Внедрение бессвинцовых технологий

Проблеме образования нитевидных кристаллов («усов») в осажденных покрытиях было посвящено немало научных работ, и на сегодняшний день исследователям доступна обширная библиотека изданий, освещающих данный вопрос. Много внимания образованию нитевидных кристаллов и ускоренному старению уделяют и различные международные организации и союзы, в результате чего разрабатываются нормы и стандарты, устанавливающие методы испытаний на наличие нитевидных кристаллов. Эти стандарты схожи в большинстве положений, однако расходятся в рекомендуемых температуре испытания и относительной влажности.

Перед тем, как принять решение о внедрении в массовое производство какой-либо альтернативной технологии, необходимо провести ряд испытаний и исследований, позволяющих оценить преимущества и характеристики нового процесса. При этом данная технология должна соответствовать требованиям заказчика, которые, как показывает практика, постоянно растут и становятся все более сложными для выполнения. Ниже приведены три типичных случая, представляющих собой проблему при использовании бессвинцовых технологий обработки.

1. Необходимость обеспечить 95% смачиваемость в течение 3 секунд при температуре 215⁰С

Изучая предлагаемые бессвинцовые альтернативные технологии и отбирая наиболее подходящие для внедрения в массовое производство варианты, исследователи уделяли особое внимание температуре пайке и прочности образуемого соединения. На основании этих критериев были отобраны три вида покрытий – чистое олово (точка плавления 292⁰С), олово-висмут (точка плавления 216-221⁰С) и олово-серебро(точка плавления 221-2290С), которые были подвергнуты испытаниям при максимальной температуре 245 и 260⁰С с припоем из сплава SAC.

Очевидно, что покрытие чистым оловом не будет паяться при подобных условиях, однако и поверхность, обработанная сплавом олово-свинец, паяемая с эвтектическим припоем, также зачастую проявляется себя подобным образом.

Помимо совпадения точек плавления осажденного покрытия и используемого припоя на активность поверхности влияют и другие факторы, среди которых:

• подготовка поверхности, включая очищение от окалины и нанесение промежуточного, "барьерного", слоя,
• изменение морфологии осадка олова,
• финишная термообработка,
• термовыдержка,
• влияние внешних факторов во время хранения,
• изменение режимов пайки.

Исследуемые образцы были смочены припоем при 245⁰С в течение трех секунд, после чего все образцы продемонстрировали исключительную смачивающую способность. Смачивающая способность ухудшалась только под воздействием совместного влияния таких факторов, как снижение температуры и сокращение времени смачивания. В ходе данного исследования режимы пайки были установлены таким образом, чтобы обеспечить выполнение условий спецификации заказчика, т.е. хорошую смачивающую способность за 3 секунды обработки при 215⁰С. Ускоренные климатические испытания в данном случае не проводились. Вместо этого компоненты подвергли дополнительной термовыдержке. Осадок олова представлял собой равномерный слой покрытия толщиной около 2 микрон.

После того, как опытным путем было доказано, что образцы, осажденные с помощью одного оборудования, успешно прошли испытания при снижении температуры и времени смачивания, были исследованы свойства осадка. На образцы были нанесены три вида покрытий чистым оловом, матовых покрытий с крупно- и мелкозернистой структурой, а также блестящего покрытия. Затем образцы были исследованы методом SERA (последовательного электрохимического восстановления), а также был проведен анализ баланса влаги покрытия компонентов до и после ускоренного старения. SERA (последовательное электрохимическое восстановление) – способ аналитического исследования, позволяющий выявить форму и толщину оксидного слоя на поверхности любого металла. Как показали результаты исследования, тип и толщина оксидного слоя, образуемого на поверхности осажденного олова, зависят от способности к пайке покрытия, определяемой с помощью испытания методом баланса влаги. Испытания оловянного покрытия и покрытия олово-свинец доказали, что характер и тип оксидного слоя имеют гораздо большее значение, чем его толщина.

Испытание методом баланса влаги – надежный способ определения способности к пайке покрытия и припоя.

Как показывают результаты испытаний, скорость формирования слоя оксида напрямую зависит от частоты смачиваний, а присутствие диоксида олова сокращает скорость смачивания. В данном случае предпочтительнее осаждение матовых покрытий, в особенности характеризующихся мелкозернистой структурой, поскольку их смачивающая способность может достигать и даже превышать смачивающую способность блестящих осадков.

Чтобы решить эту проблему, рекомендуется прежде всего откорректировать электролит и проанализировать состав и дозировку добавок, предназначенных для измельчения структуры осадка и увеличения стойкости к окислению.

2.  Финишная термообработка вызывает обесцвечивание оловянного покрытия

Финишная термообработка в течение одного часа при температуре 150⁰С рекомендуется в качестве одного из способов сокращения интенсивности образования нитевидных кристаллов, который оказывает на осажденный слой олова двойной положительный эффект. Во-первых, олово, как металл с довольно низкой точкой плавления, имеет склонность к отжигу при температуре 30⁰С. В ходе термообработки (при температуре более 120⁰С) возрастает скорость кристаллизации осадка и с6нижается до нуля внутреннее напряжение покрытия, возникающее при осаждении, в связи с чем этот способ обработки часто именуется также обработкой для снятия напряжений.

Еще одним преимуществом финишной термообработки является образование интерметаллических медных соединений, проникающих в осажденный слой олова из медной подложки. Диффузия меди в олово – известное явление, интенсивность которого возрастает прямо пропорционально увеличению температуры. В условиях окружающей внешней среды наиболее часто образуется соединение Cu₆Sn₅, молекулы которого движутся вверх, проникая внутрь осажденного слоя. Эта межкристаллическая диффузия увеличивает объем осадка и его внутреннее напряжение. При температуре более 120⁰С меняется форма и распространение интерметаллических соединений. Повышение температуры приводит к образованию соединения Cu₃Sn, которое равномерно распространяется по поверхности между медной подложкой и осажденным оловом. Этот равномерный интерметаллический слой служит барьером для дальнейшей диффузии, предотвращая образование нежелательного Cu₆Sn₅.

Однако данный процесс имеет и побочный эффект: повышение температуры вызывает образование оксидов олова на осажденной поверхности. Одна из наиболее распространенных форм этого образования – (SnO). Оксид олова сам по себе не представляет серьезной угрозы для покрытия и не ухудшает его эксплуатационных свойств, однако негативно сказывается на внешних характеристиках осадка. Оксидная пленка толщиной в 50 ангстремов не влияет на смачивающую способность поверхности, однако в силу своего желтовато-коричневого оттенка может вызвать возражения в связи с декоративными качествами.

В качестве решения этой проблемы предлагается откорректировать применяемый электролит и использовать добавки, измельчающие структуру осадка и увеличивающие стойкость к окислению. 

3. Оплавление ик-излучением вызывает обесцвечивание осадка

Этот способ испытания качества покрытия, имитирующий процесс монтажа с последующей термообработкой, хотя и не является новым, в последнее время все чаще включается в спецификации.

Явление обесцвечивания связано не только с температурой поверхности и морфологией осадка, но и, в особенности в случае с компонентами коннекторов с покрытиями большой толщины, с наличием или отсутствием промежуточного слоя никеля. Чтобы изучить эту взаимосвязь, было проведено дополнительное исследование.

В данном случае, одного только изменения морфологии осадка оказалось недостаточно для предотвращения обесцвечивания после нескольких циклов оплавления излучением. Была выявлена прямая зависимость обесцвечивания от наличия или отсутствия промежуточного слоя. Однако, как показали исследования, свойства никелевого слоя являются не единственным фактором, влияющим на потерю цвета покрытия.

Путем дополнительных исследований было установлено, что это явление зависит от трех факторов:

• свойств промежуточного никелевого слоя,
• свойств осажденного слоя олова и характера термообработки.

Таким образом, проблема обесцвечивания может быть решена путем применения новой добавки, предотвращающей обесцвечивание, используемой при нанесении никелевого слоя в сочетании с корректировкой электролита для нанесения оловянного покрытия и особым типом финишной обработки, снижающей образование оксидного слоя в ходе термообработки. 

ВЫВОД
Необходимость исключения свинца заставила разработчиков технологий и процессов сфокусировать внимание на проблеме образования нитевидных кристаллов, типичной для альтернативных покрытий, одним из наиболее предпочтительных из которых является чистое олово. Разнообразные способы сокращения образования нитевидных кристаллов, такие, как нанесение промежуточного слоя никеля, финишная термообработка или оплавление ик-излучением значительно усложняют производственный процесс в отношении обеспечения необходимой способности к пайке и внешних характеристик покрытия. С целью достижения смачиваемости поверхности, необходимой для обеспечения хорошей способности к пайке, следует тщательно контролировать процесс образования оксидного слоя путем своевременной корректировки режимов осаждения олова. Изменения свойств осадка под воздействием финишной термообработки и оплавления излучением можно предотвратить путем увеличения стойкости к окислению слоя осажденного олова. Сохранить равномерность покрытия после оплавления излучением можно с помощью комплексного воздействия, включающего нанесение промежуточного слоя никеля, использование добавок, предотвращающих обесцвечивание, оптимизацию режимов промывки и сушки, замыкаемых этапом финишной обработки.

Покрытие чистым оловом считается в настоящий момент наиболее перспективной альтернативой составам, содержащим свинец. В данной статье были рассмотрены реакции, протекающие на поверхности под воздействием производственных процессов и обработки, а также способы повышения стойкости к окислению осажденного олова, которое до недавнего времени считалось наиболее серьезной преградой к переходу на бессвинцовые технологии.

Новые методы и процессы, описанные в настоящей статье, свидетельствуют о существенном прогрессе, достигнутом исследователями в решении подобных проблем.