Zastosowania technologii RHSD (Cz.1.)

Aby zapewnić solidne połączenia lutowane, wiele aplikacji o znaczeniu krytycznym, w tym produkty wojskowe, bezpieczeństwa, lotnicze i kosmiczne, medyczne, infrastruktura telekomunikacyjna czy motoryzacja wymaga rygorystycznych procesów. Procesy mogą obejmować zrobotyzowaną obróbkę zanurzeniową na gorąco (robotic hot solder dip), aby zminimalizować niekorzystne skutki kruchości złota, tworzenia się wąsów cynowych lub konwersję komponentów bezołowiowych na ołowiowe.

Kruche złoto

Ponieważ złoto łatwo rozpuszcza się podczas procesu lutowania, może ono pozostać w złączu lutowanym, osłabiając jego integralność. Jeśli podczas tworzenia fazy ciekłej stopu lutowniczego rozpuszczanie złota będzie zachodziło w dużej skali, skład i właściwości mechaniczne powstałego złącza lutowniczego mogą potencjalnie ulec zmianie. Kruchość spowodowano domieszką złota w złączach lutowanych cyna-ołów (SnPb) jest dobrze rozpoznaną przyczyną awarii. Powszechnie stosowane bezołowiowe stopy lutownicze, w tym miedź-cyna-srebro (SAC305) i miedź-cyna-nikiel (SN100C), ze względu na większą zawartość cyny, lepiej zachowują swoje właściwości mechaniczne w połączeniu ze złotem. Jednak, wraz ze zwiększoną zawartością złota, bezołowiowe złącza lutowane również ulegną degradacji, negatywnie wpływając na niezawodność układu.

Ryzyko kruchości zależy od kilku czynników, w tym ilości złota, które może zostać wypłukane z platerowanych powierzchni, objętości powstałego połączenia lutowniczego oraz tego, w jakim procesie lut został wytworzony (lutowanie na fali, selektywne, rozpływowe). W większości przypadków źródłem rozpuszczanego złota są pozłacane wyprowadzenia komponentów, rzadziej jest to wykończenie płytki drukowanej (może mieć to miejsce w przypadku wykończenia ENIG lub ENIPIG). Tego typu wykończenia płyt są jednak zwykle zbyt cienkie, aby być krytycznym źródłem rozpuszczanego złota, ponieważ ich średnia grubość jest poniżej progu uznawanego za minimalny.

Usuwanie złota

Usuwanie warstwy złota z wyprowadzeń komponentów jest zwykle przeprowadzane w procesie cynowania wstępnego, podczas którego usuwa się złoto, rozpuszczając je w roztopionym lutowiu w procesie określanym jako re-tinning (dosł. ponownego cynowania komponentów). Do usuwania złota przed przylutowaniem komponentów do płytki należy zastosować proces podwójnego cynowania lub dynamiczną falę lutowniczą. Niewłaściwe usuwanie złota z wyprowadzeń komponentów przed montażem może potencjalnie skutkować pęknięciami lutowia lub innymi defektami. Począwszy od wdrożonych w 2014 roku wymagań IPC J-STD-001 Rev F, aż do obecnej wersji Rev H, stwierdza się, że złoto należy usunąć ze wszystkich produktów klasy 2 i 3 w następujących warunkach:

1) 95% powierzchni wyprowadzeń komponentów z otworami przelotowymi o grubości złota 2,54 µm lub większej,

2) 95% wyprowadzeń komponentów do montażu powierzchniowego niezależnie od grubości złota oraz

3) z powierzchni terminali lutowniczych pokrytych złotem o grubości 2,54 µm lub większej.

Zgodnie z tymi wytycznymi usuwanie złota jest zatem wymagane w przypadku wszystkich produktów elektronicznych klasy 2 i 3, a tym samym nie ogranicza się już wyłącznie do zastosowań lotniczych i wojskowych. Metodą ułatwiającą usuwanie złoceń z elementów SMT i elementów przewlekanych jest zastosowanie zrobotyzowanego procesu zanurzania na gorąco (robotic hot solder dipping, RHSD). Zaleca się, aby operację ponownego cynowania przeprowadzić przy użyciu maszyny do cynowania ołowiu, wykorzystującej kontrolowane nakładanie topnika, podgrzewanie wstępne, pojedyncze lub podwójne tygle lutownicze, atmosferę obojętną (azot), a także dokładną kontrolę procesu. Zamiast ręcznego zanurzania komponentów w tyglu lutowniczym, zaleca się dobrze zdefiniowany i kontrolowany proces, pomagający zmniejszyć zanieczyszczenie lutowia, zminimalizować problemy związane z brakiem zwilżalności i poprawić lutowność.

Rysunek 1. Komponent ceramic pin grid array o wysokiej masie termicznej (po lewej) i ponownie cynowane styki po usunięciu złota (po prawej). Żródło: The Critical Role of Robotic Hot Solder Dip Processing of Components for High-Reliability and Mission-Critical Applications, autor: Reid Henry, Hentec Industries/RPS Automation

Robotyczne maszyny do lutowania zanurzeniowego na gorąco (RHSD) mogą wykorzystywać statyczne lub dynamiczne, pojedyncze lub podwójne tygle lutownicze. Pierwszy tygiel służy do usuwania złoceń, tlenków i innych pozostałości, natomiast drugi do precyzyjnej kontroli głębokości lutowania. Azotowa atmosfera obojętna poprawia wygląd powstałego lutu, jednocześnie łagodząc powstawanie sopli, mostków i redukując gromadzenie się żużlu. Zanurzenie wyprowadzeń komponentu w topniku i lutowiu powinno być kontrolowane, umożliwiając kontrolę głębokości zanurzenia. W drugim tyglu lutowniczym celem kontroli grubości lutowia do ponownego cynowania steruje się prędkością wyciągania komponentu. Tygle lutownicze należy regularnie sprawdzać pod kątem obecności złota, miedzi, niklu i innych zanieczyszczeń.

Wąsy cynowe (tin whisker)

Zjawisko wąsów cynowych występuje w układach, w których wykorzystuje się stopy lutownicze zawierające pierwiastki o niskiej temperaturze topnienia, takie jak cyna (Sn), kadm (Cd) czy ind (In), jednak zjawisko to najczęściej występuje w przypadku cyny. Historycznie rzecz biorąc, problemu wąsów cynowych unikano poprzez dodanie do stopu lutowniczego ołowiu (Pb), a także płytek drukowanych z wykończeniem HASL. Ponieważ jednak ołów uznano za substancję niebezpieczną i zakazano jego stosowania, proces ołowiowy jest obecnie stosowany tylko w wyjątkowych przypadkach. Wąsy cynowe stanowią bezpośrednie zagrożenie dla niezawodności układów, ponieważ przewodzą prąd i mogą prowadzić do zwarć.

Wąsy mogą wyrastać z powierzchni miedzianych przewodów, padów lub miedzianych podłoży, wykończonych stopami lutowniczymi o niskiej temperaturze topnienia, zawierającymi cynę (Sn), kadm (Cd), ind (In), cynk (Zn) lub antymon (Sb). Badania wykazały, że w pewnych warunkach wąsy wyrosną nawet z powierzchni cyny i ołowiu (SnPb), jednak ze względu na obecność ołowiu, ich długość będzie zazwyczaj krótsza.

Rysunek 2. Wzrost wąsów cynowych na platerowanych przewodach (po lewej) i zwarcie elektryczne spowodowane ich obecnością (po prawej). Żródło: The Critical Role of Robotic Hot Solder Dip Processing of Components for High-Reliability and Mission-Critical Applications, autor: Reid Henry, Hentec Industries/RPS Automation

Wzrost wąsów cynowych może występować w standardowych temperaturach otoczenia. Stwierdzono, że wąsy cynowe osiągają długość 0,025” (0,635 mm) na cynowanych wyprowadzeniach komponentów, przechowywanych przez około 4 miesiące w warunkach otoczenia. Często zadawanym pytaniem jest, czy zabezpieczająca powłoka konforemna zapobiega również wzrostowi wąsów cynowych. Nie jest znana żadna powłoka konforemna, która zapobiegłaby przyrostowi wąsów cynowych z powierzchni pokrytych cyną. Z drugiej jednak strony, prawidłowo nałożona powłoka konforemna pozwala uniknąć zwarć elektrycznych, spowodowanych cynowymi wąsami. Ustalono, że powłoki parylenowe C i warstwy silikonowe są najskuteczniejsze w hamowaniu wzrostu wąsów cynowych, podczas gdy powłoki akrylowe są zazwyczaj najmniej skuteczne. Różnica polega na ich twardości: twardsze powłoki mają tendencję do skuteczniejszego zatrzymywania propagacji wąsów cynowych, ze względu na większą siłę potrzebną do ich przeniknięcia.

Istnieją pewne warunki, które sprzyjają wzrostowi wąsów cynowych, w tym między innymi cienkie wykończenia cynowane, naprężenia szczątkowe, powstające podczas procesu cynowania lub niewystarczające tworzenie się warstw międzymetalicznych podczas galwanizacji. We wszystkich cynowanych stopach miedzi na styku cyny i metalu nieszlachetnego tworzą się związki międzymetaliczne miedź-cyna, Cu6Sn5 lub Cu3Sn. Cienkie warstwy cynowane są bardziej podatne na powstawanie wąsów, ponieważ powodują większe naprężenia ściskające w porównaniu do grubszych warstw.

Zapobieganie powstawaniu wąsów cynowych

Na podstawie badań iNEMI, w celu zmniejszenia ryzyka powstania wąsów cynowych na powierzchniach miedzianych, zaleca się stosowanie płytek drukowanych z wykończeniem płytek ze złota niklowo-palladowego (NiPdAu), niklowo-palladowego (NiPd), bezprądowego złota zanurzeniowego w niklu (ENIG) lub złota niklowego (NiAu). Alternatywnie można zastosować wykończenie cyną matową, pod warunkiem jednak, że powłoka ma minimalną grubość 6 µm (mikronów). Bardziej niezawodną metodą zapobiegania powstawaniu wąsów cynowych jest zautomatyzowana obróbka zanurzeniowa komponentów na gorąco przed montażem płytki drukowanej, która usuwa 100% czystej powłoki cynowej z wyprowadzeń i zastępuje ją związkami cyny i ołowiu, zapobiegając w ten sposób tworzeniu się wąsów cynowych. Zrobotyzowaną obróbkę zanurzeniową na gorąco można wykonywać na wszystkich komponentach do montażu przewlekanego i powierzchniowego, w tym na komponentach axial/radial, SIP, DIP, SOIC, SOT, QFP, a także na konektorach przewlekanych i SMT.

Zródło: The Critical Role of Robotic Hot Solder Dip Processing of Components for High-Reliability and Mission-Critical Applications, autor: Reid Henry, Hentec Industries/RPS Automation

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!