Wady i zalety różnych rodzajów wykończenia powierzchni PCB (cz.1)

@ MacroFab

Każda osoba stosująca PCB musi uświadomić sobie, iż jeśli miedziane wykończenia PCB pozostaną niezabezpieczone, miedź utleni się i zniszczy, co sprawi, że płytka drukowana nie będzie nadawać się do użytku. Dopiero wykończenie powierzchni tworzy właściwą powierzchnię styku między komponentem a płytką drukowaną. Wykończenie ma dwie podstawowe funkcje: chroni odsłonięte obwody miedziane i zapewnia powierzchnię odpowiednią do lutowania podczas montażu komponentów.

HASL / Bezołowiowy HASL

HASL (Hot Air Solder Leveling) przed długie lata był dominującym wykończeniem powierzchni PCB stosowanym w przemyśle elektronicznym. Jednak stale rosnąca złożoność obwodów i gęstość komponentów sprawiły, że możliwości HASL wyczerpały się. Wraz ze zmniejszaniem się rozstawu wyprowadzeń komponentów, rosło zapotrzebowanie na cieńsze niż HASL wykończenia, co spowodowało pojawienie się już kilka lat temu kilku alternatywnych warstw wykończenia PCB, powstających zarówno w procesach elektrolitycznych, jak i zanurzeniowych.

Sam proces polega na zanurzeniu płytek drukowanych w naczyniu z płynnym stopem cyny i ołowiu, a następnie usunięciu nadmiaru lutu za pomocą noża powietrznego, które rozprowadzają warstwę wykończeniową za pomocą gorącego powietrza. Jak czytamy na blogu firmy EPEC, jedną z niezamierzonych zalet procesu HASL jest wystawianie płytki PCB na działanie temperatur do 265°C, co pozwala zidentyfikować potencjalne problemy z rozwarstwieniem na długo przed przymocowaniem drogich komponentów do płytki.

Zalety:

• Niska cena
• Powszechnie dostępna technologia
• Możliwość przeprowadzenia napraw
• Doskonała trwałość

Wady:

• Nierówna powierzchnia
• Nie nadaje się do precyzyjnych układów
• W swojej zasadniczej wersji zawiera ołów (HASL)
• Powoduje szok termiczny
• Często jest przyczyną powstawania mostków
• Zatyka lub redukuje przekrój PTH

Typowa grubość warstwy ochronnej, uzyskanej przy zastosowaniu HASL to  1-40 mikronów a najczęściej podawana trwałość to 12 miesięcy.

Kluczową wadą, która dotyczy zarówno ołowiowej jak i bezołowiowej wersji tego materiału jest różnica w grubości między dużymi i małymi padami, przez co nie nadaje się do zaawansowanych PCB HDI, gdzie odstępy pomiędzy wyprowadzeniami SMT/BGA są mniejsze niż <20 mili.

Srebro immersyjne

Srebro immersyjne to nieelektrolityczne wykończenie chemiczne, nakładane poprzez zanurzenie wykończonej miedzią płytki drukowanej w zbiorniku z jonami srebra. Jest to dobry wybór do wykończenia płytek drukowanych z ekranowaniem EMI, a także do styków kopułkowych i techniki wire bonding. Średnia grubość powierzchni srebra wynosi 5-18 mikrocali.

Przy współczesnych wymaganiach środowiskowych, takich jak RoHS i WEE, srebro immersyjne jest mniej szkodliwe dla środowiska niż HASL czy ENIG. Tego typu wykończenie jest popularne również ze względu na niższy koszt niż ENIG.

Zalety:

• Tworzy bardziej równomierną powierzchnię niż HASL
• Korzystniejsze niż ENIG i HASL pod względem ekologicznym
• Trwałość równa HASL
• Bardziej opłacalny niż ENIG
• Możliwość dokonywania przeróbek

Wady:

• Krótkie okno produkcyjne: PCB musi zostać polutowane w tym samym dniu, w którym opuszcza magazyn.
• Płytka jest bardzo wrażliwa na kwestie związane z obsługą, bezwzględnie należy używać rękawiczek.
• Wymagane specjalne opakowanie – jeśli zostało  otwarte i nie wszystkie płytki zostaną zużyte, należy je szybko zamknąć.
• Nie zaleca się stosowania masek zdzieralnych
• Podatne na zmatowienie
• Mniej wytrzymały niż ENIG ze względu na brak spodniej warstwy niklu

Srebro immersyjne znane również pod nazwami IM silver, IMag lub ENIAg – wszystkie te określenia odnoszą się do procesu osadzania cienkiej warstwy srebra na miedzianych wykończeniach PCB w wyniku reakcji chemicznej. Proces jest realizowany w oparciu o różnicę potencjałów między srebrem i miedzią, aby miedź i srebro mogły samoczynnie przejść reakcję wypierania.

Immersion Silver to technika przejściowa między OSP i ENIG pod względem wydajności funkcjonalnej: powierzchnia Immersion Silver wykazuje doskonałą lutowalność i wyjątkową wytrzymałość połączenia lutowniczego. Sam proces jest też prostszy i szybszy. Srebro immersyjne to reakcja przemieszczenia, w której warstwa czystego srebra tworzy się na poziomie submikronowym (5 ~ 15 μin, czyli około 0,1 ~ 0,4 μm). Czasami w procesie stosuje się również trochę materii organicznej, która jest dodawana, aby zapobiec korozji srebra i wyeliminować migrację srebra. Na ogół trudno jest zmierzyć tę cienką warstwę materii organicznej, ponieważ analiza pokazuje, że masa ciała organicznego jest mniejsza niż 1%.

Wykończenie Immersion Silver zapewnia dobre właściwości elektryczne i zachowuje doskonałą spawalność do lutowania nawet w przypadku narażenia na ciepło, wilgoć i zanieczyszczenia. Srebro zanurzeniowe nie może jednak konkurować z ENIG pod względem fizycznej siły wiązania. Ważną wadą srebra immersyjnego jest migracja elektronów srebra: pod wpływem wilgoci srebro jest podatne na elektromigrację po przyłożeniu napięcia (jak wspomniano, problem ten rozwiązuje się za pomocą dodatków organicznych).

Wykończenie to dobrze nadaje się do układów zawierających komponenty o drobnym rozstawie wyprowadzeń, takich jak BGA czy QFN. Stosuje się go często w aplikacjach, wymagających szybkiej transmisji sygnału: komunikacji, motoryzacji, komputerów itp.

ENIG

ENIG to dwuwarstwowa powłoka metaliczna o grubości 0,05 do 0,23 µm złota uformowana na wewnętrznej warstwie niklu o grubości 2,5 do 5,0 µm. Nikiel stanowi solidną barierę dla miedzi i jest powierzchnią, do której elementy są faktycznie lutowane. Złoto natomiast chroni nikiel podczas przechowywania, a także zapewnia niską rezystancję styku. Ze względu na powszechne obowiązywanie rozporządzenia RoHs, ENIG jest obecnie prawdopodobnie najczęściej używanym wykończeniem PCB.

Zalety:

• Idealnie płaska powierzchnia
• Nie zawiera ołowiu
• Nie powoduje negatywnego oddziaływania na PTH
• Długi okres przydatności do użycia

Wady:

• Skomplikowany proces, skutkujący wysokim kosztem
• Nie nadaje się do przeróbek
• Ryzyko wystąpienia zjawiska tzw. czarnych padów, znacznie osłabiających połączenie lutownicze

Jeśli proces ENIG nie jest skutecznie kontrolowany, może dojść do niepożądanego zjawiska zwanego ‘czarnym padem’, w którym złoto zaczyna korodować z niklem i tworzy obszar z dużą zawartością fosforu (zjawisko to jest szczególnie częste w przypadku padów BGA). Zjawisko to w znacznym stopniu zmniejsza lutowalność, powodując otwarte luty, które uwidaczniają się dopiero na znacznie późniejszych etapach montażu, a nawet testowania. Jak wspomniano, grubość poszycia ENIG powinna wynosić od 0,05 do 0,23 µm dla warstwy złota immersyjnego i od 2,5 do 5,0 µm dla niklu bezprądowego. Im grubsza jest warstwa złota immersyjnego, tym bardziej prawdopodobne jest powstanie czarnego padu z powodu rosnącego stopnia złożoności procesu.

Czarny pad składa się ze złożonego związku chemicznego, a podstawowym powodem jego formowania się jest to, że powierzchnia niklu jest zastępowana ‘wypłukiwanym’ złotem. Wówczas, powierzchnia niklu jest poddawana nadmiernej reakcji utleniania, a duże atomy złota (144 pm) osadzają się w nieregularnej, tworzącej grube i porowate ziarna warstwie. Innymi słowy, warstwa złota nie pokrywa całkowicie warstwy niklu znajdującej się pod nią, dając warstwie niklu możliwość kontaktu z powietrzem, a ostatecznie tworzy rdzę niklu pod warstwą złota, w efekcie znacznie osłabiając zdolności lutownicze. Odpowiedzią na te problemy jest wykończenie ENEPIG, które przedstawimy w kolejnym artykule.