Czy złoto może być problemem w elektronice?

Wprowadzenie

Złoto to pierwiastek chemiczny kojarzony w przemyśle elektronicznym z wysoką jakością. Powodem jest fakt, iż złoto jest metalem szlachetnym, nie utlenia się, "nie koroduje" - czyli po prostu nie reaguje z większością typowych substancji chemicznych.

Oczywiście istnieją związki chemiczne, które reagują ze złotem, takie jak woda królewska (mieszanina kwasów), cyjanki, rtęć i niektóre halogenki. Są to jednak substancje bardzo rzadko spotykane w typowych warunkach użytkowych.

Złoto jest więc z powodzeniem stosowane jako pokrycie pól na płytkach PCB (tzw. pokrycie ENIG oraz ENEPIG), a także jako pokrycie styków krawędziowych kart oraz wyprowadzeń (pinów) złączy. Złoto zapewnia bardzo dobry kontakt elektryczny oraz chroni materiał bazowy wyprowadzeń złącz przed korozją.

Ze złotem jest jednak pewien problem. Nie chodzi mi o koszt samego surowca, który jak wiadomo bije rekordy na światowych giełdach w latach 2025-2026. Istnieje inny, mało znany, lecz w niektórych aplikacjach dość istotny problem - wpływ złota na kruchość połączeń lutowanych.

Kruchość połączeń lutowanych

W trakcie lutowania wyprowadzeń i pól PCB pokrytych złotem, ten pierwiastek miesza się z ciekłym stopem lutowniczym. Migruje do połączenia lutowanego i tworzy wewnątrz stopu tzw. fazy międzymetaliczne (intermetaliki) złoto-cyna[1]. Niestety, te intermetaliki powodują wzrost kruchości połączenia lutowanego, szczególnie wtedy, gdy w danym obszarze znajduje się znacząca ilość złota lub gdy proces lutowania jest na tyle krótki, że złoto nie miało czasu na dokładne wymieszanie się ze stopem i lokalnie ma większą koncentrację.

Kruchość połączenia może więc wystąpić w przypadku lutowania wyprowadzeń o bardzo grubym pokryciu złotem, typowo powyżej 2.54 µm [100 µin] lub gdy ilość stopu lutowniczego jest bardzo mała w porównaniu do złoconej powierzchni, np. przy lutowaniu drobnych komponentów SMD na polach pokrytych złotem (np. ENIG).

W przemyśle elektronicznym przyjęto, że jeśli zawartość złota w połączeniu lutowanym osiąga około 3%, powstałe w nim intermetaliki złota będą znacząco podnosić kruchość połączenia. Zjawisko to określa się mianem gold embrittlement. Szoki, wibracje oraz zmiany temperatury mogą wówczas powodować pęknięcia połączenia lutowanego.[1,2]

Co robić, jak żyć..

Ogólnie problem ten występuje bardzo rzadko, ponieważ większość komponentów zawiera zazwyczaj znikomą ilość złota. Jednak w aplikacjach o wysokiej niezawodności może się okazać, że stosowane są komponenty o grubszym pokryciu złotem. Zapewnienie wysokiej jakości, szczególnie w 2 i 3 klasie IPC jest oparte o minimalizację ilości złota w połączeniu lutowanym. Jak to jest zapewniane?

Standard J-STD-001 wymaga, aby w przypadku stwierdzenia problemu kruchości połączeń wprowadzić procedurę usuwania złota (ang. Gold Removal). Takie działanie należy zastosować dla:[3]

• Przynajmniej 95% powierzchni lutowanej wyprowadzeń THT, jeśli grubość pokrycia złotem jest większa niż 2.54 µm [100 µin].
• Przynajmniej 95% powierzchni lutowanej wyprowadzeń SMT (niezależnie od grubości złota).
• Lutowane powierzchnie zakończeń (terminali), jeśli grubość złota jest większa niż 2.54 µm [100 µin].
• Lutowane powierzchnie zakończeń kubełkowych (ang. Cup Terminals), niezależnie od grubości złota.

Usuwanie złota polega na pobieleniu złoconego obszaru, a następnie usunięciu stopu, który zmieszał się ze złotem.

Standard J-STD-001 zwalnia z konieczności usuwania złota, jeśli posiadamy obiektywne dowody potwierdzające brak tego ryzyka w stosowanych komponentach. Domyślnie z wymogu usuwania złota są również zwolnione pokrycia płytek PCB takie jak: ENIG, NiPdAu oraz ENEPIG.[3]

Warto także pamiętać, że konieczność usuwania złota z lutowanej części wyprowadzeń złącz porusza także standard związany z produkcją wiązek przewodów, czyli IPC/WHMA-A-620.

Podsumowanie

Złoto jest szeroko stosowanym pierwiastkiem w elektronice ze względu na odporność na utlenianie i korozję. Jeżeli jednak zawartość złota w połączeniu lutowanym wzroście do poziomu 3-4%, to negatywnie wpływa to na niezawodność, zwiększając kruchość połączenia. To zjawisko określamy jako "gold embrittlement".

Zgodnie ze standardami J-STD-001 oraz IPC/WHMA-A-620 nadmiar złota powinien być usunięty z wyprowadzeń przed ich właściwym lutowaniem. Warto o tym pamiętać, szczególnie w aplikacjach wymagających, tam gdzie wysoka niezawodność w trudnych warunkach pracy jest krytyczna.