавы: 55–60 Ag / 25–30 Cu / 20–26 Zn; 44–48 Ag / 32–36 Cu / 18–22 Sn; 15–20 Ag / 28–32 Cu / 51–54 Cd; 40–45 Ag / 12–15 Cu / 29–33 Cd / 9–11 Zn; 63–68 Ag / 12–16 Cu / 11–15 Sn / 6–9 Zn. Но из-за большой температуры плавки эти припои на сборочных операциях ППИ мало используются на практике.
Повышенными механическими характеристиками обладает припой 2–4 Ag / 0,5–2 Zn / 2–3 Bi / Sn — остальное. Для пайки интегральных схем рекомендован припой Sn-Ag: 3–4 Ag / 2–6 Bi / 2–6 Jn / Sn — остальное.
При массовом изготовлении ППИ выбирают припои Sn-Ag-Cu, например, сплаву 95,5 Sn / 3,8 Ag / 0,7 Cu с температурой плавки 217 °С. По своей прочности паяные соединения, созданные этим припоем, не уступают свинцовистому припою 62 Sn / 36 Pb / 2 Ag.
2. Общие сведения о покрытии кристаллов и корпусов ППИ и их разновидности2.1. Общие сведения о покрытии кристаллов и корпусов ППИПри решении проблемы о надежности паяных соединений, вместе с выбором лучших способов и режимов пайки, нужно рассматривать состав и характеристики паяемых покрытий. К этим покрытиям соответствуют следующие рекомендации: [1, с.48]
они должны гарантировать лучшую паяемость с полупроводниковыми кристаллами и свариваемость с внутренними выводами;
сохранять возможность к пайке и сварке при установленном сроке хранения;
гарантировать защиту от коррозии;
не подвергаться иглообразованию при хранении и разрушению при температурах сборки, экспериментов и работы.
гарантировать пониженное переходное электрическое сопротивление;
быть стабильными к тепловому удару при установке устройств на печатные платы пайкой, к химическим реагентам, применяемым в ходе сборки;
гарантировать сцепление компаунда при герметизации устройства опрессовкой полимером.
С 2004 года в США был введен запрет на применение свинца в паяемых покрытиях.
В роли заменителей покрытий Sn-Pb применяются следующие металлы и сплавы: чистое Sn, Sn-Bi, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Zn, Sn-Ni, а также наносимые химическим путем Ag, многослойные Ni-Pd-Au, Ni-P/Au и Ni/Au покрытия. Для печатных плат с повышенной плотностью компонентов характерно применять покрытие Sn — 1% Cu, осаждаемое из электролита будущего состава (г/л): Sn 40 и Cu 0,5 (в виде метансульфоната), метансульфоновая кислота 200, органическая добавка 40 мл/л. Режимы осаждения: Jк — 16–24 А/дм2, Т — 35–42 °С, τ — 1 мин.
Плавящееся покрытие не менее чем из двух слоев металлов, при расплавлении создающих эвтектический припой наносят на паяемую поверхность. Толщина покрытия 1–20 мкм. Разрешается наносить следующие соединения металлов: Au+Ni, Cu+Sn и Au+Cu+Cd в отношении 82,5/17,5; 55/45; 79/17/4.
Исследование паяных поверхностей полупроводниковых кристаллов и оснований корпусов показал, что для пайки бессвинцовыми припоями во-первых, нужно изучить следующие покрытия: цинковое, никелевое, никель-олово, серебряное, оловянное, цинк-олово и олово-висмут.
2.2. Разновидности покрытийЦинковое покрытие
Цинк относится к электроотрицательной группе металлов; его обычный потенциал равен 0,763 В. Реагирует цинк с H2S и сернистыми соединениями, формируя сернистый цинк. В сухом воздухе Zn почти не изменяется. Во влажном воздухе и в воде, содержащей CO2 иO2, он покрывается пленкой, состоящей из ZnCO3, которая защищает металл от будущего разрушения. [1, с.48]
В условиях тропиков цинковое покрытие нестабильно. Достаточно большая скорость коррозии Zn в атмосфере промышленного города.
Солевые пленки на цинке отличаются идеальной растворимостью, легко смываются влагой. Защитные свойства цинкового покрытия характеризуются его толщиной и постоянностью осаждения.
Цинкование выполняют в простых (кислых, сернокислых, хлористых, борфтористо-водородных) и сложных совокупных (цианистых, цинкатных, пирофосфатных, аммиакатных, аминокомплексных с разными органическими аддендами и др.) электролитах. В простых электролитах на катодный процесс при осаждении Zn оказывает воздействие кислотность электролита. Практически используют электролиты цинкования с рН 4–5.
Органические вещества, добавленные в кислые электролиты цинкования в роли добавок, усиливают структуру, внешний вид покрытий и постоянность распределения на катодной поверхности.
Аноды для цинкования в кислых электролитах производят, обычно, из чистого электролитического Zn (99,8–99,9% Zn), который содержит на минимуме 0,03% Pb; 0,02 Cd; 0,002% Cu; 0,007% Fe и 0,001% Sn.
В роли покрытий обратной поверхности кристаллов и оснований оболочек под пайку бессвинцовыми припоями заслуживает внимания осаждение сплава Zn-Sn. Этот сплав усиливает паяемость деталей в большей мере, чем цинковые покрытия, и несколько увеличивает их коррозионную стойкость. Главный состав электролита следующий (г/л): ZnO (20–25), NaOH (100–120), станнат натрия (0,4–0,5). Режимы осаждения: Т — 25–30 °С; Jк — 1–1,5 А/дм2; аноды из цинка с присадкой 0,2–0,3 Sn.
Олово-висмутовое покрытие
Покрытие сплавом олово-висмут определяется идеальным сцеплением к меди и ее сплавам, быстрой паяемостью и сохранением способности к пайке в ходе долгого времени. При электролизе вероятно получение покрытия темно-серого цвета, которое отличается слабой пайкой.
Главной проблемой этого изъяна, так же, как и в покрытии олово-свинец, служит существование добавок меди в электролите. [1, с.48]
Примесь висмута (0,3–3,8%) устраняет переход белого преобразования олова в серую, значительно снижает формирование нитевидных кристаллов на поверхности покрытия. Но получение сплава олово-висмут связано с конкретными проблемами, объединенными с непостоянностью электролита, так как соли висмута, которые входят в состав электролита и подвержены гидролизу. Итогом этого служит разделение электролита, что обязывает частой его смены. Необходимо также выделить, что соли висмута служат дефицитными, а металлический висмут вреден.
Эти покрытия утрачивают паяемость после 12 месяцев хранения и не паяются с использованием канифольных флюсов. Также, составы с висмутом уменьшают прочность в результате температурной усталости.
Оловянное покрытие
Некоторые иностранные фирмы (например, Molex) считают, что идеальной заменой сплаву Pb-Sn служит покрытие контактов печатных плат чистым оловом. Естественно, что олово имеет высокие показатели химической устойчивости и инертности, а также хорошей способностью к пайке. При этом необходимо заметить, что олово имеет минусы: при влиянии пониженной температуры вероятно преобразование β-олова, кристаллизующегося в тетрагональной системе, который имеет плотность 7,29 г/см3, в α-олово, имеет кубическую решетку с плотностью 5,77 г/см3. [1, с.49]
Представленное преобразование характеризуется улучшением объема и переходом контактного металла в порошкообразное состояние, которое называют «оловянной чумой». Также, при хранении деталей и изделий, которые покрыты оловом, способность к пайке значительно уменьшается, что приводит к конкретным сложностям при сборке изделий на поточных линиях. Необходимо также выделить, что даже чистое преобразование олова после двухлетнего хранения на 60% утрачивает прочность спая.
Покрытия из чистого олова характеризуются стремлением к формированию на плоскости нитевидных кристаллов «усов», что локализует их использование для сборки.
С целью исключения минусов, относящихся к оловянным покрытиям, проводят электрохимическое легирование олова другими металлами (никель, висмут, цинк, кобальт, сурьма и др.). Эти сплавы не имеют минусов, которыми обладает чистое олово, а также, имеют конкретные достоинства: сохраняется паяемость, большая защита от коррозии и прочие индивидуальные характеристики.
Олово и его сплавы осаждаются в виде блестящих электролитических покрытий лишь тогда, если в раствор при электролизе внедряют особые поверхностно-активные или коллоидные добавки, называемые блеско-образующими. Органические соединения, которые добавляются в электролиты, увеличивают катодную поляризацию, объединяют потенциалы осаждаемых металлов, усиливают мелко-кристалличность покрытия, его паяемость, повышают блеск и рассеивающую характеристику, увеличивают качество покрытия и надежность функционирования электролита.
Никелевое покрытиеПокрытия корпусов ППИ никелем и его сплавами хорошо применяются в электронном производстве. Главным минусом никелевых покрытий служит слабая теплостойкость, так как они применяются лишь при низкотемпературной установке частей или при пайке в защитной среде. [1, с.49]
Для улучшения теплостойкости никелевые покрытия легируют тугоплавкими металлами Co, W, Mo, Re и B. Опытное использование нашли никелевые покрытия, легированные до 1% B. Легирование никеля бором значительно улучшает температурную стойкость сплава даже при минимальной концентрации бора, а микротвердость и хрупкость покрытия снижается при помощи отжига.
Главной целью никелирования служит защита главного металла от коррозии и усиление поверхностной твердости. Для покрытия оболочек устройств (в вариации пайки кристаллов в защищенной среде) применяется химическое никелирование. Химические никелевые покрытия намного тверже электрохимических. Усиленная твердость покрытий в основном зависит от содержания фосфора в осажденных никелевых сплавах и режимов осаждения.
Химическое никелирование выполняется на медные оболочки из следующего раствора (г/л): никель двухлористый (20), натрий фосфорноватистокислый (25), кислота аминоуксусная (15), натрий уксуснокислый (10).
Время осаждения покрытия толщиной 4 мкм составляет 40–50 мин при температуре раствора 82–85 °С.
Свойства покрытий значительным образом зависят от подготовки медных оболочек к операции никелирования. Были изучены покрытия, которые наносились на медные основания оболочек без полирования и с предварительным электрохимическим полированием поверхности. Исследование микроструктуры никелевых покрытий медных оболочек показал, что на полированной медной основе структура покрытий более мелкозернистая, чем на неполированной.Для улучшения блеска, уменьшения внутренних напряжений в никелевых покрытиях и интенсификации процесса никелирования применяют особый электролит.
Электролит состоит (г/л): сернокислый никель (150–250), сернокислый магний (20–60), сернокислый натрий (5–15), борная кислота (25–35), бензолсульфамид (0,1–0,8), 2,2′-дипиридил (0,005–0,01), триэтил-α-метилнафтилам-монит хлорид (0,002–0,02). Электро-осаждение ведут при 40–55 °С, плотности тока 1–20 А/дм2 и рН 4,0–5,5.
Ученные отмечают, что внедренный в состав электролита бензолсульфамид поддерживает уменьшение внутренних напряжений, направляя их из напряжений растяжения в напряжения сжатия. Также, увеличивается рассеивающая способность электролита. Внедрение в состав электролита бензолсульфамида хорошо отражается на качестве и характеристиках покрытий, которые становятся более плотными, блестящими и не отслаиваются от подложки при деформации. Увеличение содержания бензолсульфамида более 0,8 г/л приводит к повышению внутренних напряжений сжатия, а его уменьшение до 0,1 г/л вызывает хрупкость покрытий.
Сплав никель-олово
Гальванические покрытия паяемых поверхностей кристалла и основания оболочек при сборке должны иметь не только идеальную смачиваемость, но и высокие показатели защиты от коррозии. Этим стандартам в большей степени отвечают сплавы никеля с оловом (Ni-Sn). [1, с.49]
При осаждении сплава Ni-Sn нужно строго осуществлять условия электроосаждения: температуру электролиза, соотношение концентраций частей электролита, плотность тока.
Для осаждения сплава Ni-Sn есть несколько типов электролитов. Самое распространенное использование в производстве получили фторидхлоридные электролиты, как самые устойчивые в функционировании и позволяющие получать покрытия с достаточно хорошими защитно-декоративными свойствами. Широко применяется электролит следующего состава (г/л): хлористый никель (200), хлористое олово (40), фтористый аммоний (60), OC-20 (5). Температура электролита составляет 50 °С, а в роли анода применятся сплав никель-олово (30–50% Ni).
Для нанесения сплавов Ni-Sn советуют применять электролит следующего состава (г/л): хлористый никель (250–300), хлористое олово (40–50), фтористый аммоний (40–80), хлористый аммоний (60–100), 2-, 4-, 6-три-(морфолинометил)-фенол (0,05–0,2).
Особенностью этого электролита служит следующее: внедрение 2-, 4-, 6-три-(морфолинометил)-фенола гарантирует улучшение блеска и защиты от коррозии покрытий.
С целью уменьшения внутренних напряжений и увеличения защитно-декоративных свойств покрытий Ni-Sn в электролит добавляются полиэтиленполиамин и N ацетонитрилморфолина гидрохлорид при следующем соотношении компонентов (г/л): хлористый никель (200–300), хлористое олово (40–50), фтористый аммоний (30–60), фтористый натрий (20–30), полиэтиленполиамид (2–30 мл/л), N-ацетонитрилморфолина гидрохлорид (0,03–0,15).
Изучение микроструктуры и химического состава поверхности покрытий из сплава 35% Ni / 65% Sn, полученных из электролитов с добавкой ОС-20, показали следующие итоги: при температуре 50 °С получаются крупнокристаллические покрытия, в которых массовая доля олова составляет 99,8%. Отжиг покрытий в вакууме, подходящий режимам пайки кристаллов к основаниям корпусов, приводит к повышению массовой доли никеля в поверхностном слое до 8%. Покрытия после отжига получаются более плотными, с включениями неправильной формы.
Объясняется это тем, что при температуре пайки электролитический сплав Ni-Sn переходит в интерметаллические соединения Ni3Sn2 и Ni3Sn4, что обеспечивает обогащению поверхностного слоя никелем. Также, высокое содержание никеля в поверхностном слое этого покрытия, очевидно, обусловлено различной сублимацией компонентов сплава, которая в большей мере подходит к Sn.
Серебряное покрытие
Для образования покрытий с повышенной электропроводностью и устойчивой величиной переходного сопротивления в местах контактов применяется серебрение. Например, в изготовлении силовых полупроводниковых устройств серебро применяется в роли металлизации кристалла под пайку. [1, с.50]
В этом случае выполняется напыление пленки серебра на пластину с кристаллами.
Серебряное покрытие образуется напылением в вакууме с использованием методов магнетронного распыления серебряной мишени или термическим испарением серебра из тигля электронным лучом. Наиболее лучшим служит метод магнетронного распыления, который гарантирует повышенные сцепляющие свойства напыляемой пленки.
Этим методом получают качественные покрытия толщиной до 2 мкм с высокой производительностью, что служит важным фактором в условиях серийного производства.
Для образования металлизации методом магнетронного распыления применяется производственное вакуумное оборудование непрерывного действия. Процесс напыления выполняется при рабочем давлении газа (аргона) 0,5–1,0 Па при мощности магнетрона до 4 кВт.
Для усиления адгезионных свойств напыляемой пленки поверхность пластин подвергается бомбардировке ионами Ar+. Ионная очистка выполняется в том же рабочем объеме (камере), что и ход напыления.
Нанесение серебряного покрытия на корпуса проводят гальваническим способом только на участки под пайку кристаллов и разварку внутренних выводов. Серебряные покрытия, полученные из обычных электролитов, характеризуются малой твердостью и незначительной износостойкостью. Для улучшения этих параметров в электролит для серебрения вводят соли никеля или кобальта, что приводит к повышению твердости покрытия в 1,5, а износостойкости — почти в 3 раза.
Корпуса для силовых полупроводниковых приборов изготавливают в основном из холоднокатаной листовой меди. На поверхности таких листов присутствует наклепанный слой. Авторами данной работы проводились исследования серебряных покрытий, которые наносились на медные корпуса без полирования и с предварительным электрохимическим полированием поверхности. Анализировались серебро гальваническое и серебро с подслоем никеля. Установлено, что серебряные покрытия на полированной медной основе имеют мелкозернистую структуру, характеризуются более низкой микротвердостью. Эти свойства необходимо учитывать при пайке кристаллов и присоединении внутренних выводов к корпусам с серебряным покрытием.
На медные корпуса серебряное покрытие толщиной 5–6 мкм наносят на подслой химического никеля. Для получения блестящих серебряных покрытий в широком диапазоне плотностей тока при высокой скорости осаждения металла разработан технологический процесс, состоящий из следующих операций: проводят электрохимическое обезжиривание на катоде в электролите (г/л): NaОН (10–59), Na2CO3 (20–30), Na3PO4 (30–50), Na2SiO3 (3–5), ОП-10 (2–3) при T — 80–90 °С, Dk — 2–10 А/дм2, U — 5–12 B, τ — 10–15 мин; затем промывают в горячей и холодной проточной воде и проводят процесс химического травления в растворе: HNO3 (1 л), H2SO4 (1 л), NaCl (4–10 г/л) при T — 20–25 °C, τ — 2–3 с; промывают в холодной воде, после чего процесс травления повторяется 2–3 раза.
Химическое декапирование проводят в растворе: HCl (50–100 мл/л), H2O (900–950 мл) при T — 20–25 °С, τ = 0,5 мин, промывают в холодной воде. Электролитическое серебрение проводят в электролите (г/л): Ag2NO3 (10–45), К2Fе(СН)6хЗН2O (50–150), K2CO3 (15–30) при T — 20–25 °С. Параметры импульсного тока: амплитудная плотность 5–8 А/дм2, частота 0,5–40 Гц, скважность 4–20. Параметры ультразвуковой обработки: интенсивность в импульсе 0,1–0,5 Вт/см, частота 15–80 кГц, частота посылок импульсов 0,5–40 Гц, затем идет процесс промывки деталей.
Снижение качества операций пайки кристаллов и присоединения внутренних выводов к серебряному покрытию происходит из-за наличия сульфидной пленки Ag2S на поверхности. Для очистки серебряных покрытий применяют различные методы: механические, химические и электрохимические. Однако данные способы не предотвращают процесса повторного образования Ag2S.
Подготовка к сборочным операциям корпусов ППИ с серебряным покрытием, а также пайка кристаллов и присоединение внутренних выводов к данным покрытиям рассмотрены в отдельных работах.
Заключение
Использование бессвинцовых припоев и покрытий само собой приведет к изменению технологии пайки и, в общем, сборочных процессов. Потребуется корректировка режимов пайки и, таким образом, доработка технологического оборудования. Нужно осуществление обобщенных исследований бессвинцовистых паяных соединений на прочность, тепловое сопротивление, коррозионную стойкость, совместимость с материалами и покрытиями обратной стороны кристаллов и оснований оболочек ППИ.
При решении проблемы о надежности паяных соединений, вместе с подбором лучших методов и режимов пайки, нужно предусмотреть состав и свойства паяемых покрытий. Исследование покрытий паяемых поверхностей кристаллов и оснований корпусов описал, что для пайки бессвинцовыми припоями сперва необходимо выполнить рассмотрение следующих покрытий: цинковое, никелевое, никель-олово, серебряное, оловянное, цинк-олово и олово-висмут.
Список литературыЗенин Виктор, Рягузов Александр, Бойко Владимир, Гальцев Вячеслав, Фоменко Юрий. Припои и покрытия для бессвинцовой пайки изделий микроэлектроники / Технологии в электронной промышленности. – 2005. - № 5. – СС. 46-51
Мельниченко А. Паяльные пасты, печатные платы и процесс пайки в период перехода к бессвинцовым припоям / А. Мельниченко // Поверхностный монтаж. – 2005. - № 7. – 3 с.