Wpływ starzenia płytek drukowanych z powłoką cyny immersyjnej na ich lutowność stopami bezołowiowymi

Transkrypt

1 warstwowymi. Rezystory tego typu powstają w oparciu o zastosowanie do budowy płytki drukowanej laminatów z wbudowaną warstwą rezystywną. Producentem takich laminatów jest m.in. firma Ohmega-Ply. Grubość warstwy rezystywnej w tego typu laminatach zawiera się w zakresie 0,4 do 1,0 µm, a rezystywność jej wynosi odpowiednio od 100 do 25 Ω/. Mozaika rezystorów wykonywana jest przy zastosowaniu procesu fotolitografii. Przebieg procesu technologicznego wytwarzania mozaiki rezystora wbudowanego przedstawiono na rys. 6. Proces ten musi być wykonany z niezwykłą precyzją ze względu na to, że niewielkie zmiany geometryczne kształtu powodują znaczne zmiany stosunku szerokości rezystora do jego długości, w wyniku czego otrzymywane rezystancje mogą w znacznym stopniu różnić się od założonych. Podsumowanie Wzrastające zapotrzebowanie na zminiaturyzowane i coraz bardziej funkcjonalne urządzenia elektroniczne zmusza producentów sprzętu elektronicznego do poszukiwania nowych materiałów oraz technik wytwarzania. Obecnie dotyczy to metod miniaturyzacji poszczególnych elementów urządzenia, a szczególnie płytek drukowanych, na których montowane są wysokiej integracji podzespoły elektroniczne. Zaprezentowane w artykule metody, nad którymi nieustannie są prowadzone badania udoskonalające, umożliwiają wytwarzanie w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym płytek drukowanych o dużym stopniu miniaturyzacji. Prowadzone prace badawcze pozwalają zachować przez Instytut rolę wiodącego ośrodka w kraju w dziedzinie produkcji wysokoprecyzyjnych płytek drukowanych. Literatura [1] Borecki J.: Interconnection for high density pcb ways of design optimization. Proceedings of XXVI International Conference of IMAPS Poland Chapter, Warsaw, September 2002, pp [2] Omer U.: Laser direct imaging a comprehensive imaging for HDI. Orbotech Pacific Ltd. [3] Buchner C., Sollner J., Wijnaendts van Resandt R.W., Marsman H.J.B., Strohm P.: The future of lithography in the HDI and PCB industries. Onboard Technology, February 2004, pp [4] Holden H.: How to get started in hdi with microvias. Westwood Associates. [5] Wang J., Clouser S.: Thin film embedded resistors. Gould Electronics Inc. [6] Mahler B.P.: Embedding thin-film resistors in advanced PWBs. Onboard Technology, April 2004, pp Wpływ starzenia płytek drukowanych z powłoką cyny immersyjnej na ich lutowność stopami bezołowiowymi dr inż. KRYSTYNA BUKAT, Instytut Tele- i Radiotechniczny, Warszawa Zakaz stosowania ołowiu w wyrobach elektrycznych i elektronicznych od 1 lipca 2006 r., wprowadzony Dyrektywą Europejską RoHS, stał się wyzwaniem nie tylko dla producentów wyrobów elektronicznych, ale również dla producentów płytek drukowanych, którzy będą musieli wytwarzać płytki drukowane z powłokami bezołowiowymi, spełniającymi wymagania lutowania bezołowiowego. W tradycyjnym montażu stosowano głównie płytki drukowane z lutowną powłoką cyna-ołów, nakładaną metodą HASL, do bardziej profesjonalnych zastosowań z powłoką Ni/Au. Ogłoszenie dyrektywy RoHS spowodowało intensyfikację badań innych, bezołowiowych powłok, m.in. cyny immersyjnej. Zastosowanie płytek drukowanych z cyną immersyjną do lutowania eutektycznym stopem SnPb w 250 C wykazało dobrą lutowność tej powłoki, lepszą niż lutowność powłoki SnPb, nakładanej metodą HASL [1 4]. Stopy bezołowiowe charakteryzują się wyższymi temperaturami topnienia od stopu SnPb, min. o 40 C. W związku z tym proces lutowania musi być prowadzony w odpowiednio wyższej temperaturze i dlatego oczekuje się większej odporności termicznej powłok stosowanych w procesie lutowania bezołowiowego. Z tego względu podjęto badania dotyczące lutowności pól i otworów lutowniczych płytek drukowanych pokrytych cyną immersyjną po narażeniach termicznych w porównaniu z płytkami w stanie dostawy. Badania lutowności prowadzono przy zastosowaniu stopu eutektycznego SnAg i trzech stopów SnAgCu, o różnym składzie chemicznym, w obecności topnika wodnego, tzw. VOC-free, zalecanego do lutowania bezołowiowego na fali roztopionego spoiwa. decydującym o właściwościach tej powłoki. Przyjmuje się, że powłoka cyny powinna mieć w stanie dostawy min. 0,8 µm, a nawet 0,9 µm grubości, aby spełnić wymagania lutowności [5, 6]. Wiąże się to z konsumpcją cyny podczas procesów starzeniowych, tj. tworzeniem się związków międzymetalicznych z miedzią Cu 6 Sn 5 i Cu 3 Sn, co powoduje zmniejszenie grubości lutownej cyny. Badanie lutowności przeprowadzono na dwóch rodzajach płytek: z polami lutowniczymi (rys. 1a) i z otworami o średnicy 0,8 mm (rys. 1b) z powłoką cyny immersyjnej, na podwarstwie organicznej o grubości 1,2...1,4 µm na polach lutowniczych i 0,8 do 1,1 µm w otworach. Wszystkie płytki badano przed i po narażeniu termicznym w piecu do lutowania rozpływowego na podczerwień, tj. po przejściu płytek jeden raz (1 IR) lub trzy razy (3 IR) przez tunel pieca, przy zastosowaniu profilu temperaturowo-czasowego z pikiem temperatury 217,8 C (rys. 2). Materiały do badań Badaniu poddano płytki drukowane o grubości 1,5 mm, wykonane ze szklano-epoksydowego laminatu FR-4, pokrytego dwustronnie folią miedzianą o grubości 18 µm, z pokryciem cyną immersyjną. Grubość cyny immersyjnej, jak wykazały badania, jest parametrem Rys. 1. Płytki drukowane do badań z powłoką cyny immersyjnej: a) na polu lutowniczym; b) w otworach Fig. 1. Test specimens with immersion tin coating: a) on solder pad; b) in through hole 14 Elektronika 8/2006

2 Rys. 2. Profil temperaturowo-czasowy pieca do lutowania rozpływowego w podczerwieni Fig. 2. Time-temperature characteristic of IR reflow oven Lutowność powłoki cynowej badano lutami bezołowiowymi SnAg i SnAgCu, których skład chemiczny oraz podstawowe właściwości przedstawiono w tab. 1. [7]. Właściwości użytego topnika wodnego (tzw. VOC-free) podano w tab. 2 [7]. Kryteria oceny lutowności płytek drukowanych z powłoką cyny immersyjnej Kryteria oceny pól lutowniczych Definicje, kryteria i wymagania lutowności pól lutowniczych są następujące: Maks. siła zwilżania P max [mn/m] jest obliczana na podstawie wzoru (1): P max = F max /L (1) gdzie: F max [mn] mierzona maksymalna siła zwilżania, L obwód zanurzanej metalowej części próbki. Czas zwilżania τ z [s], definiowany jako czas mierzony od chwili zetknięcia się próbki z ciekłym lutem do momentu, gdy kąt styczności między lutem i powierzchnią metalową płytki drukowanej jest równy 90 (na pd działa tylko siła wyporu, a stan niezwilżenia przechodzi w stan zwilżenia). Kąt zwilżania θ [ ] jest obliczany na podstawie wzoru (2): Metody badań lutowności powłoki cyny immersyjnej na pd Badanie lutowności pól lutowniczych Siłę, czas oraz kąt zwilżania pól lutowniczych stopami bezołowiowymi w obecności topnika wodnego mierzono metodą meniskograficzną (meniskograf MENISCO ST 60 firmy Metronelec, Francja) przy zachowaniu następujących warunków pomiaru: temperatura kąpieli lutu: 250 C oraz 50 C powyżej temperatury topnienia lutu (tab. 3), głębokość zanurzania w topniku: 10 mm, czas zanurzania w topniku: 5 s, głębokość zanurzenia w lucie: 3 mm, czas zanurzenia w lucie: 10 s, prędkość zanurzania i wyciągania z lutu: 21 mm/s. Badanie lutowności otworów W badaniach lutowności otworów z powłoką cynową zastosowano metodę zanurzania powierzchniowego [8]. Badaną próbkę zanurzano w topniku wodnym, odsączano jego nadmiar na bibule, a następnie umieszczano ją na powierzchni wanny lutowniczej z roztopionym stopem i przetrzymywano przez 5 s. Pomiary, podobnie jak dla pól lutowniczych, wykonywano w dwóch temperaturach: w 250 C i w wyższej, podanej w tab. 3. cos θ = (F + ρ V g)/ γ LV L (2) gdzie: F [mn] wynik pomiaru siły zwilżania, ρ [g/cm 3 ] ciężar właściwy roztopionego lutu w wannie, V [m 3 ] objętość zanurzonej próbki, g [m/s 2 ] przyspieszenie ziemskie, γ LV [mn/m] wartość napięcia międzyfazowego lutu w obecności topnika wodnego, L obwód zanurzanej metalowej części próbki. Wymagania lutowności pól lutowniczych zostały zaadaptowane z norm podanych w tab. 4 [8], [9]. Klasyfikację zwilżalności, opartą na pomiarze kąta zwilżania, przedstawiono w tab. 5 [10]. Na podstawie wymienionych wymagań do oceny lutowności pól lutowniczych pokrytych cyną immersyjną przyjęto następujące kryteria: Elektronika 8/

3 czas zwilżenia 2 s, maksymalna siła zwilżenia F w max 120 mn/m, kąt zwilżenia po 3 s θ Kryteria oceny otworów lutowniczych Ocenę lutowności otworów po próbie zanurzania powierzchniowego przeprowadzano wizualnie przez porównywanie z wzorcami lutownych/nielutownych otworów (rys. 3) [8]. Obliczono otwory lutowne i ich procentową zawartość w stosunku do całkowitej liczby otworów na płytce drukowanej i jako kryterium lutowności przyjęto, że liczba lutownych otworów przelotowych powinna wynosić min. 90%. Rys. 3. Wzorce lutownych/nielutownych otworów przelotowych Fig. 3. Patterns of solderable/non-solderable through holes Wyniki i dyskusja wyników Lutowność pól lutowniczych S i ł a z w i l ż a n i a Zależność maksymalnej siły zwilżania P max pól cynowanych od stanu powierzchni pól, temperatury pomiaru oraz rodzaju użytego stopu bezołowiowego przedstawiono na rys. 4. Należy podkreślić, że badane cynowane pola lutownicze spełniają kryterium lutowności dla maksymalnej siły zwilżania: P max 120 mn/m, zarówno przed, jak i po narażeniach termicznych. W temperaturze 250 C stopy trójskładnikowe SnAgCu wykazują większą siłę zwilżenia niż eutektyczny stop SnAg. Wiąże się to z wyższą temperaturą topnienia stopu SnAg. Podniesienie temperatury stopów w wannie lutowniczej spowodowało korzystny wzrost siły zwilżenia pól cynowanych w stanie dostawy i po jednokrotnym przejściu przez piec do lutowania rozpływowego w podczerwieni. Trzykrotne narażenie termiczne badanych powierzchni spowodowało niewielkie obniżenie i zróżnicowanie wartości siły zwilżenia w zależności od składu chemicznego stopu. Największe obniżenie, poniżej wartości siły zwilżenia dla stopu SnAg, zaobserwowano dla stopu trójskładnikowego o najwyższej zawartości srebra dla obu badanych temperatur, choć wartości P max nadal mieściły się w granicach wymagań. C z a s z w i l ż a n i a Wyniki czasu zwilżania pól cynowanych w zależności od stanu powierzchni, temperatury pomiaru oraz użytego stopu przedstawiono na rys. 5. Wszystkie badane pola lutownicze spełniają wymagania lutowności dla wszystkich stanów powierzchni cyny, rodzajów stopów i temperatur pomiarów: τ z 2 s. Najdłuższe czasy zwilżania zaobserwowano dla eutektycznego stopu SnAg w obu temperaturach pomiaru. Podwyższenie temperatury pomiaru wpływa korzystnie na obniżenie wartości czasu zwilżenia, zarówno dla pól świeżych, jak i narażonych termicznie. Trzykrotne przejście próbek przez piec IR w niewielkim stopniu wpłynęło na wydłużenie czasu zwilżenia. K ą t z w i l ż a n i a Rys. 4. P max cynowanych pól lutowniczych w zależności od rodzaju stopu i temperatury Fig. 4. Effect of lead-free alloy and temperature on wetting force P max of solder pads with immersion tin finish Kąty zwilżania badanych próbek są relatywnie wysokie (rys. 6), choć nadal mieszczą się w granicach wartości akceptowalnych (tab. 5). Wynika to z faktu, że stopy bezołowiowe charakteryzują się znacznie wyższymi napięciami powierzchniowymi niż dotychczas stosowane stopy SnPb. Obliczone wartości kątów zwilżenia dla powłok cynowych przed i po narażeniu termicznym, dla temperatury 16 Elektronika 8/2006

4 Rys. 5. Czas zwilżania τ z pól lutowniczych w zależności od rodzaju stopu i temperatur Fig. 5. Effect of lead-free alloy and temperature on wetting time τ z of solder pads with immersion tin finish Rys. 6. Kąt zwilżania θ pól lutowniczych w zależności od rodzaju stopu i temperatury Fig. 6. Effect of lead-free alloy and temperature on contact angle θ of solder pads with immersion tin finish próby 250 C są na granicy akceptowalności, szczególnie dla stopu SnAg i stopu trójskładnikowego o najwyższej, 4% zawartości srebra. Podwyższenie temperatury pomiaru korzystnie wpływa na obniżenie wartości kątów zwilżenia. Po narażeniu 3xIR zaobserwowano większe zróżnicowanie wartości kątów zwilżenia w zależności od składu stopu. Najlepsze wyniki uzyskano dla stopu trójskładnikowego z 3% zawartością srebra i 0,5% miedzi. Lutowność otworów Liczbę lutownych otworów cynowanych w zależności od stanu powierzchni, temperatury pomiaru oraz zastosowanego stopu, przedstawiono na rys. 7. Dla temperatury próby równej 250 C, powłoki cynowe w otworach nie spełniają kryterium lutowności. Liczba lutownych otworów w stanie dostawy waha się między 60 a 90%, a po narażeniach termicznych ulega dalszemu obniżeniu: po 1 IR %, a po 3 IR %. Podniesienie temperatury próby korzystnie wpływa na wzrost liczby lutownych otworów. Zarówno otwory w stanie dostawy, jak i po 1 IR i 3 IR spełniają wymagania lutowności powyżej 90% dla wszystkich badanych stopów trójskładnikowych SnAgCu. Jedynie dla stopu SnAg tylko 80% otworów jest lutownych, zatem dla tego stopu nie jest spełnione wymaganie lutowności otworów cynowanych. Napięcie powierzchniowe odpowiedzialne jest za zjawisko występowania sił kapilarnych, powodujących wędrówkę cieczy w cienkich, kapilarnych rurkach (np. w otworach płytek drukowanych) wbrew sile ciążenia. Jeżeli siły przylegania (adhezji) cząsteczek cieczy do ścianek włosowatej rurki są większe niż siły spójności cieczy (oddziaływań między cząsteczkami cieczy), wówczas tworzy się menisk wklęsły powiększa się powierzchnia cieczy (w stosunku do idealnie płaskiej) i rośnie energia powierzchniowa. Aby zapobiec temu energetycznie niekorzystnemu zjawisku, ciecz w rurce podnosi się, Elektronika 8/

5 próbując przywrócić płaski kształt powierzchni. Proces trwa tak długo, aż ciężar słupa cieczy zrównoważy siłę napięcia powierzchniowego. Dla cieczy o siłach spójności większych niż siły adhezji (np. dla lutów) następuje efekt odwrotny powstaje menisk wypukły i ciecz w kapilarze obniża swój poziom poniżej poziomu w naczyniu. Zatem im lut będzie miał wyższe napięcie powierzchniowe, tym na mniejszą wysokość będzie podnosił się w otworach lutowniczych, a więc gorzej będzie zwilżał otwory. Zjawisko występowania sił kapilarnych jest więc najprawdopodobniej odpowiedzialne za niespełnianie lutowności przez stop SnAg o najwyższym napięciu powierzchniowym spośród badanych. Rys. 7. Procentowa liczba lutownych otworów cynowanych w zależności od użytego stopu i temperatury Fig. 7. Effect of lead-free alloy and temperature on the percentage amount of solderable through holes with immersion tin finish Podsumowanie Badane pola lutownicze z powłoką cynową spełniają wymagania lutowności zarówno przed, jak i po narażeniach termiczych dla wszystkich badanych stopów bezołowiowych. Bardzo zbliżone wyniki otrzymano dla stopów SnAgCu o różnym składzie. Wyniki te były lepsze niż dla stopu SnAg. Podwyższenie temperatury próby z 250 C do temperatury C (w zależności od rodzaju stopu) korzystnie wpływa na podwyższenie wartości siły zwilżenia oraz obniżenie wartości czasu i kąta zwilżenia. Grubość powłoki cynowej na polach lutowniczych, wynosząca 1,1...1,4 µm, zapewnia lutowność tej powłoki nawet po trzykrotnym przepuszczeniu przez piec IR. Oznacza to, że taka powłoka wytrzyma wielokrotny proces lutowania, jak i naprawy. Otwory z powłoką cyny immersyjnej wykazują gorszą lutowność w stosunku do pól lutowniczych wobec stopów bezołowiowych. Wiąże się to z mniejszą grubością cyny w otworach (0,8...1,1 µm) niż na polach lutowniczych, a także ze zjawiskiem sił kapilarnych, zależnym od napięcia powierzchniowego stopu. Pomimo, że grubość powłoki cynowej w otworach w stanie dostawy mieściła się w zakresie wymaganego minimum, powłoka świeża, a tym bardziej powłoki narażone termicznie, nie spełniły wymagań lutowności w 250 C. Podniesienie temperatury próby o kilkanaście stopni radykalnie zmieniło sytuację, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury obniżeniu ulega napięcie powierzchniowe i wzrastają siły kapilarne: wszystkie otwory są lutowne wobec stopów SnAgCu. Tylko dla stopu SnAg, stopu o najwyższym napięciu powierzchniowym spośród badanych, otwory nadal nie spełniają kryterium lutowności. Do lutowania płytek drukowanych z powłoką cyny immersyjnej, przy zastosowaniu topnika wodnego, zaleca się stosowanie spoiwa trójskładnikowego SnAgCu o 3% zawartości srebra i 0,5% zawartości miedzi. Literatura [1] Morawska Z., Bukat, Kozioł G., Hackiewicz H.: Solderability preservative coatings: electroless Sn in comparison with conventional Sn/Pb surface finishes of PCB s. 35th International Conference on Microelectronics, Devices and Materials, Midem, Ljubliana, Slovenia, October 13 15, Proceedings, pp [2] Morawska Z., Kozioł G.: Lead-free: solderability coatings of PCB s. 23rd International Spring Seminar on Electronics Technology. Balatonfüred, Hungary, May 6 10, Proceedings pp [3] Morawska Z., Kozioł G.: Lead-free Solderability Coatings of PCB s. Advancing Microelectronics, vol. 28, no 3, May/June 2001, pp [4] Wessling B., Schröeder S.: Lead-free surface finishes a comparison of various alternatives with HASL/New developments in organic metal based immersion tin. IIIth Technical Conference Printed Circuit Boards. Dębe, Poland, , Elektronika, , s. 46. [5] Bukat K., Kozioł G., Sitek J., Borecki J., Hackiewicz H., Merkle H., Schröder S., Girulska A., Gardeła K.: PCBs with immerion tin finish some experiences with lead-free reflow peocess. Joint International Congress and Exhibition Electronic Goes Green 2004+, September 6 8, 2004, Berlin, Germany. Proceedings, pp [6] Araźna A.: Właściwości warstwy lutownej cyny immersyjnej stosowanej do lutowania bezołowiowego. Elektronika, , ss [7] Bukat K., Sitek J., Hozer L., Bulwith R.: Solderability Assessment of Pb-Free Alloys Using VOC-free flux. Global SMT& Packaging, vol. 2, no. 9, December 2002, pp [8] ANSI/J-STD-003, Solderability test for printed boards. April [9] NF A P, Brasage tendre, mesure de brasabilité au méniscographe, November [10] METRONELEC, Solderability tester for electronic application, the wetting balance, specyfikacja meniskografu MENISCO ST Elektronika 8/2006