Zanieczyszczenie złotem powoduje kruchość lutów

Złoto nie utlenia się i jednocześnie zapewnia warstwę ochronną o wysokiej lutowalności, którą łatwo połączyć ze złotymi lub aluminiowymi drutami stosowanymi w kluczowym dla przemysłu półprzewodnikowego procesie bondingu. W efekcie, zalety złota są bezpośrednią przyczyną dużej popularności wykończenia złotem (immersion gold) miedzianych powierzchni bazowych. Ponieważ jednak złoto jest rozpuszczalne w lutowiu w stosunkowo niskiej temperaturze, łatwo wnika ono do struktury złącza lutowniczego, tworząc kruchą warstwę międzymetaliczną, a w konsekwencji osłabiając jego integralność. Jeśli poziom złota podczas tworzenia się fazy ciekłej stopu lutowniczego przekracza pewne dopuszczalne wartości, skład i właściwości mechaniczne powstałego złącza lutowniczego mogą się niekorzystanie zmieniać.

Kruchość warstwy intermetalicznej złota w połączeniach lutowanych cynowo-ołowiowych to dobrze rozpoznany mechanizm powstawania defektów. Powszechnie obecnie stosowane bezołowiowe stopy lutownicze, w tym cyna-srebro-miedź (SAC305) i cyna-nikiel-miedź (SN100C), wydają się lepiej zachowywać swoje właściwości mechaniczne w warunkach zanieczyszczenia złotem (dzieje się tak ze względu na większą zawartość cyny), jednak również i ich właściwości ulegają degradacji wraz ze wzrostem zawartości złota.

Kruchość warstw intermetalicznych złota może stanowić istotny problem z niezawodnością, a ryzyko z tym związane zależy od kilku zmiennych, w tym ilości złota, które jest wypłukiwane z platerowanych powierzchni, objętości powstałego złącza lutowniczego, lecz także od procesu w jakim połączenia zostało utworzone (fala, selektyw czy reflow).

W większości przypadków źródłem nadmiernego rozpuszczania się złota są pozłacane wyprowadzenia elementów, a nie złoto pochodzące z wykończenia płytki drukowanej, takiego jak ENIG lub ENIPIG. Powszechnie uważa się, że tego typu wykończenia płytek są zwykle zbyt cienkie, aby realnie przyczynić się do powstawania kruchej warstwy intermetalicznej złota. Ich średnia grubość to około 0,10 µm, podczas gdy za próg ‘istotności’ uważana jest grubość 0,25 µm.

Obraz przedstawia eutektyczną mikrostrukturę cynowo-ołowiową z zawartością kruchego złota. Jasne obszary to Pb, ciemniejsze obszary to faza Sn, a pośrednie obszary to warstwy intermetaliczne Au-Sn IMC (głównie AuSn4 i AuSn2). Źródło: 'Gold Embrittlement of Solder Joints', Ed Hare, Ph.D

Usuwanie złota

Począwszy od rewizji F z 2014, aż do aktualnego wydania H normy IPC J-STD-001, stwierdza się, że złoto powinno zostać usunięte z:

- co najmniej 95% lutowanych powierzchni z wyprowadzeń elementów przewlekanych (w tym złącz), pokrytych warstwą złota o grubości 2,54 µm lub większej,

- z 95% wszystkich powierzchni lutowanych komponentów powierzchniowych, niezależnie od grubości złota.

Mając na uwadze powyższe wytyczne, usuwanie złota jest zatem wymagane dla wszystkich produktów elektronicznych klasy 2 i 3 o wysokiej niezawodności, a zatem dotyczy prawie wszystkich układów.

Usunięcie złota z wyprowadzeń komponentów następuje w procesie, w którym złoto zostaje rozpuszczone w stopionym lutowiu podczas procesu cynowania. Często jest to proces ‘podwójnego’ cynowania, w którym wykorzystuje się dwa tygle: w jednym usuwa się złoto (a przy okazji również inne, ewentualne zanieczyszczenia powierzchni), drugi służy do jego ponownego naniesienia na odsłoniętą powierzchnię wyprowadzenia komponentu.

Obecnie powszechnie zaleca się stosowanie zrobotyzowanego procesu zanurzania na gorąco. Operacja cynowania powinna być przeprowadzona przy użyciu cynownicy z kontrolą aplikacji topnika, podgrzewaniem wstępnym i podwójnymi tyglami do lutowania, najlepiej w obojętnej atmosferze azotu.

Atmosfera obojętna pomaga w zachowaniu estetycznego wyglądu powstałego połączenia lutowniczego, jednocześnie minimalizując nawarstwianie się sopli i żużlu. Zanurzenie wyprowadzenia komponentu topniku i lutowiu powinno być kontrolowane, aby umożliwić aplikację topnika i lutowia na ściśle zadaną głębokość. Ponadto, należy zwrócić uwagę na prędkość wyciągania wyprowadzenia komponentu z drugiego tygle lutowniczego, co pomaga kontrolować grubość lutowia nałożonego w procesie ponownego cynowania. Oba tygle lutownicze powinny być regularnie testowane pod kątem zawartości miedzi, niklu i innych zanieczyszczeń.