Dove ENEPIG è l'unica scelta sensata per Assemblaggi Misti di Bond e Solder

I design che combinano il bonding con filo d’oro con la tecnologia a montaggio superficiale occupano una posizione scomoda nella fabbricazione di PCB. Il bonding con filo richiede una superficie nobile pura e morbida per connessioni affidabili tramite termo-sonico o ultrasonico. La saldatura richiede una superficie che favorisca l’adesione e la formazione di composti intermetallici con leghe a base di stagno. Questi requisiti non sono complementari. In molti sistemi di materiale, sono fondamentalmente opposti.

Per anni, gli ingegneri hanno affrontato questa sfida con compromessi: oro spesso sopra nickel per alcuni pad, finiture diverse per aree differenti, o semplicemente accettando prestazioni degradata in un processo per abilitare l’altro. Ogni soluzione temporanea introduceva complessità, costi o rischi di affidabilità. ENEPIG, o Nichel Privo di Piombo, Palladio Privo di Piombo e Oro a Immersione, elimina il compromesso soddisfacendo entrambi i processi con una singola finitura di superficie. Ciò si ottiene grazie a un elemento specifico che sfrutta le proprietà distinte di ogni strato.

Questa non è una scelta semplice. ENEPIG presenta le sue sfide, soprattutto il rischio di 'black pad' durante la placcatura e domande persistenti sulla corrosione del nickel. A Bester PCBA, abbiamo visto sia i fallimenti derivanti da un controllo di processo scarso che l’affidabilità eccezionale che deriva dal farlo nel modo giusto. La finitura funziona, ma solo quando i parametri di processo e di assemblaggio sono gestiti con assoluta precisione. Questo vale per ENEPIG negli assemblaggi misti — come funziona e cosa serve per evitare le sue modalità di fallimento.

Il conflitto sulla finitura superficiale nelle assemblaggi con tecnologia mista

Il bonding con filo è un processo di creazione di una connessione metallurgica tra un filo sottile d’oro o alluminio e una pad di bonding usando calore, pressione ed energia ultrasonica. Il legame si forma grazie a una combinazione di deformazione meccanica e diffusione atomica all’interfaccia. Perché ciò avvenga in modo affidabile, la superficie del pad deve essere chimicamente pura, priva di ossidi e abbastanza morbida da deformarsi sotto pressione senza incrinarsi. L’oro è la superficie ideale. Non ossida, è morbido e duttile, e permette un trasferimento di energia costante durante il bonding ultrasonico. Il processo è ben compreso ed essenziale per moduli RF, semiconductori di potenza e assemblaggi ibridi in cui i wafer devono essere collegati al substrato.

La saldatura opera su un principio completamente diverso. Un collegamento saldato non è una connessione adesiva; è un legame metallurgico formato creando composti intermetallici all'interfaccia tra il saldato e la piazzola. Quando il saldato a base di stagno fuso entra in contatto con una piazzola di rame, atomi di stagno e rame si diffondono tra loro, formando strati di intermetallici Cu₆Sn₅ e Cu₃Sn. Questi strati sono sono

Il conflitto sorge perché l'oro, sebbene sia perfetto per l'imbonding, rappresenta un problema per la saldatura quando il suo spessore supera circa 0,5 micrometri. L'oro in eccesso si dissolve nel collegamento saldato durante il reflow e può formare un intermetallico d'oro-stagno fragile, AuSn₄. Questa friabilità indebolisce il collegamento e favorisce la propagazione delle crepe sotto stress termici o meccanici. Al contrario, superfici ottimizzate per la saldatura come l'argento a immersione, lo stagno a immersione o i preservativi per la saldabilità organici sono troppo dure, troppo soggette a ossidazione o troppo instabili chimicamente per sostenere un affidabile bonding dei fili.

Un progettista che lavora su un assemblaggio misto ha bisogno di una finitura che consenta al filo d'oro di legarsi con bassa resistenza e alta resistenza alla trazione, consentendo anche alla pasta saldante di formare collegamenti robusti. Le finiture a singolo strato standard non possono fare entrambe le cose. ENEPIG può.

Come ENEPIG Risolve Requisiti Incompatibili

ENEPIG è un rivestimento superficiale multi-strato costituito da tre distinti strati metallici depositati sequenzialmente sul pad di rame: nichel elettroless, palladio elettroless e oro a immersione. Ogni strato svolge una funzione specifica, e le prestazioni della finitura dipendono dal mantenimento di un controllo preciso sulla spessore e sulla composizione di tutti e tre.

La struttura a strati e le proprietà dei materiali

La base è uno strato di nichel chimicamente depositato senza l'uso di corrente, tipicamente spesso da 3 a 6 micrometri, che funge da barriera di diffusione. Impedisce al rame di migrare verso la superficie e di ossidarsi. Questo nichel non è puro; è una lega contenente dal 6 al 9 percento di fosforo in peso, depositata tramite una riduzione chimica autocatalitica. Quel contenuto di fosforo è non negoziabile. Troppo poco, e il nichel diventa suscettibile all'attacco corrosivo che causa il black pad. Troppo, e diventa fragile, compromettendo l'integrità meccanica della saldatura.

Il successivo è la chiave della doppia funzionalità di ENEPIG: un sottile strato di palladio, solitamente da 0,05 a 0,15 micrometri. Sebbene sottile, il suo ruolo è superiore. Come metallo nobile, il palladio resiste all'ossidazione e all'annerimento, formando intermetallici affidabili Pd₂Sn e PdSn con saldature a base di stagno per un legame metallurgico forte. Durante il reflow, questo strato di palladio si dissolve nel giunto di saldatura, diventando parte della struttura intermetallica. Importante, protegge anche il nichel sottostante dall'ossidazione, conferendo alla finitura una vita utile molto più lunga rispetto a sistemi di nichel nudo o nichel-oro.

L'ultima superficie è una sottile placcatura d'oro ad immersione, tipicamente da 0,03 a 0,08 micrometri. Il suo obiettivo principale è proteggere il palladio dall'ossidazione e contaminazione durante l'immagazzinamento e la manipolazione. Questo strato di oro è sufficientemente sottile da dissolversi rapidamente e senza danno nel saldatura durante il reflow, consentendo di formare principalmente il giunto con il palladio. Tuttavia, per l'assemblaggio a filo, questo oro sottilissimo fornisce l'interfaccia pura, morbida, necessaria affinché l'energia ultrasonica formi un forte legame metallurgico tra il filo e la piazzola.

Perché Palladium consente la compatibilità duale

Il palladio è il perno centrale. Risolve le richieste contraddittorie di saldatura e bonding dei fili.

Per la saldatura, agisce come una superficie perfettamente bagnabile. Non si ossida facilmente, quindi la fusione può concentrarsi sulla rimozione di contaminanti minori invece di un pesante strato di ossido. I composti intermetallici che forma con lo stagno sono stabili e meccanicamente solidi. Poiché lo strato di palladio è sottile e si dissolve nel giunto, evita i problemi di fragilità associati all'oro più spesso usato in altre finiture.

Per il bonding dei fili, lo strato di palladio è essenzialmente trasparente. Il legame si forma sulla superficie di oro a immersione, e l'energia ultrasonica passa attraverso l'oro sottile e il palladio senza interferenze. Il palladio non inibisce il legame; in effetti, la sua durezza relativa può persino migliorare la resistenza alla trazione fornendo uno strato di supporto più stabile. Il risultato è una finitura unica dove sia la saldatura che il bonding dei fili raggiungono piena performance, senza compromessi.

Perché le Alternative Comuni Falliscono il Test di Assemblaggio Misto

Comprendere perché l'ENEPIG sia necessario richiede di esaminare perché le finiture superficiali più comuni siano inadeguate per queste applicazioni esigenti. Ogni alternativa non riesce a soddisfare uno dei due requisiti fondamentali.

ENIG e il problema di adesività

Per molti anni, il Nickel Elettrolessico a Immersione con Oro (ENIG) è stata la finitura predefinita per applicazioni ad alta affidabilità. Utilizza la stessa barriera di nickel elettrolessico di ENEPIG ma è rivestita con uno strato più spesso di oro a immersione, spesso 0,05-0,15 micrometri o più. Sebbene questa superficie sia eccellente per il bonding dei fili, crea un serio problema per la saldatura.

Lo strato di oro più spesso si dissolve nel collegamento saldato durante il reflow. Se la concentrazione di oro diventa troppo alta, forma intermetallici d'oro-stagno fragili, AuSn₄. Questi composti duri sono soggetti a crepe sotto cicli termici o stress meccanici, portando a una saldatura con una vita a fatica più breve e a un rischio maggiore di guasti sul campo. Mentre alcuni progettisti cercano di controllare lo spessore dell'oro nel ENIG per rimanere sotto la soglia di fragilità, questo introduce variabilità di processo e rischio. Inoltre, l'ENIG presenta lo stesso rischio di pad nero di ENEPIG senza offrire alcun vantaggio nelle prestazioni di saldatura. Per un assemblaggio misto, scambia semplicemente un problema con un altro.

Argento a immersione e stagno: inadatti per il bonding dei fili

Argento a immersione (ImAg) e stagno a immersione (ImSn) sono finiture comuni senza piombo ottimizzate per la saldatura. ImAg offre una buona bagnabilità e forma forti intermetallici Cu-Sn direttamente all'interfaccia del rame. ImSn è un'alternativa conveniente che forma anche collegamenti di saldatura affidabili.

Nessuna delle due è adatta per il bonding dei fili. L'argento ossida in presenza di zolfo, comune in molti ambienti industriali, e questo strato di ossido preveniente impedisce il contatto metallico direttamente mettallizzato necessario per un legame. Lo stagno a immersione è più duro dell'oro e forma uno strato di ossido nativo che interferisce con il processo di bonding. Peggio ancora, lo stagno tende a formare filamenti sottili e cristallini (whiskers) che possono crescere causando cortocircuiti elettrici, cosa inaccettabile per applicazioni ad alta affidabilità.

Le finiture di preservazione della saldabilità organica (OSP), che sono sottili layer di flusso organico, non offrono nessuna superficie di bonding. Ognuna di queste finiture a singolo strato ottimizza per un processo a discapito dell'altro. ENEPIG è stato progettato per eliminare questo compromesso.

Pad Nero: Rischio e Prevenzione

Il rischio più significativo associato all'ENEPIG è il pad nero, un modo di fallimento in cui l'adesione debole o inesistente tra gli strati di nickel e oro porta al fallimento del collegamento saldato. Il nome deriva dall'aspetto nero e scolorito della superficie di nickel dopo che l'oro viene rimosso. Questo non è un problema teorico; ha causato fallimenti catastrofici sul campo e rimane la principale sfida di controllo del processo per qualsiasi platatore ENEPIG.

Il meccanismo di fallimento


Il pad nero si verifica durante la fase di placcatura d'oro a immersione. Questo è un processo di displaced galvanico: la superficie di nichel della scheda viene immersa in una soluzione salina di oro, dove gli ioni di oro si depositano sul nichel mentre gli atomi di nichel vengono ossidati e si dissolvono nella soluzione. Questa scambio è normale.

Il problema inizia quando il nichel si corrode eccessivamente. Se il contenuto di fosforo nel nichel è elevato (oltre 10-11%) o se il bagno di placcatura d'oro è troppo aggressivo a causa di temperature elevate, alta concentrazione di oro o pH basso, la superficie di nichel può corrodersi più rapidamente rispetto ai depositi d'oro. Ciò lascia uno strato di ossido di nichel o fosfuro all'interfaccia. Questo strato ha una scarsa adesione. Quando si applica la saldatura, questa bagna l'oro e il palladio ma non può legarsi al nichel corroso sottostante. La giunzione sembra accettabile, ma ha praticamente nessuna resistenza meccanica e può fallire con stress minimi.

Controlli di Processo Non Negotiabili

Prevenire il pad nero è una questione di controllo rigoroso del processo. Tre variabili sono critiche: il contenuto di fosforo nel nichel, la chimica del bagno d'oro e la qualità del layer di palladio.

Innanzitutto, il contenuto di fosforo nel nichel deve essere mantenuto tra il 6 e il 9 percento. Al di sotto di questa gamma, il nichel è meno uniforme; oltre questa, il nichel diventa più reattivo e vulnerabile nel bagno d'oro. Le aziende di placcatura devono monitorare e controllare costantemente la chimica del bagno di nichel, inclusi le concentrazioni di ioni di nichel, agenti riducenti e stabilizzanti.

In secondo luogo, il bagno di oro a immersione deve essere gestito per minimizzare l'attacco al nichel. Ciò significa controllare il pH (4.5-5.5), mantenere bassa la concentrazione di ioni di oro e mantenere la temperatura del bagno sotto i 70°C. Le formulazioni moderne di bagni d'oro includono inibitori di corrosione specificamente per proteggere il nichel, e il loro uso è essenziale.

In terzo luogo, il layer di palladio deve essere denso e uniforme. Funziona come una barriera protettiva, riducendo l'esposizione del nichel al bagno d'oro. Se il palladio è poroso o incompleto, il bagno d'oro può penetrare e causare corrosione localizzata. Infine, poiché ENEPIG utilizza uno strato di oro molto sottile, il tempo di immersione è breve, il che riduce intrinsecamente l'opportunità di attacco al nichel rispetto a finiture ENIG più spesse.

Questi controlli non sono opzionali. Un'officina di placcatura che non riesce a dimostrare un controllo coerente su queste variabili non dovrebbe produrre schede ENEPIG. Alla PCBA di Bester, richiediamo prove di capacità del processo dai nostri fornitori, incluse analisi microsezioni e dati di test di adesione. Il pad nero è prevenibile, ma la prevenzione richiede disciplina.

Corrosione del Nickel: Una preoccupazione gestibile

Una preoccupazione secondaria con l'ENEPIG è il potenziale di corrosione galvanica in servizio tra gli strati di nichel e oro. Poiché l'oro è significativamente più nobile del nichel, la teoria suggerisce che in presenza di un elettrolita, il nichel potrebbe corrodersi se esposto. Ciò ha portato alcuni a esitare nell'adottare l'ENEPIG per ambienti ostili.

Sebbene non sia infondata, l'evidenza sul campo suggerisce che questa preoccupazione sia sovrastimata in assemblaggi ben realizzati. Lo strato di palladio è l'elemento protettivo critico. Isola il nichel dal contatto diretto con l'oro, mitigando il circuito galvanico. Durante la saldatura, il palladio si dissolve nel giunto, e il nichel rimane sigillato sotto una struttura intermetallica stabile, non esposto all'ambiente.

Studi di affidabilità a lungo termine dell'ENEPIG in applicazioni automotive, telecom e industriali mostrano tassi di fallimento comparabili o migliori rispetto ad altri rivestimenti ad alte prestazioni. I fallimenti attribuiti alla corrosione del nichel sono rari e quasi sempre derivano da difetti di progettazione—come nichel esposto ai bordi della scheda a causa di copertura insufficiente della maschera di saldatura o contaminazione da residui di flusso—piuttosto che dal rivestimento stesso.

Le pratiche di progettazione standard possono ridurre ulteriormente questo rischio già basso. La rivestitura conformale fornisce una barriera contro l'umidità, e una corretta progettazione della maschera di saldatura assicura che il nichel non sia esposto. Quando i controlli di processo vengono mantenuti e le regole di progettazione di base sono seguite, l'ENEPIG offre una affidabilità robusta a lungo termine.

Garantire una saldatura affidabile con ENEPIG

Sebbene progettato per la dualità di compatibilità, le performance di saldatura dell'ENEPIG dipendono ancora da un processo di assemblaggio ben controllato. La finitura è indulgente, ma l'ottimizzazione assicura risultati coerenti e di alto rendimento.

Saldatura e chemica di pasta e flussante

ENEPIG è compatibile con le leghe di saldatura senza piombo standard a base di stagno-argento-rame (SAC) come SAC305. Le fasi intermetalliche risultanti, principalmente Pd₂Sn e PdSn, sono stabili e offrono un'eccellente resistenza meccanica e prestazioni nei cicli termici.

Poiché le superfici ENEPIG sono altamente resistenti all'ossidazione, non è necessario un flussante aggressivo. In generale, è sufficiente un flussante senza residui con attività moderata (ROL1 o simile). Si possono usare flussanti più aggressivi, ma potrebbero richiedere una pulizia post-reflow per rimuovere residui corrosivi.

Profilo di Reflow e Durata di Conservazione

I profili di reflow senza piombo standard funzionano bene con ENEPIG, con temperature di picco di 240-250°C e un tempo sopra il liquido di 60-90 secondi. Durante il reflow, gli strati sottili di oro e palladio si dissolvono completamente nel saldatura, e il giunto si forma principalmente all'interfaccia con il nickel. Poiché lo spessore totale di oro è così basso, si elimina il rischio di fragilità dell'oro che affligge l'ENIG.

La durata di conservazione delle schede finite con ENEPIG è eccellente. Gli strati di oro e palladio proteggono il nickel sottostante dall'ossidazione, consentendo di conservarle per 12 mesi o più in ambienti controllati senza degradare la saldabilità. Questo è un vantaggio significativo rispetto all'argento o allo stagno immersi, che si ossidano più facilmente.

Per progetti che richiedono sia bonding con filo sia saldatura SMT, ENEPIG non è solo un'opzione valida. È l'unico rivestimento di corrente principale che garantisce prestazioni complete in entrambi i processi senza forzare un compromesso.