Wpływ ENEPIG na kruchość lutów

Wykończenie powierzchni płytki drukowanej ma wiele funkcji, wpływa zarówno na sam projekt jak i przewidywany okres życia układu. Wykończenie na bazie niklu i palladu, Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold (ENEPIG), przynosi różnorodne korzyści i wielokrotnie wykazano jego przydatność, zarówno do lutowania ołowiowego, jak i bezołowiowego. Ponieważ wszystkie warstwy podlegają procesowi HASL (hot air solder leveling), jego zaletą jest międzu innymi bardzo płaska powierzchnia. Testy ENEPIG wielokrotnie wykazały niezawodność tego sposobu wykończenia powierzchni i zaowocowało stworzeniem standardu IPC-4556 

ENEPIG to wielowarstwowe wykończenie powierzchni płytek drukowanych. W celu polepszenia warunków procesu lutowania, na płytkę nanosi się złoto i pallad (Pd), których zadaniem jest ochrona doskonałych właściwości lutowniczych warstwy niklu. W procesie lutowania PCB pokrytych ENEPIG, cały pallad rozpuszcza się w lutowiu i tworzy w połączeniu obszar bogaty w pallad. Spotykane są opinie, iż ta bogata w pallad mikrostruktura ma niestety tendencje do odpryskiwania, co potencjalnie może stać się przyczyną kruchości całego połączenia lutowanego.

Wraz ze zmniejszaniem się rozmiarów komponentów, zmniejsza się też objętość połączeń lutowanych, czego konsekwencją jest między innymi zwiększenie względnej objętości mikrostruktury bogatej w pallad w stosunku do całości wytworzonego połączenia. Tak więc z jednej strony ENEPIG wykazuje dużą wydajność i niezawodność w wielu aplikacjach, jednak niektóre badania wskazują na pewne obawy dotyczące stosowania ENEPIG w przypadku gęsto upakowanych układów i bardzo małych połączeniach lutowniczych [1].

Norma IPC-7095C Projektowanie i wdrażanie procesu montażu BGA ostrzega przed negatywnym wpływem na niezawodność lutu niejednorodnych warstw międzymetalicznych (IMC). IPC-4556 wskazuje na limit zawartości IMC w całej objętości lutu na poziomie 3% dla złota i palladu (inne źródła podają mniejszy limit 2% [2]), ale limity oparte jedynie na wartości procentowej mogą wprowadzać w błąd. Przyczyną tego jest fakt, iż złoto rozprasza się w całym lutowiu równomiernie, jednak pallad ma tendencję do tworzenia odrębnych, wyraźnych warstw intermetalicznych, tworzących się bezpośrednio powyżej warstwy niklu. Wiele osób uważa, że ENEPIG przyczynia się do nadmiernej kruchości połączeń twierdząc, że owe warstwy cynowo-palladowe są kruche i obniżają parametry całego połączenia (niektóre badania jednak nie zgadzają się z taką tezą [3]). 

Trwa dyskusja, jaka ilość palladu jest w stanie negatywnie wpłynąć na kruchość lutu. Cienka warstwa palladu powinna się rozpuścić raczej błyskawicznie w płynnym lutowiu, nie wywierając żadnego szkodliwego wpływu na właściwości mechaniczne połączenia lutowanego. Norma IPC-4556 wskazuje, iż warstwa palladu nie powinna przekraczać 12 μin. Jedne prace wskazują na limit 7.8 μin [4], inne nawet na 20 μin [5].

Autorzy tekstu przeprowadzili eksperyment, mający na celu wytworzenie i zbadanie właściwości mechanicznych drobnych połączeń lutowniczych, gdzie zawartość palladu byłaby względnie duża. Aby uniknąć wpływu masy kulek na końcowy skład połączenia lutowanego, do testowej płytki montowano komponenty w obudowie LGA, pozbawionej kulek. Wykorzystano 24 płytki, część wykończonych ENEPIG pochodzącym od różnych producentów, część wykończonych popularnym HASL. Stosowano dwie pasty ołowiowe, SnPb oraz SnPbAg. Aby ocenić właściwości mechaniczne wytworzonych lutów, po zakończeniu montażu, płytki poddano testowi ścinania. 

Generalnie, podczas próby ścinania płytki wykończone HASL wykazały lepsze właściwości mechaniczne niż płytki wykończone ENEPIG. Średnia siła zastosowana w przypadku HASL to 16 lbs, w przypadku ENEPIG jedynie 11.5 lbs. Jednak autorzy opracowania wskazują na dwa bardzo ważne czynniki zakłócające wyniki testu. Po pierwsze, w przypadku HASL wytworzyły się dodatkowe luty poza planowaną matrycą 4x4, które powstały w wyniki zbyt dużej ilości lutowia zawartego w warstwie HASL (ilustruje to zdjęcie po prawej). Drugim istotnym czynnikiem była zbyt gruba warstwa soldermaski w przypadku płytek ENEPIG, która nie pozwoliła ‘osiąść’ komponentom dostatecznie nisko (zdjęcie poniżej). W efekcie, zamiast regularnego lutu wytworzyło się połączenie w kształcie klepsydry, redukując przekrój poprzeczny o około 15%. Połączone efekty dodatkowych punktów połączeń oraz niższej solder maski niewątpliwie wpłynęły na różnice w stosowanej sile w próbie ścinania.  © Lockheed Martin

Część zmontowanych płytek poddano również testom starzeniowym, przechowując je przez 10 dni w temperaturze 100°C. Siła, niezbędna do usunięcia komponentów nieco wzrosła, jednak autorzy nie dopatrują się znacznych różnic, spowodowanych wygrzewaniem próbek. 

Można również wskazać pewne różnice jeśli chodzi o zastosowanie pasty SnPbAg oraz SnPb. Średnia siła w pierwszym przypadku to 11.8 lbs, w drugim 13.4 lbs, tak więc domieszka srebra nieco osłabia walory mechaniczne połączenia. Jednak, po starzeniu próbek różnica pomiędzy rodzajami lutowia znacznie się zmniejszyła: było to odpowiednio 15.1 oraz 15.7 lbs.  

Zarówno w przypadku podstawowej partii próbek, jak i partii starzonej, wykryto pewne frakcje lutu o kruchej strukturze, jednak były one bardzo nieliczne - stanowiły jedynie 3% przebadanych lutów. Wszystkie wykryto na próbkach wykończonych ENEPIG. 

W podsumowaniu autorzy stwierdzają, iż uwzględniając poprawki konieczne ze względu na utworzenie się dodatkowych połączeń oraz ukształtowanie się specyficznego kształtu lutu, jak również nie uzyskanie odpowiednio wysokiego, zakładanego udziału palladu w lutowiu, wyniki testów potwierdzają, iż wytrzymałość na ścinanie lutu SnPb na płytkach wykończonych ENEPIG są podobne do połączeń lutowanych na płytkach z HASL. W efekcie, opinia w osłabianiu się lutu w przypadku stosowania ENEPIG nie znalazła potwierdzenia w przeprowadzonym teście.  

Odwołania: 

1. Chen, Y.J.; Huang, K.Y.; Chen, H.T.; Kao, C.R., Au and Pd embrittlement in space-confined soldering reactions for 3D IC applications, Advanced Packaging Materials (APM), 2013 IEEE International Symposium, pp. 102 –112.

2. P. T. Vianco, “Lead-Free Surface Finishes: Compatibility with Assembly Processes and Interconnection Reliability” (Edina, MN: Surface Mount Technology Association, SMTA Webinar, January, 2007), pp. 35-36

3. Pun, K.; Islam, M.N.; Tin Wing Ng, ENEG and ENEPIG surface finish for long term solderability,

Electronic Packaging Technology (ICEPT), 2014 15th International Conference, 2014, pp. 1 – 5.

4. Rowland, R. and Prasad, R., Comparing PCB Surface Finishes and their Assembly Process Compatibility, Proceedings of SMTA International, Sep. 27 - Oct. 1, 2015, Rosemont, IL

5. Wolverton, M., Quality, Reliability and Metallurgy of ENEPIG Board Finish and Tin-Lead Solder Joints, Proceedings of SMTA International, 2011, pp. 960 - 965.