Где ENEPIG — единственный разумный выбор для смешанных сборок с пайкой и бондированием

Проекты, сочетающие пайку золотой проволокой с технологией поверхностного монтажа, занимают неудобную промежуточную позицию в производстве печатных плат. Проволочная пайка требует чистой, мягкой благородной металловой поверхности для надежных термозвуковых или ультразвуковых соединений. Пайка требует поверхности, которая способствует смачиванию и образованию межметаллических соединений с оловянными сплавами. Эти требования несовместимы. В большинстве систем материалов они по своей сути противоречат друг другу.

Годами инженеры шили эту иглу компромиссами: толстое золото над никелем для некоторых площадок, разные покрытия для различных областей или простое принятие ухудшенной производительности в одном процессе, чтобы обеспечить другой. Каждый обходной путь добавлял сложности, стоимости или риски надежности. ENEPIG, или электролесс никель-электролесс палладий-иммерсионное золото, устраняет компромисс, удовлетворяя обе процессы на одной поверхности. Он достигается благодаря конкретному стеку материалов, который использует уникальные свойства каждого слоя.

Это не простой выбор. ENEPIG вносит свои собственные сложности, особенно риск появления «черного_PAD» во время гальваники и остающиеся вопросы о коррозии никеля. В PCBA Bester мы наблюдали как неудачи, вызванные плохим контролем процесса, так и исключительную надежность, которую обеспечивает правильное выполнение. Покрытие работает, но только при абсолютном точном управлении процессом гальваники и параметрами сборки. Именно так работает ENEPIG в сборках с смешанными технологиями — как это работает и что нужно, чтобы избежать его отказов.

Конфликт отделки поверхности в сборках с смешанными технологиями

Пайка проволокой — это процесс создания металлургической связи между тонкой золотой или алюминиевой проволокой и площадкой с помощью тепла, давления и ультразвуковой энергии. Связь формируется за счет сочетания механической деформации и атомного межпроникающего обмена на интерфейсе. Для этого соединения надежно поверхность площадки должна быть химически чистой, свободной от окислов и мягкой, чтобы деформироваться под давлением без трещин. Золото — идеальная поверхность. Оно не окисляется, оно мягкое и пластичное, и позволяет равномерно передавать энергию во время ультразвуковой сварки. Процесс хорошо изучен и незаменим для RF-модулей, силовых полупроводников и гибридных сборок, где чипы должны быть соединены с подложкой.

Паяние работает по совершенно иной принципу. Соединение при пайке — это не связующее клеевое соединение; это металлургическая связь, образующаяся путём создания межметаллических соединений на интерфейсе между припоем и площадкой. Когда расплавленный оловянный припой контактирует с медной площадкой, атомы олова и меди диффундируют друг в друга, формируя слои межметаллических соединений Cu₆Sn₅ и Cu₃Sn. Эти слои являются связью. Мокрость — распространение расплавленного припоя по поверхности — определяется поверхностной энергией покрытия и способностью флюса снижать окислы. Область, пригодная для пайки, должна обеспечить быстрое образование межметаллических соединений, сопротивляться окислению до выхода в печь повторного плавления и избегать образования хрупких фаз, которые ослабили бы соединение.

Конфликт возникает потому, что золото, хотя и идеально подходит для соединения, является недостатком для пайки, когда его толщина превышает около 0,5 микрометров. Чрезмерное золото растворяется в соединении при повторном плавлении и может образовать хрупкий межметаллический слой AuSn₄. Эта хрупкость ослабляет соединение и способствует распространению трещин под воздействием теплового или механического стресса. Напротив, поверхности, оптимизированные для пайки, такие как погружное серебрение, погружной олово или органические средства обеспечения паяемости, слишком тверды, слишком склонны к потемнению или химически нестабильны для надежной проволочной пайки.

Проектировщик, работающий с сборкой с множественными технологиями, нуждается в покрытии, которое позволяет припаять золотую проволоку с низким сопротивлением и высокой силой на разрыв, а также обеспечить надежную паечную связь. Стандартные односторонние покрытия не могут делать и то, и другое. ENEPIG способен.

Как ENEPIG решает несовместимые требования

ENEPIG — это многоуровневое покрытие поверхности, состоящее из трех различных металлических слоев, нанесенных последовательно на медную площадку: электролесный никель, электролесный палладий и погружное золото. Каждый слой выполняет свою функцию, и эффективность покрытия зависит от точного контроля толщины и состава всех трех слоев.

Структура слоёв и свойства материалов

Основа — слой электролессного никеля, обычно толщиной от 3 до 6 микрометров, который служит диффузионным барьером. Он препятствует миграции меди на поверхность и окислению. Этот никель не является чистым; это сплав, содержащий 6–9 процентов фосфора по массе, наносимый методом автокаталитического химического восстановления. Содержание фосфора в нем — необратимо. Меньше — и никель становится уязвимым для коррозийных атак, вызывающих черную подушку. Больше — и он становится хрупким, что ухудшает механическую целостность паяного соединения.

Следующий — ключ к двойной функциональности ENEPIG: тонкий слой палладия, обычно 0,05–0,15 микрометров. Несмотря на свою меньшую толщину, его роль велика. Будучи благородным металлом, палладий сопротивляется окислению и потускнению, образуя надежные межинтерметаллиды Pd₂Sn и PdSn с оловянными паями для прочного металлургического соединения. Во время пережига этот слой палладия растворяется в паяльном соединении, становясь частью межинтерметаллической структуры. Важное значение имеет и его способность защищать лежащий под ним никель от окисления, значительно увеличивая срок хранения покрытия по сравнению с голым никелем или системами никель-золото.

Последнее покрытие — ультратонкое покрытие из погруженного золота, обычно всего 0,03–0,08 микрометров. Его основная задача — защитить палладий от окисления и загрязнений во время хранения и обработки. Это слой золота настолько тонкий, что он быстро и безопасно растворяется в припое во время пережига, позволяя соединению формироваться в первую очередь с палладием. Однако при использовании для обжима провода это тончайшее золото обеспечивает чистый и мягкий интерфейс, необходимый для ультразвукового воздействия, чтобы создать надежное металлургическое соединение между проволокой и подкладкой.

Почему Palladium обеспечивает двойную совместимость

Палладий — это краеугольный камень. Он решает противоречивые требования пайки и соединения проводов.

Для пайки он служит как идеально смачиваемая поверхность. Он не окисляется легко, поэтому флюс может сосредоточиться на удалении мелких загрязнений, а не на тяжелом окисляющемся слое. Межинтерметаллиды, образующиеся с оловом, стабильны и прочны механически. Так как слой палладия тонкий и растворяется в соединении, он избегает проблем затвердевания, связанных с использованием более толстого золота в других покрытиях.

Для обжима провода слой палладия практически прозрачен. Соединение формируется на покрытии из погруженного золота, а ультразвуковая энергия проходит через тонкое золото и палладий без помех. Палладий не мешает соединению; на самом деле, его относительная твердость может даже повысить силу натяжения, обеспечивая более стабильную подложку. В результате получается одно покрытие, где и паяное соединение, и соединение провода достигают полной эффективности без компромиссов.

Почему распространённые альтернативы проваливают тест смешанной сборки

Понимание того, почему необходим ENEPIG, требует рассмотрения причин, по которым более распространённые поверхности недостаточны для этих требовательных применений. Каждая альтернатива не удовлетворяет одному из двух основных требований.

ENIG и проблема паяемости

В течение многих лет электролессное никелевое покрытие с погружением золота (ENIG) было стандартным покрытием для высоконадежных применений. Оно использует тот же электролессный никелевый барьер, что и ENEPIG, но покрыто более толстым слоем погруженного золота, часто 0,05–0,15 микрометров или более. Хотя это покрытие отлично подходит для обжима провода, оно создает серьезную проблему при пайке.

Более толстый слой золота растворяется в паяльном соединении во время пережига. Если концентрация золота становится слишком высокой, он образует хрупкие межинтерметаллиды AuSn₄. Эти твердые соединения склонны к растрескиванию при тепловых циклах или механическом напряжении, что ведет к короткому сроку службы паяного соединения и повышенному риску отказа в условиях эксплуатации. Некоторые конструкторы пытаются контролировать толщину золота ENIG, чтобы не превышать порог затвердевания, однако это ведет к изменчивости процесса и рискам. Более того, ENIG сталкивается с той же проблемой черной подушки, что и ENEPIG, и не обеспечивает преимуществ в пайке. Для смешанных сборок это по сути решает одну проблему, создавая другую.

Покрытия из серебра и олова: неподходящие для обжима провода

Погруженное серебро (ImAg) и погруженное олово (ImSn) — распространенные щелочные покрытия без свинца, оптимизированные для пайки. ImAg обеспечивает хорошую смачиваемость и образует прочные межинтерметаллиды Cu-Sn непосредственно у интерфейса с медью. ImSn — это экономичный альтернативный вариант, который также образует надежные паяные соединения.

Ни одно из них не подходит для обжима провода. Серебро темнеет при наличии серы, что характерно для многих промышленных условий, а этот слой потускнения мешает нежному контакту металла с металлом, необходимому для соединения. Погруженное олово тверже золота и образует нативный слой окиси, мешающий процессу соединения. Еще хуже, олово склонно к образованию «стружек» — тонких кристаллических нитей, которые могут расти и вызывать короткие замыкания, что недопустимо для высоконадежных систем.

Покрытия с органическими ингибиторами паяемости (OSP), которые представляют собой тонкие слои органического флюса, не обеспечивают никакой поверхности для соединения. Каждое из этих одностенных покрытий оптимизировано под один процесс за счет другого. ENEPIG был разработан для устранения этого компромисса.

Черный_PAD: риск и профилактика

Наиболее рискованным для ENEPIG является черная подушка — отказной режим, при котором слабая или отсутствующая сцепка между слоями никеля и золота приводит к отказу паяного соединения. Название связано с черным, обесцвеченным видом поверхности никеля после отрыва золота. Это не теоретическая проблема; она вызвала катастрофические полевые отказы и остается основной проблемой контроля процесса для любого оборудования ENEPIG.

Механизм отказа


Черная подушечка возникает во время этапа гальванического золочения. Это процесс гальванического вытеснения: никелевая поверхность платы погружается в раствор соли золота, где ионы золота осаждаются на никель, в то время как атомы никеля окисляются и растворяются в растворе. Этот обмен является нормальным.

Проблема начинается, когда никель чрезмерно ржавеет. Если содержание фосфора в никеле превышает 10-11% или если ванна для золочения слишком агрессивна из-за высокой температуры, высокого содержания золота или низкого pH, поверхность никеля может корродировать быстрее, чем осаждается золото. Это оставляет слой оксида или фосфида никеля на границе. Этот слой плохо сцепляется. При нанесении припоя он намокает золото и палладий, но не может связаться с корродированным никелем внизу. Соединение выглядит приемлемым, но практически не имеет механической прочности и может разрушиться при минимальной нагрузке.

Нерегулируемые контрольные процедуры процесса

Предотвращение возникновения черной подушечки — это вопрос строгого контроля процесса. Тремя критическими переменными являются содержание фосфора в никеле, химия ванны для золочения и качество палладиевого слоя.

Во-первых, содержание фосфора в никеле должно поддерживаться в диапазоне от 6 до 9 процентов. Ниже этого диапазона никель менее однороден; выше — никель становится более реактивным и уязвимым в ванне для золота. Паяльные предприятия должны постоянно контролировать и регулировать химический состав никелевой ванны, включая концентрацию ионов никеля, восстановителей и стабилизаторов.

Во-вторых, ванну для погружного золочения необходимо эксплуатировать так, чтобы минимизировать коррозию никеля. Это означает контроль pH (4.5–5.5), поддержание низкой концентрации ионов золота и температуры ванны ниже 70°C. Современные формулы ванн для золота включают ингибиторы коррозии, специально предназначенные для защиты никеля, и их использование обязательно.

В-третьих, слой палладия должен быть плотным и однородным. Он выступает в качестве защитного барьера, уменьшая воздействие никеля на ванну для золота. Если палладий пористый или неполный, золото может проникать и вызывать локальную коррозию. Наконец, поскольку ENEPIG использует очень тонкий слой золота, время погружения небольшое, что изначально снижает возможность атаки никеля по сравнению с более толстыми покрытиями ENIG.

Эти параметры не являются необязательными. Паяльное предприятие, которое не может обеспечить стабильный контроль за этими переменными, не должно производить платы с ENEPIG. В PCBA Bester мы требуем доказательств способности процесса от наших поставщиков, включая микросрез анализа и данные тестирования сцепления. Черная подушечка предотвращается, но для этого нужно дисциплинированное выполнение процесса.

Коррозия никеля: управляемая проблема

Вторичное беспокойство по поводу ENEPIG — это возможность гальванической коррозии между слоями никеля и золота в процессе эксплуатации. Поскольку золото значительно более благородно, чем никель, теория подсказывает, что при наличии электролита никель может корродировать, если подвергаться воздействию. Это заставило некоторых колебаться при внедрении ENEPIG в суровых условиях.

Хотя это не беспочвенно, практические данные показывают, что эта проблема переоценена в хорошо изготовленных сборках. Ключевым защитным элементом является слой палладия. Он изолирует никель от прямого контакта с золотом, уменьшая гальваническую пару. Во время пайки палладий растворяется в соединении, а никель остается запечатан под стабильной интерметаллидной структурой, неподверженной воздействию окружающей среды.

Долгосрочные исследования надежности ENEPIG в автомобильной промышленности, телекоммуникациях и промышленности показывают показатели отказов, сопоставимые или лучше, чем у других высокопроизводительных покрытий. Отказы, связанные с коррозией никеля, редки и почти всегда связаны с проектными ошибками — например, с обнаженным никелем на краях плат из-за плохого покрытия маски или загрязнения остатками флюса, а не с покрытием вовсе.

Стандартные проектные практики могут снизить этот уже низкий риск. Покрытие защитным составом обеспечивает барьер против влаги, а правильное проектирование маски гарантирует, что никель не будет обнажен. При сохранении параметров процесса и следовании основным правилам проектирования, ENEPIG обеспечивает надежность в долгосрочной перспективе.

Обеспечение надежной пайки с ENEPIG

Несмотря на то, что ENEPIG предназначена для двойной совместимости, её паяльные характеристики всё равно зависят от хорошо контролируемого процесса сборки. Покрытие простительно, но оптимизация обеспечивает стабильные, высокопроизводительные результаты.

Химия пасты для пайки и флюса

ENEPIG совместим со стандартными оловянно-серебряно-медными (SAC) бескислородными паяльными сплавами, такими как SAC305. Получающиеся межметаллургические фазы, в первую очередь Pd₂Sn и PdSn, стабильны и обеспечивают отличную механическую прочность и характеристики при термическом циклировании.

Поскольку поверхности ENEPIG очень устойчивы к окислению, агрессивный флюс не требуется. В целом достаточно флюса без очистки с умеренной активностью (ROL1 или аналогичный). Можно использовать более активные флюсы, но после их применения потребуется очистка после реболлинга для удаления коррозионных остатков.

Профиль реболлинга и срок хранения

Стандартные профили реболлинга без свинца хорошо работают с ENEPIG, с пиковыми температурами 240-250°C и временем нахождения выше жидуса 60-90 секунд. В процессе реболлинга тонкие слои золота и палладия полностью растворяются в припое, и соединение формируется в основном у интерфейса с никелем. Поскольку общая толщина золота очень мала, риск хрупкости золота, характерный для ENIG, исключён.

Срок хранения плат с покрытием ENEPIG составляет отличные показатели. Слои золота и палладия защищают подлежащий никель от окисления, что позволяет хранить их 12 месяцев и более в контролируемых условиях без ухудшения паяемости. Это важное преимущество по сравнению с immersion silver или tin, которые быстрее тускнеют.

Для конструкций, требующих как паяния проводов, так и SMT-пайки, ENEPIG — не просто жизнеспособный вариант. Это единственное основное покрытие, обеспечивающее полную производительность в обоих процессах без необходимости идти на компромиссы.