Что такое иммерсионное золото для печатных плат?
Что такое иммерсионное золото для печатных плат?
1. Что такое химическое нанесение покрытия?
2. Что такое PCB Immersion Gold?
3. Зачем нам PCB Immersion gold?
4. Каковы преимущества использования печатных плат с иммерсионным золотом?
1. Иммерсионная золотая пластина имеет яркий цвет, хороший цвет и хороший внешний вид.
2. Кристаллическую структуру, образованную иммерсионным золотом, легче сваривать, чем другие виды обработки поверхности печатных плат, она может иметь лучшие характеристики и обеспечивать качество.
3. Поскольку на плате с иммерсионным золотом есть только никель и золото, это не повлияет на сигнал, потому что передача сигнала осуществляется на медном слое.
4. Металлические свойства золота относительно стабильны, кристаллическая структура более плотная, и реакция окисления протекает нелегко.
5. Поскольку на контактных площадках погружной золотой платы есть только никель и золото, паяльная маска на схеме и медный слой соединяются более плотно, и нелегко вызвать микрокороткое замыкание.
6. Проект не повлияет на расстояние во время компенсации.
7. Напряжение погружной золотой пластины легче контролировать.
8. Для плат с высоким спросом требования к плоскостности лучше. Как правило, используется иммерсионное золото, а иммерсионное золото обычно не появляется в виде черной подушки после сборки.
5. Когда использовать иммерсионную обработку поверхности золотом при проектировании печатных плат?
При проектировании печатных плат стоимость иммерсионного золота относительно высока, и процесс иммерсионного золота не требуется при нормальных обстоятельствах. Итак, как нам отличить, какая плата PCBA требует иммерсионного золота, а какая плата не требует иммерсионного золота? Его можно проанализировать и оценить по следующим ситуациям.
1. На доске есть золотые пальцы, которые необходимо покрыть золотом, но все области, кроме золотых пальцев, можно погрузить в золото, что является обычным процессом «иммерсионное золото + позолоченные пальцы». Иногда некоторые дизайнеры выбирают метод погружения в золото целиком, чтобы сэкономить деньги или время. Достигните цели, но иммерсионное золото не может достичь толщины золотого покрытия, если золотые пальцы часто вставляются и отслаиваются, соединение будет плохим.
2. Недостаточная ширина линии платы / расстояние между площадками. В этом случае часто бывает трудно произвести с использованием процесса распыления олова, и есть больше коротких замыканий, таких как оловянные мостики. Поэтому для производительности платы использование иммерсионного золота в принципе не произойдет. Происходит.
3. Печатная плата иммерсионным золотом или золотым покрытием. Поскольку на поверхности контактной площадки имеется слой золота, ее паяемость хорошая, а характеристики платы также стабильны. Для других печатных плат не нужно выбирать процесс иммерсионного золота, чтобы сократить расходы. Другое дело, если у вас есть требования к паяемости и электрическим свойствам платы.
4. Недостаток заключается в том, что иммерсионное золото для печатных плат дороже, чем обычное напыление олова, и обычно оно дороже, если толщина золота превышает толщину традиционного завода по производству пластин. Золочение дороже, но работает хорошо. Со сваркой проблем нет.
6. Принцип и процесс иммерсионного золота.
1. Отверстие → Обезжиривание → Промывка → Микротравление → Промывка → Предварительное замачивание → Активация → Промывка → Иммерсионный никель → Промывка → Иммерсионное золото → Промывка → Сушка
2. Завершите отверстие, чтобы деактивировать оставшийся палладий в отверстии без сквозных отверстий, чтобы предотвратить осаждение никеля и золота.
3. Обезжиривание, используемое для удаления легкой смазки и оксидов с медной поверхности, очистки медной поверхности и повышения смачиваемости.
4. Микротравление, кислотный раствор для микротравления персульфата натрия используется для придания шероховатости поверхности меди и увеличения адгезии между медью и химическим слоем никеля. При производстве иммерсионного никелевого золота также используется сернокислый пероксид водорода или кислый раствор персульфата калия для микротравления.
5. Предварительное замачивание, поддержание кислотности резервуара активации и поддержание поверхности меди в свежем состоянии (без оксида), введите в резервуар активации.
6. Активация. В электрохимической последовательности медь находится за никелем, поэтому поверхность меди должна быть активирована, прежде чем можно будет проводить химическое никелирование. Большинство производителей печатных плат активируют его, сначала создавая заменяющий слой палладия на поверхности меди.
7. Никель осаждается на поверхности чистой меди при активации палладия. Когда иммерсионное золото покрывает каталитический кристалл палладия, автокаталитическая реакция будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнута необходимая толщина слоя никеля.
8. Погрузите золото, нанесите тонкое золото на поверхность активного никеля с помощью реакции химического замещения. Когда поверхность печатной платы покрывается слоем никеля и помещается в резервуар для золота, на поверхность никеля воздействует жидкость резервуара, чтобы растворить ионы никеля. Два выброшенных электрона получают ионы цианида золота, а на поверхность никеля наносится слой золота. Можно видеть, что растворение одного атома никеля может привести к осаждению двух атомов золота, и поскольку на слое золота много пор, хотя поверхность покрыта слоем золота, пористая поверхность никеля все еще может растворяться. и осаждение продолжается. Слой золота становится все медленнее и медленнее. Следовательно, толщина тонкого слоя иммерсионного золота, образованного реакцией замещения, обычно может достигать предела за 20-30 минут.
7. Анализ типичных дефектов процесса иммерсионного золота
1. Покрытие утечек
Причина: активность никелевого цилиндра и палладиевого цилиндра относительно недостаточна, что не может соответствовать потенциальной энергии реакции положения подушки, что вызывает остановку химической реакции осаждения никеля на полпути, или металлическое золото никель не осаждается на все.
2. Диффузионное покрытие
Причина 1: Высокая активность никелевого цилиндра приводит к плохой селективности, что не только вызывает химическое осаждение на поверхности меди, но также химическое осаждение в других областях (таких как подложка, сторона зеленого масла и т. Д.), Вызывая осаждение в места, которые не должны храниться. Химическое никелевое золото.
Причина 2: необходимо различать, вызвано ли это внешним загрязнением или остатками (такими как медь, зеленое масло и т. Д.). Если да, удалите плату горизонтальным микротравлением или другими методами.
3. Отклонить золото
Причина: разделение слоя золота и слоя никеля указывает на то, что сила связи между слоем никеля и слоем золота очень низкая, а аномалия поверхности никеля вызывает отторжение золота.
4. Выбросьте никель
Причина: предыдущий процесс обработки никелевого цилиндра некачественный, или поверхностные примеси меди (включая остатки сырого масла) не могут быть удалены, и это повлияет на силу сцепления между слоем никеля и поверхностью меди, что приведет к отторжению никеля.
5. Золото на сквозных отверстиях
Причина: слишком много палладия при прямом гальваническом или химическом осаждении меди, или активность никелевого цилиндра слишком высока.
6. Шероховатая золотая поверхность
Причины: шероховатая медная поверхность, нечистая медная поверхность и дисбаланс никелевого резервуара, вызванный медным покрытием.
7. Угловая плоская обшивка
Причины: локальная циркуляция никелевого цилиндра слишком быстрая, температура никелевого цилиндра локально слишком высока, а концентрация никелевого стабилизатора цилиндра слишком высока.
8. Плохой золотистый цвет
Причины: слишком много стабилизатора для золотого цилиндра, серьезная недостаточная толщина золотого слоя, слишком долгий срок службы золотого цилиндра или неправильная промывка.
Иммерсионное покрытие что это
На российском рынке финишных процессов для производства печатных плат (ПП) широко представлены иностранные продукты, стоимость которых высока. «Санкт-Петербургский Центр «ЭЛМА» поставил перед собой задачу создания продукта, не уступающего по качеству зарубежным аналогам, который при этом должен быть более доступным и экономичным для потребителя.
Настоящая работа посвящена новой отечественной технологии нанесения финишного покрытия «химический никель/иммерсионное золото» – ХимНиЗ 1600 производства OOO «СПбЦ «ЭЛМА», проблеме разработки технологии и испытаниям осажденного финишного покрытия.
Рассмотрим технологический процесс ХимНиЗ 1600 (табл. 1). Операции очистки, микротравления, декапирования традиционны при нанесении химических и гальванических покрытий, направлены на формирование равномерной шероховатости поверхности меди свободной от окислов и загрязнений.
Ключевой характеристикой процесса химического никелирования является длительная стабильность раствора в процессе работы. На производствах ПП часто приходится сталкиваться с проблемой разрушения этого раствора.
Надежность финишного покрытия «химический никель/иммерсионное золото» в значительной степени зависит от свойств химического никеля, используемого в качестве подслоя. Высокая компланарность слоя химического никеля – это одна из важных предпосылок к его высокой коррозионной стойкости в составе финишного покрытия.
При разработке процесса химического никелирования оптимизацию системы проводили варьированием концентрации никеля( II ) и восстановителя, кислотности среды. Для сформировавшегося покрытия проводили оценку таких показателей, как внешний вид, структура поверхности при многократном увеличении, скорость осаждения, содержание фосфора в осажденном покрытии. Осаждение химического никеля проводили на фольгированный диэлектрик при 85 ° С за 20 мин.
Влияние кислотности среды
Анализ микроструктуры поверхности химического никеля, осажденного при рН=5,5, подтверждает высокую планарность поверхности, отсутствие дендритообразных наростов (рис. 2).
В процессе повышения рН от 4,5 до 7,0 скорость осаждения растет и проходит через максимум при рН = 6,5 (табл. 2, рис. 3). Максимальная скорость при этом составляет 23,5 мкм/ч.
Таким образом оптимальная кислотность раствора химникелирования составляет pH = 5,5-6,0, т.к. при этом с удовлетворительной скоростью осаждается покрытие с высокой планарностью. Однако, другим важнейшим параметром, определяющим коррозионную стойкость слоя химического никеля, является состав осаждаемого сплава – содержание в нем фосфора.
Содержание фосфора в осажденном сплаве
Определение оптимальной концентрации восстановителя
Для определения оптимальной концентрации восстановителя была проведена серия опытов с различным содержанием восстановителя: 30, 34, 38, 42, 46 г/л. Подготовка перед покрытием проводилась стандартная, электролит использовался предварительный с режимами работы: температура – 85 ° С; рН – 6,0, время – 20 минут. Для данной серии определяли скорость осаждения и содержание фосфора в покрытии.
В качестве оптимального был выбран режим: 80 ° С, pH = 5,5-6,0, при этом покрытие толщиной 3-5 мкм осаждается за 20 мин (табл. 1). Содержание фосфора в покрытии, по мере увеличения выработки раствора и накопления в нем ортофосфита натрия, возрастает от 8,0 (для свежего раствора) до 9,1 масс.% (в конце его жизненного цикла).
Придерживаться рабочих концентраций соли никеля и восстановителя необходимо как для достижения приемлемого уровня скорости осаждения покрытия, так и для воспроизводимости состава покрытия – сохранения содержания фосфора на одном уровне. При своевременном корректировании, непрерывной фильтрации раствор позволяет работать до глубины выработки 1,1 м 2 металлизируемой поверхности меди на 1 л (внесение 30 г никеля( II ) / л рабочего раствора в процессе корректирования).
Длительность стабильной работы раствора химникелирования также зависит от скорости накопления в растворе ортофосфит-иона. Ограничение по его накоплению составляет 100 г/л, в дальнейшем стабильность раствора падает – наблюдается осаждение металла на защитную паяльную маску ПП, повышенный расход стабилизатора.
Основные задачи, которые успешно решает процесс иммерсионного золочения ХимНиЗ 1600:
Для этих целей была выбрана низкая рабочая концентрация золота – 0,5 г/л. Помимо вопроса снижения затрат на драгоценный металл, это решает вопрос снижения агрессивности раствора золочения по отношению подслою химического никеля [ [v] ].
Раствор золочения не содержит восстановители, поэтому восстановление золота протекает только на металлизируемой поверхности. Этим объясняется его высокая стабильность. По этой же причине в процессе работы раствора золочения не происходит накапливания крайне опасных цианидов.
Операцию иммерсионного золочения в процессе ХимНиЗ 1600 проводят при pH = 4,8, при этом покрытие толщиной 0,050-0,075 мкм осаждается за 20-25 мин (табл. 1). Слой золота однородный, повторяет морфологию более толстого подслоя химического никеля (рис.6.).
Рис. 6. Морфология покрытия золотом
Исследование и испытания покрытия «химический никель/иммерсионное золото» ХимНиЗ 1600
Осажденное покрытие «химический никель/иммерсионное золото» было исследовано с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Покрытие наносили на фольгированный стелотекстолит после гальванического меднения (
30 мкм). Скол покрытия получали изгибом на 90 ° образца, охлажденного в жидком азоте.
Высокая планарность покрытия «химический никель/иммерсионное золото» ХимНиЗ 1600 хорошо прослеживается даже на увеличении 5000-10000 ´ (рис. 7).
 |  |
| 5000Х | 10000Х |
Рис. 7. Поверхность покрытия «химический никель/иммерсионное золото» ХимНиЗ 1600
При подготовке образца скола покрытия происходило его растрескивание. Характер скола покрытия не обладает выраженной ориентацией, что наглядно демонстрирует отсутствие трещин в финишном покрытии (рис. 8.).
Рис. 8 Скол покрытия «химический никель/иммерсионное золото» ХимНиЗ 1600
Адгезия
Для испытаний на адгезию использовали методику, разработанную на основе метода решетчатых надрезов по стандарту ГОСТ 31149 и контроля адгезии металлического покрытия (метод липкой ленты) по ГОСТ Р 55744-2013.
Нож-адгезиметр устанавливают на покрытие и с достаточно сильным нажимом проводят на расстояние
Рис. 9. Образец покрытия ХимНиЗ 1600 после испытания на адгезию (слева), фрагмент покрытия после испытания при увеличении 50 ´ (справа).
Проверка паяемости по ГОСТ 23752.1-92 (МЭК 326-2-90) «Платы печатные. Методы испытаний» (с Поправкой) Испытание 14 А «Паяемость» проводилась с использованием флюса ФКСП (40% канифоли, 60% этилового спирта), припоя ПОС 61 при температуре воздействия припоя 235-240 ° С.
Тест проводился для образца с покрытием ХимНиЗ 1600. На фрагмент ПП со сквозными металлизированными отверстиями флюс наносил методом погружения, дав стечь излишкам в течение 2-3 мин. На испытуемый образец воздействовал расплавленным припоем методом погружения. Время контакта припоя составляло 5 с (толщина образца более 2,0 мм). После испытания отмывку образца ПП от остатков флюса проводил в изопропиловом спирте. Качество пайки оценивали визуально, а также, анализируя микрошлиф паянного отверстия (рис. 10). По результатам теста паяемость соответствует требованиям ГОСТ 23752.1-92 «Платы печатные. Методы испытаний»
Результаты коррозионных испытаний
 |  |
| Рис. 11. 1 сут в атмосфере сухого сернистого водорода. Покрытие испытание прошло успешно. | Рис.12. 1 сут в атмосфере сернистого ангидрида, затем 1 сут в атмосфере сернистого водорода. На металлизированных площадках присутствуют небольшие участки потемнения, основная площадь поверхности не ухудшилась. |
Рис. 13. Паяемость образцов после испытания 1 сут в атмосфере сернистого ангидрида, затем 1 сут в атмосфере сернистого водорода. Проверку паяемости проводили с использованием флюса Л-5 по методике, представленной выше.
Заключение
Представленные в статье исследования показывают, что финишное покрытие химический никель/иммерсионное золото, выполненное по отечественной технологии ХимНиЗ 1600, полностью соответствует требованиям нормативно-технической документации и имеет отличные результаты по адгезии покрытия, паяемости, коррозионной стойкости и т.д.
Основными преимуществами процесса ХимНиЗ 1600 являются:
Таким образом, на российском рынке технологий для производства ПП появился новый продукт – процесс нанесения финишного покрытия химический никель/иммерсионное золото ХимНиЗ 1600, отвечающий всем требованиям нормативно-технической документации для печатных плат и пригодный для широкого массового внедрения на предприятиях отрасли.
Иммерсионные покрытия
Название процесса — «иммерсионный» — произошло от английского слова immertion, что означает «погружение». Действительно, для этого процесса достаточно погрузить деталь в раствор из менее электроотрицательного металла, чтобы начать процесс иммерсионного осаждения. После образования плотной пленки процесс останавливается, поскольку прекращается контактный обмен. Поэтому иммерсионные процессы образуют принципиально тонкие покрытия — порядка десятых долей микрона. Но и при такой толщине в осаждаемой пленке не может быть непрокрытий, поскольку на них продолжится контактный процесс восстановления до того, как поверхность основы не закроется.
Контактное восстановление металлов из растворов происходит на подложку более электроотрицательную относительно металла в растворе (табл. 1). Однако прочность восстановленного из раствора покрытия не всегда соответствует обычным требованиям. Например, восстановленная на железе медь всегда рыхлая, и потому процесс контактного восстановления не останавливается. Но и это явление используют с пользой — для извлечения меди из травильных растворов на железных стружках.
Таблица 1. Электрохимические потенциалы металлов
Тем не менее иммерсионные покрытия приемлемы только в тех случаях, когда они образуют плотную пленку, за счет чего процесс осаждения (восстановления) останавливается из-за прекращения обмена ионами.
Иммерсионное золочение
Необходимость использования иммерсионного золочения для пайки обусловлена рядом основательных причин. В первую очередь это альтернатива металлургическим покрытиям под пайку сплавом олово-свинец. Увеличение плотности компоновки печатных узлов за счет использования BGA-компонентов с малым шагом выводов и чип-компонентов в микрокорпусах потребовало плоских монтажных поверхностей. Именно это обусловило применение финишных покрытий, обеспечивающих сочетание хорошей паяемости и плоской поверхности для установки и пайки высокоинтегрированных компонентов [1]. В ряду плоских финишных покрытий иммерсионное золочение — не единственное. Но пока что оно занимает лидирующие позиции по распространенности в электронных изделиях ответственного применения.
Осаждение золота на электроотрицательную основу протекает по различным механизмам: это контактное выделение золота и химическое восстановление ионов золота гидразином. Процесс идет двумя путями на электроотрицательной основе (меди) и на осажденном золоте. Контактное осаждение золота основано на обменной реакции:
Осаждение золота при реагировании гидразина (вернее, его производных) на никельсодержащей основе (и частично на золоте) сопровождается выделением газообразного азота.
Положительное влияние добавки лимонной кислоты на процесс золочения связано с взаимодействием ее при повышенной температуре с гидразином, при этом образуется соответствующий гидразид. Замена лимонной кислоты на неорганические кислоты, обычно применяемые в растворах гальванического золочения, приводит к потере каталитической активности золота. Наиболее эффективно влияние добавки лимонной кислоты ощущается только при определенном соотношении содержания кислоты и гидразин сульфата. При реагировании гидразина (очевидно, в виде гидразида) на золотом покрытии процесс частично идет без сопутствующего выделения газа:
Процесс золочения значительно ускоряется (примерно в полтора раза) при введении в раствор присадки ионов железа (II), а также некоторых других ионов, радиус которых близок к радиусу ионов золота (I). Механизм их влияния объясняется изменением ионной проводимости гидроксидно-цианидной пленки на поверхности золота, формирующейся в ходе процесса. Замена в такой пленке ионов золота (I) на ионы примесных металлов большей валентности увеличивает количество катионных вакансий, по которым диффундируют к реакционной поверхности ионы золота (I). Процесс идет устойчивее, и в то же время такие присадки не включаются в золотое покрытие. Осаждаемое золото имеет чистоту 99,9%.
Процесс иммерсионного золочения заключается в нанесении тонкого слоя золота (0,05-0,1 мкм) на химически осажденный слой никель/фосфора (толщиной примерно 5 мкм). Такая комбинация слоев получается очень ровной. Эта комбинация покрытий получила обозначение ENIG (Electroless Nickel — Immertion Gold). Требования к этому покрытию стандартизованы в IPC [2].
Тонкий слой золота несет единственную функцию — защитить никель от окисления для последующей пайки. При пайке оно быстро растворяется в припое и обнажает свежую поверхность никеля для смачивания припоем.
Иммерсионное золото можно было бы осаждать и прямо на медь контактной площадки, но их взаимная диффузия приводила бы к быстрой потере паяемости из-за превращения тонкого слоя золота в интерметаллоид CuXAuY, который не растворяется в припое. Барьерный подслой никеля толщиной 3-6 мкм предотвращает этот процесс диффузии и потерю паяемости.
Процессы и материалы иммерсионного золочения
Последовательность процесса нанесения иммерсионного золота с подслоем химического никеля [1]:
Кислый очиститель удаляет масла, окислы, отпечатки пальцев с медных поверхностей. Он не оказывает воздействия на паяльную маску, краски, эпоксифенольные подложки. Микротравитель равномерно подтравливает медную поверхность, что дает отличную адгезию с последующим осаждением никеля. Коллоидный палладиевый активатор полностью катализирует медную поверхность, не затрагивая диэлектрики. Использование активатора гарантирует получение плотного никелевого осадка при обработке в последующей ванне химического никелирования. Раствор химического никелирования дает качественное полублестящее покрытие сплавом никель-фосфор с хорошей пластичностью и отличной адгезией к медной поверхности контактной площадки.
Химическое никелирование проводится в растворе слабокислого состава, который позволяет проводить осаждение полуглянцевых, устойчивых к коррозии сплавов никель/фосфора с содержанием 8-10% фосфора.
Иммерсионное золочение обычно проводят в растворе, состав которого и некоторые характеристики приведены в таблице 2.
Таблица 2. Состав раствора иммерсионного осаждения золота
| Золото (в виде дицианоаурата калия) | 4,8, г/л |
| Сернокислый гидразин | 75, г/л |
| Лимонная кислота | 30, г/л |
| Хлористый аммоний | 80, г/л |
| Железо (II) (в виде сульфата) | 1, г/л |
| РН раствора | 5,7-5,9 |
| Температура процесса | (95 ±1) °С |
Из этого раствора на никель можно осаждать тонкие слои золота в 24 карата. Покрытие получается равномерным, мелкозернистым и обладает очень незначительной пористостью. Максимальная толщина осажденного слоя составляет примерно 0,1 мкм. Осажденные слои хорошо паяются и пригодны для использования микросварки. Толщины слоя достаточно для того, чтобы обеспечивать возможность пайки и микросварки в течение длительного времени. Иммерсионное золото паяется только при использовании ограниченного круга флюсов.
В последнее время все чаще появляются нарекания в адрес иммерсионного покрытия золотом контактных площадок печатных плат. Встречающаяся потеря смачиваемости или непрочные паяные соединения становятся общеизвестными пороками иммерсионного золочения. Это явление знакомо всем под названием «черный никель» (black nikel) или «черная контактная площадка» (black pad).
Исследования, показанные в [1], подтвержденные практикой работы ПТК ПП ГРПЗ, показали, что явление «черная контактная площадка» связано с чрезмерной коррозией никеля в процессе иммерсионного осаждения золота. Если кристаллическая структура осажденного никеля имеет большие межкри-сталлитные прослойки, то не вся поверхность никеля участвует в обменных реакциях с раствором золочения, а сами инородные прослойки, не покрытые золотом, являются причиной зарождения очагов коррозии.
Кристаллическая структура никеля с межкристаллитными прослойками образуется при содержании фосфора до 7%. При большем содержании фосфора (от 7 до 12%) структура никелевого слоя приобретает аморфную форму и, значит, не имеет кристаллической структуры и межкристаллитных прослоек. В этом случае реакция замещения никеля золотом происходит равномерно по всей поверхности с хорошей укрывистостью, что предотвращает процессы окисления никеля.
В таблице 3 показано сравнение преимуществ и недостатков покрытия ENIG.
Таблица 3. Преимущества и недостатки покрытия ENIG
| Преимущества ENIG | Недостатки ENIG |
| Плоская монтажная поверхность; мелкий шаг выводов | Дорогой |
| Плоские контактные площадки | Ломкий паяный узел Ni/Sn |
| Широко доступный | Не поддается переработке |
| Отсутствие растворения меди | Воздействие на паяльную маску |
| Отсутствие в покрытии свинца | Черная контактная площадка, черная поверхность никеля на проводниках |
| Прочная металлизация сквозного отверстия | Потеря сигнала при радиочастотах |
| Продолжительный срок службы | Очень сложный процесс |
Иммерсионное оловянирование
Популярность покрытия ImmSn растет за счет хорошей смачиваемости, которую оно обеспечивает, и простоты процесса осаждения. ImmSn демонстрирует лучшую паяемость, чем ENIG. Но существует два ограничения для его
применения: самопроизвольные нитевидные кристаллические образования (whiskers, усы), которые могут приводить к короткому замыканию (КЗ), и образование интерметаллических соединений CuXSnY. Поскольку толщина иммерсионного олова не превышает 1 мкм и CuXSnY быстро поглощает этот тонкий слой, способность к пайке исчезает. В последнее время возможность этого явления устраняют введением барьерного подслоя различного содержания: это подслой из металлоорганики, крупнокристаллические осаждения олова и др.
Перспектива использования ImmSn состоит в низкой стоимости процесса осаждения, хорошей паяемости, плоской поверхности покрытия (в отличие от горячего облуживания) и хороших условиях для обеспечения соединений без пайки типа Press-Fit (впрессовывание штырей — хвостовиков разъемов в металлизированные отверстия плат) [3].
Для иммерсионного оловянирования достаточно просто опустить плату в водный раствор, содержащий хлорное олово. Выделение олова на поверхности медного покрытия происходит при погружении в такой раствор соли олова, в которой потенциал меди более электроотрицателен, чем материал покрытия. Изменению потенциала в нужном направлении способствует введение в раствор соли олова комплексообразующей добавки — тиокарбамида (тиомочевины), цианида щелочного металла. Такого типа растворы показаны в таблице 4.
Таблица 4. Составы растворов иммерсионного оловянирования
| Компоненты раствора | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Двухлористое олово SnCl2•2H2O, г/л | 5,5 | 5-8 | 4 | 20 | 10 |
| Тиокарбамид CS(NH2)2, г/л | 50 | 35-50 | – | – | – |
| Серная кислота H2SO4, г/л | – | 30-40 | – | – | – |
| Цианистый калий KCN, г/л | – | – | 50 | – | – |
| Винная кислота С4Н6О6, г/л | 35 | – | – | – | – |
| Щелочь NaOH, г/л | – | 6 | – | – | – |
| Молочнокислый натрий, г/л | – | – | – | 200 | – |
| Сернокислый алюминий — аммоний (алюмоаммонийные квасцы), г/л | – | – | – | – | 300 |
| Температура, °С | +60…70 | +50…60 | +18…25 | +18…25 | +18…25 |
Среди перечисленных в таблице 4 наиболее распространены первый и второй растворы.
Не нужно забывать, что иммерсионно осажденное олово без барьерного подслоя быстро (за две недели) теряет паяемость из-за полного поглощения его интерметаллидами.
Добавление во второй раствор водного раствора нитрата висмута (2-3 г/л) в количестве 1 мл/л приводит к осаждению сплава, содержащего до 1,5% висмута, что улучшает паяемость покрытия и сохраняет ее в течение нескольких месяцев.
Для консервации поверхности применяют аэрозольные распылители на основе флюсующих композиций (например, спиртовой раствор канифоли). Нанесенный на поверхность платы консервирующий лак после высыхания образует прочную гладкую пленку, которая препятствует окислению по крайней мере полгода. Последующая пайка проходит прямо по обработанной поверхности без удаления лака. В особо ответственных случаях пайки лак можно удалить спиртом (этанолом).
Иммерсионное оловянирование с барьерным подслоем
Последние разработки этого покрытия с барьерным подслоем из органических металлов получили хорошие отзывы о паяемости и длительности сохранения его способности к пайке.
Принципиальные изменения в этом покрытии произошли благодаря успехам химиков, открывших существование особых полимеров — органических соединений, обладающих металлической проводимостью [4]. Введение между медью-основой и иммерсионным оловом барьера из органического металла не мешает обмену электронами для протекания реакции замещения, но предотвращает взаимодиффузию меди и олова (рисунок). Благодаря наличию барьерного подслоя способность к пайке ImmSn (0,50,8 мкм) с барьерным подслоем (0,08-0,1 мкм) сохраняется больше года (на экспериментальных образцах — более восьми лет).
Рисунок. Механизм реакции замещения при наличии барьерного подслоя из органического металла
Примечание. Органический металл — чисто органическое соединение, не содержащее металлических добавок. Оно проводит электрический ток, имеет потенциал «благородного металла» (серебро), обладает каталитическими свойствами, может быть окислено и восстановлено без видоизменений, полностью не растворяется и может использоваться только в виде дисперсии.
Присутствие органического металла оказывает прямое влияние на структуру последующего осадка иммерсионного олова. Создается более совершенная и менее напряженная структура олова, что дает возможность получить более плотную, гладкую поверхность. Это предотвращает также возможность роста самопроизвольных нитевидных кристаллических образований — усов.
Иммерсионное серебрение
Серебро было выбрано в качестве финишного покрытия печатных плат с первых дней их производства в силу некоторых присущих ему преимуществ. Серебро является самым лучшим электрическим проводником и характеризуется самым низким контактным сопротивлением по сравнению с любым металлом. На более ранних этапах было установлено, что осажденное электролитическим способом серебро способно образовывать металлические дендриты между проводниками [5].
Типичный диапазон толщины иммерсионного серебра — от 0,1 до 0,4 мкм. Процесс производства является легким, но покрытие может страдать от потускнения после того, как его оставят оголенным после сборки в условиях эксплуатации. Сильное потускнение может быть предвестником коррозии и потери функциональности.
Состав для иммерсионного серебрения является химически весьма простым, так как этот процесс основан на электрохимическом замещении менее благородной меди двумя атомами более благородного серебра. В таблице 5 приведены этапы процесса осаждения иммерсионного серебра, включая химические вещества и время обработки.
Таблица 5. Процесс осаждения иммерсионного серебра
| Процесс | Химические вещества | Время, мин. |
| Очиститель | Водные растворители, моющие вещества. Подкисление может помочь растворить остатки и удалить окислы меди большой толщины | 1-4 |
| Микротравитель | 1-2 мкм Cu окисляется до Cu ++ и растворяется | 0,5-1 |
| Предварительное окунание | Обычно это элементы серебряной ванны без самого металлического серебра | 0,5 |
| Серебро | Серебро, кислота, добавки, измельчающие серебро, хелатирование Ag + +Cu(0) → Ag(0) + Cu ++ | 0,5-3 |
| Последующее окунание (дополнительное) | Может быть предназначено для противостояния потускнению или как дополнительное очищающее средство для выполнения требований по ионной чистоте | – |
До сих пор специалисты некоторых компаний предосудительно относятся к использованию серебра на печатных платах. Чтобы объективно оценить ситуацию, мы в таблице 6 приводим сравнение преимуществ и недостатков использования иммерсионного серебра в качестве финишного покрытия.
Таблица 6. Сравнение преимуществ и недостатков иммерсионного серебра в качестве финишного покрытия
| Преимущества серебра | Недостатки серебра |
| Плоская поверхность; мелкий шаг выводов | Чувствительность к внешней среде |
| Недорогое финишное покрытие | Микропоры в паяных узлах |
| Простой процесс | Оголенное серебро в процессе хранения и эксплуатации может желтеть и чернеть |
| Широко доступно | Потускнение |
| Паяльный стык Cu/Sn | Серебро склонно к электромиграции и образованию дендритов |
| Отсутствие свинца | Вредное воздействие на паяльную маску |
| Подлежит переработке | |
| Высокая производительность процесса | |
| Легкое управление толщиной | |
| Отличная функциональность поверхностного контакта | |
| Отсутствие ухудшения при многократной пайке оплавлением припоя |
Толщина иммерсионного серебра (ImmAg) не превышает 0,2 мкм, поэтому расходы на реализацию этого покрытия незначительны. Жизнеспособность ImmAg гораздо больше, чем у органических финишных покрытий, но несколько меньше, чем у ENIG. Пожелтение покрытия в процессе хранения, сборки и пайки — результат загрязнения воздушной среды сульфатами и хлоридами. Пожелтение не сказывается на свойствах ImmAg, но его декоративность страдает. Консервирующие покрытия антиокислителями тормозят процесс пожелтения и продлевают жизнеспособность покрытия.
Использование серебрения поверхности медных проводников часто обусловлено скин-эффектом на СВЧ-частотах, когда ток перемещается к внешним поверхностям проводников. Поверхностный эффект (скин-эффект) проявляется наиболее сильно на высоких частотах сигнала в системах навигации, аэронавтики, мобильной телефонии, компьютерных системах, серверах и др. На высоких частотах глубина поверхностного слоя проводимости имеет толщину, соизмеримую с толщиной финишных покрытий печатной платы. Например, на частоте 10 ГГц глубина поверхностного слоя проводимости — менее одного микрона. Поэтому электрическая проводимость материалов финишных покрытий важна при такой высокой частоте. При частоте выше 2 ГГц конструкторы считают, что использование покрытия никелем разрушает целостность сигнала. Серебро, лучший проводник, используется для устройств, работающих при повышенных частотах. Медь — ненамного худший проводник. Однако она имеет склонность к окислению, и ее окислы — окись-закись меди — обладают повышенным сопротивлением, поэтому на высоких частотах они вызывают мощное затухание сигналов.
Заключение
Иммерсионное осаждение как таковое возможно для любых сочетаний пар металлов, отличающихся электрохимическим потенциалом (табл. 1). Однако не все сочетания создают плотные покрытия.
В подавляющем большинстве случаев иммерсионные покрытия используются в качестве покрытий под пайку. С этой точки зрения мы и оценивали их в этой статье.