Cyna, HASL, ENIG, OSP - rodzaje pokryć pól w płytkach PCB

Wprowadzenie

Wybór odpowiedniego pokrycia powierzchni (ang. surface finish) pól lutowniczych to jedna z decyzji podejmowanych na etapie projektowania lub zamówienia płytki PCB. Ten wybór ma znaczenie dla montowalności (DFA) oraz niezawodności (DFR) połączeń lutowanych.

Główne funkcje jakie pełni pokrycie to ochrona miedzianego pola przed utlenianiem w czasie przechowywania i transportu oraz zapewnienie odpowiedniej lutowności wymaganej do zwilżania lutem podczas procesu lutowania. W tym kontekście należy pamiętać, że dobór pokrycia powinien być świadomą decyzją inżynierską a nie tylko kwestią samego kosztu.

W tym artykule zostały omówione główne rodzaje pokryć pól płytek PCB. Zapraszam do lektury.

HASL - Hot Air Solder Leveling

HASL (Hot Air Solder Leveling) to jedno z najstarszych i historycznie najpopularniejszych pokryć PCB. Proces polega na pokryciu miedzianych pól PCB topnikiem i następnie zanurzeniu płytki w ciekłym lutowiu. W trakcie wynurzenia PCB z lutowia następuje wyrównanie (ang. Leveling) nadmiaru stopu (ang. Solder) za pomocą strumieni gorącego powietrza (ang. Hot Air). Następnie płyta jest myta. Stąd właśnie akronim HASL, czasami określany jako "HAL" lub "halowanie".

Rezultatem procesu HASL jest warstwa cynowo-ołowiowego lub bezołowiowego stopu osadzona bezpośrednio na polach miedzianych. Grubość warstwy HASL jest w zakresie od 1-40µm, typowo 5-20µm.

Zalety:

• Niski koszt.
• Popularny proces, powszechnie dostępny u dostawców.
• Shelf life 12 miesięcy (przy zachowaniu minimalnej wymaganej grubości pokrycia).
• Bardzo dobra lutowność powierzchni.
• Możliwe jest wykonanie bezołowiowe (LF-HASL) oraz coraz rzadziej ołowiowe.

Wady:

• Nierówna powierzchnia utrudniająca montaż SMT fine-pitch.
• Naprężenia termiczne podczas procesu mogą prowadzić do mikropęknięć lub delamiancji w niektórych projektach PCB.
• Jeżeli grubość powłoki HASL będzie za mała, to stopniowo powiększające sie intermetaliki SnCu mogą spowodować zjawisko o nazwie dewetting - wtórny brak zwilżenia

ENIG - Electroless Nickel Immersion Gold

ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) to pokrycie dwuwarstwowe. Na powierzchni znajduje się cienka warstwa złota o grubości minimum 0.04µm [1.6µin] ±4σ od średniej procesu[1,2], typowo 0.075-0.125µm [2.955-4.925µin]. Pod złotem (między złotem a miedzią) znajduje się warstwa niklu o grubości 3µm-6µm [118.1µin - 236.2µin][1,2], która pełni funkcję bariery zapobiegającej dyfuzji złota i miedzi. Technologia zdobyła szerokie uznanie dzięki płaskiej, jednorodnej powierzchni, idealnej w montażu komponentów SMD fine-pitch.

Norma IPC-4552 definiuje wymagania dotyczące grubości warstw Ni i Au, odporności na korozję, niektóre wymagania procesowe oraz kryteria oceny.

Trudnym problemem, który może czasami się pojawić, to tzw. czarny pad (ang. Black Pad). Jest to korozja warstwy niklu (pod złotem), która prowadzi do wadliwych, słabych mechanicznie połączeń lutowanych. Najczęściej to zjawisko zachodzi w procesie osadzania złota i jest powiązane z parametrami procesu u producenta PCB.

Zalety:

• Płaska powierzchnia. Idealna dla montażu elementów fine-pitch, BGA, QFN itd.
• Shelf life 12 miesięcy.
• Bardzo dobra lutowność.

Wady:

• Wyższy koszt.
• Ryzyko wystąpienia zjawiska Black Pad przy problemach procesowych.

OSP - Organic Solderability Preservative

OSP (Organic Solderability Preservative) to organiczna powłoka nanoszona chemicznie na pola miedziane, tworząca cienką warstwę (0.1-0.6µm) chroniącą przed utlenianiem. Materiał ulega rozkładowi w temperaturze lutowania, odsłaniając czystą miedź pod lutowiem.

Technologia OSP jest powszechnie stosowana w masowej produkcji elektroniki konsumenckiej ze względu na niski koszt i płaskość powierzchni. Ograniczeniem jest jednak krótki shelf life (typ. 6-12 miesięcy) oraz wrażliwość na wielokrotne przejście przez piec lutowniczy.

Zalety:

• Płaska powierzchnia. Idealna dla montażu elementów fine-pitch.
• Niska cena.

Wady:

• Ograniczone zastosowanie dla płytek wymagających wielokrotnego lutowania. Każde przejście przez proces termiczny degraduje nielutowane w danym procesie pokrycie OSP.
• Powierzchnia podatna na zarysowania, przetarcia - łatwo wtedy pogasza się lutowność.
• Krótszy shelf life niż HASL lub ENIG. Dużo zależy od producenta OSP. Minimum 6 miesięcy, wiele pokryć bez problemu lutuje się poprawnie po 12 miesiącach.
• Wygrzewanie PCB degraduje lutowność pokrycia.

Cyna chemiczna - Immersion Tin (ImSn)

Cyna chemiczna (ImSn) to bezprądowe osadzanie cyny (>1µm) bezpośrednio na miedź. Wymagania opisuje norma IPC-4554, gdzie wyspecyfikowano minimalną grubość 0.1µm [40µin] przy -4σ od średniej procesu, typowa wartość znajduje się w zakresie 1.15µm - 1.3µm [46µin - 52µin][1,4]. Główną zaletą jest doskonała płaskość oraz pełna zgodność z RoHS.

Podstawowym wyzwaniem jest dyfuzja cyny z miedzią, prowadząca do powstawania intermetalicznych faz, które przy dłuższym przechowywaniu mogą przenikać aż do powierzchni i pogarszać lutowność pól lutowniczych.

Zalety:

• Płaska powierzchnia. Idealna dla montażu elementów fine-pitch.
• Niska cena.

Wady:

• Nie nadaje się do procesów z wielokrotnym lutowaniem w piecu.
• Krótki shelf life, około 6 msc.
• Ryzyko wystąpienia wąsów cynowych (ang. tin whiskers).
• Wygrzewanie PCB degraduje lutowność pokrycia.

Srebro chemiczne - Immersion Silver (ImAg)

Srebro chemiczne (ImAg) jest cienką warstwą naniesioną bezpośrednio na miedź. Grubość mieści się w zakresie od 0.12µm [5µin] do 0.4µm [16µin] przy ±4σ od średniej procesu, a typowo są to wartości od 0.2µm [8µin] do 0.3µm [12µin][1,3]. Srebro zapewnia doskonałą zwilżalność oraz płaskość powierzchni, co czyni je alternatywą dla ENIG.

Wymagania dla tego rodzaju pokrycia są ujęte w IPC-4553 pod kątem grubości powłoki, czystości, porowatości oraz metod kontroli.

Główną słabością ImAg jest podatność na czernienie (ang. tarnishing) w obecności związków siarki w powietrzu/opakowaniu. Czernienie powoduje zmianę koloru srebrnej powierzchni od lekko żółtej aż po całkowicie czarną. Nieprawidłowe składowanie (bez specjalnego opakowania) drastycznie skraca czas użytkowania. Shelf life wynosi 6-12 miesięcy przy zachowaniu warunków pakowania.

Zalety:

• Płaska powierzchnia. Idealna dla montażu elementów fine-pitch.
• Niska cena.
• Niska rezystancja powierzchni.

Wady:

• Czernienie powierzchni (ang. tarnishing).
• Shelf life 6-12 miesięcy, mocno zależy od warunków przechowywania i grubości warstwy srebra.
• Wygrzewanie PCB nieco degraduje lutowność pokrycia.

Pozostałe rodzaje pokryć

Poza opisanymi powyżej dominującymi technologiami, producenci PCB oferują kilka innych pokryć:

• ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold). Pokrycie podobne do ENIG, ale zawierające dodatkową warstwę palladu. Czyli na polu miedzianym nanoszona jest warstwa niklu, następnie cienka warstwa palladu i finalnie złota. ENEPIG sprawdza się zarówno w procesie lutowania, jak i bondingu drutem aluminiowym (Al) lub złotym (Au). W pokryciu ENEPIG nie ma ryzyka wystąpienia efektu o nazwie "czarny pad".
• Hard gold, czyli twarde złoto. Warstwa niklu nakładana elektrolitycznie, a następnie warstwa złota również nakładana elektrolitycznie. Twardość powłoki złota zapewnia domieszka niklu lub kobaltu, co znacząco zwiększa odporność na tarcie i zużycie mechaniczne. Z tego powodu jest ono stosowane jako pokrycie styków złączy krawędziowych (ang. gold fingers).
• Flash gold. Możemy to określić jako "szybkie złocenie". To pokrycie to takie "niekompletne twarde złoto". Technicznie rzecz biorąc, jest to jedynie wstępny etap procesu twardego złocenia elektrolitycznego, a ta cienka warstwa złota powinna służyć jako podłoże pod właściwą powłokę złota. W pokryciu "flash gold" jest to jednak już warstwa finalna. Jeżeli kontrola procesu nie będzie właściwa, warstwa złota może nie pokrywać w pełni podłoża niklowego, co po pewnym czasie może powodować pogorszenie lutowności.
• Soft gold, czyli miękkie złoto. Pole miedziane pokryte niklem (elektrolitycznie) i złotem (elektrolitycznie). Złoto jest miękkie, jeżeli jest relatywnie czyste - bez celowych domieszek niklu, kobaltu itp. To pokrycie jest dobrym rozwiązaniem dla technologii bondingu COB (Chip On Board). Warto się upewnić, czy dostawca nie ma na myśli pokrycia ENIG, w którym nikiel i złoto są nanoszone bezprądowo, a złoto jest czyste, czyli miękkie. Należy dokładnie doprecyzować, jaka jest technologia nałożenia oraz skład powłok, aby nie pomylić tego pokrycia z ENIG.
• Inne. Standard projektowy IPC-2221 wymienia szereg dodatkowych pokryć, np. "N" (nikiel dla złączy krawędziowych), "NB" (nikiel na miedzianych polach do lutowania) itd. Co ciekawe - istnieje też pokrycie DIG (Direct Immersion Gold), gdzie złoto nanoszone jest bezpośrednio na miedziane podłoże.[5]

Standardy pokryć PCB

Dobór i weryfikacja pokrycia powierzchni PCB odbywa się w oparciu o szereg norm branżowych. Poniżej zestawienie kluczowych dokumentów:

• IPC-4552 - Wymagania dla ENIG.
• IPC-4553 - Wymagania dla srebra chemicznego (ImAg).
• IPC-4554 - Wymagania dla cyny chemicznej (ImSn).
• IPC-4555 - Wymagania dla OSP.
• IPC-4556 - Wymagania dla ENEPIG.

Podsumowanie

Nie istnieje jedno uniwersalne pokrycie pól PCB pasujące do każdej aplikacji. Decyzja powinna wynikać z analizy wymagań projektowych, środowiska pracy produktu, wymagań procesu montażu i całkowitego kosztu cyklu życia.

Inżynier projektujący niezawodny wyrób elektroniczny powinien traktować dobór pokrycia tak samo poważnie, jak dobór komponentów czy definicję stackupu laminatu. Błąd na tym etapie może objawić się dopiero w postaci problemów jakościowych w trakcie montażu lub użytkowania.