PROEKOLOGICZNA TECHNOLOGIA WYTWARZANIA PŁYTEK DRUKOWANYCH

I Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna EKOLOGIA W ELEKTRONICE Przemysłowy Instytut Elektroniki Warszawa, 16-17.10.2000 PROEKOLOGICZNA TECHNOLOGIA WYTWARZANIA PŁYTEK DRUKOWANYCH Grażyna KOZIOŁ, Ewa MAŁCZYŃSKA-PAŹ, Zofia MORAWSKA, Józef GROMEK Instytut Tele- i Radiotechniczny 03-450 Warszawa, ul. Ratuszowa 11 tel. 619 01 64, e-mail: gkoziol@itr.org.pl Kierunki zmian w technologii wytwarzania płytek drukowanych związane są z rozwojem elektroniki (miniaturyzacja sprzętu, wysoka precyzja i niezawodność) obniżaniem kosztów produkcji oraz ze wzrastającymi wymaganiami ochrony środowiska. Przykładem jest wprowadzanie nowych procesów nakładania lutownych materiałów zabezpieczających powierzchnie miedzi. Nowe powłoki ochronne nie zawierają ołowiu, a doskonale płaskie powierzchnie pól lutowniczych są odpowiednie do różnych technologii montażu podzespołów o dużej skali integracji w wielowyprowadzeniowych obudowach. 1. WPROWADZENIE Rozwój technologii wytwarzania płytek drukowanych jest silnie związany ze zmianami w przemyśle elektronicznym, które widoczne są jako stała tendencja do miniaturyzowania nowych wyrobów (telefony komórkowe, karty pamięci, pagery, kamery cyfrowe). Trend ten spowodował, że w przemyśle półprzewodnikowym nastąpiła ewolucja obudów układów scalonych dużej i bardzo dużej skali integracji oraz metod ich montażu. Montaż układów o bardzo dużej ilości wyprowadzeń z małym rastrem rozstawienia wymaga znacznej równomierności struktury warstwowej na powierzchni płytki drukowanej. Ogranicza to zastosowanie konwencjonalnych metod nanoszenia pokryć zabezpieczających lutowność miedzi na bazie stopu Sn/Pb i wymaga zmiany procesu technologicznego wytwarzania wysokoprecyzyjnych i niezawodnych płytek drukowanych. Rozpatrując kierunki zmian w technologii należy także uwzględnić wzrastające wyma- 83

gania ochrony środowiska oraz konieczność dostosowania prawa polskiego do dyrektyw Unii Europejskiej (UE) zwłaszcza wobec perspektywy dołączenia Polski do krajów tworzących UE. Projekt dyrektywy Unii Europejskiej z kwietnia 1998 roku przewiduje zakaz stosowania ołowiu w elektronice od stycznia 2004 roku. W technologii wytwarzania płytek drukowanych ołów w postaci stopu Sn/Pb jest powszechnie stosowany zarówno w operacjach wytwarzania mozaiki przewodzącej jak i procesach zabezpieczania lutowność pól lutowniczych. W oparciu o przedstawione uwarunkowania w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym prowadzone są prace nad opracowaniem i wdrożeniem proekologicznej technologii wytwarzania płytek drukowanych odpowiadającej zwiększającym się wymaganiom odbiorców płytek. Podstawowym celem prac jest wyeliminowanie stopu Sn/Pb jako rezystu w procesie trawienia, kąpieli galwanicznych zawierających fluoroborany oraz wprowadzenie nowych procesów nakładania bezołowiowych materiałów do zabezpieczania pół lutowniczych. 2. LUTOWNE POKRYCIA OCHRONNE POWIERZCHNI MIEDZI W technologii płytek drukowanych można wyodrębnić etap wytwarzania struktury warstwowej obwodów drukowanych (mozaika przewodząca) oraz etap nakładania lutownej powłoki zabezpieczającej powierzchnię miedzi przed utlenianiem w czasie przechowywania płytek oraz w trakcie montażu elementów elektronicznych [1]. Ogólny schemat procesów technologicznych wytwarzania dwustronnych płytek drukowanych metodą konwencjonalną i metodą tentingu przestawiono na rys.1. W konwencjonalnej, subtraktywnej metodzie wytwarzania płytek drukowanych na powierzchnię miedzi mozaiki przewodzącej nanosi się selektywnie stop Sn/Pb, który stanowi maskę ochronną w procesie trawienia. Powłoka stopu o grubości 6-8µm jest nakładana galwanicznie z kąpieli, których podstawowymi składnikami są fluoroboran ołowiu(ii), fluoroboran cyny(ii) oraz kwas fluoroborowy. Po procesie trawienia, w dalszej części procesu technologicznego stop Sn/Pb jest usuwany, a na powierzchni miedzi nakładana jest inna powłoka ochronna. W starszych technologiach stop Sn/Pb nie jest usuwany i po operacji przywrócenia lutowności oraz przetopieniu spełnia rolę lutownego pokrycia mozaiki. Alternatywną techniką wytwarzania mozaiki jest metoda tentingu, w której maską ochronną w procesie trawienia jest fotopolimer. Po zdjęciu fotopolimeru otrzymujemy miedzianą mozaikę przewodzącą. Powierzchnia miedzi łatwo ulega korozji-utlenianiu i staje się nielutowna, dlatego na pola lutownicze nakładane są powłoki ochronne, które zapewniają lutowność miedzi w trakcie montażu nawet po dłuższym czasie przechowywania płytek. Technologia wytwarzania mozaiki metodą tentingu w połączeniu ze stosowaniem powłok ochronnych nie zawierających ołowiu jest uzasadniona ze względów ekonomicznych i ekologicznych. Jej stosowanie jest jednak ograniczone szczególnie dla płytek wysokoprecyzyjnych ze względu na duże podtrawienia ścieżek w procesie trawienia. Technologia ta wymaga stosowania laminatów z cienką folią miedzianą (5-9µm) oraz fotopolimerów o wysokiej rozdzielczości, odpornych na alkaliczne roztwory trawiące. 84

Operacje wstępne: wykonanie dokumentacji, wiercenie miedziowanie chemiczne i elektrochemiczne nałożenie fotopolimeru i przeniesienie mozaiki miedziowanie elektrochemiczne II, nakładanie stopu Sn/Pb trawienie zdejmowanie fotopolimeru zdjêcie fotopolimeru zdjêcie stopu Sn/Pb przywrócenie lutownoœci wykonanie maski przeciwlutowej selektywne nakładanie powłoki ochronnej Sn/Pb-HASL; Sn; Ni/Au; Pd; OSP przetopienie wykonanie maski przeciwlutowej metoda tentingu metoda klasyczna Rys.1. Ogólny schemat procesów technologicznych wytwarzania dwustronnych płytek drukowanych metodą konwencjonalną i metodą tentingu W procesie zabezpieczania lutowności miedzi stosuje się różne materiały. Najczęściej są to metale odznaczające się naturalna odpornością na korozję, zachowujące jednocześnie dobrą zwilżalność przez stop lutowniczy Sn/Pb. Są to przede wszystkim: stop Sn/Pb, Ni/Au, Au, Ag, Pd, Sn [2,3]. Oprócz powłok metalicznych coraz częściej stosowane są powłoki organiczne. 2.1. Metaliczne powłoki ochronne Jak dotychczas, najpowszechniej stosowanym pokryciem powierzchni miedzi jest stop Sn/Pb. Wynika to z faktu, że stop Sn/Pb jest używany również do lutowania podzespołów elektronicznych. Zapewnia to kompatybilność z lutowiem i dobrą ochronę przed korozją. Stop Sn/Pb można nakładać galwanicznie, przy czym wymagane jest późniejsze przetapianie warstwy Sn/Pb oraz z fazy ciekłej - technologia HASL (HOT AIR SOLDER LEVELLING). W metodzie HASL w czasie zanurzania pionowego płytki w ciekłym lutowiu osadzana jest powłoka stopu Sn/Pb, a następnie w trakcie wyjmowania płytki nadmuch gorącego powietrza usuwa nadmiar lutu z pól lutowniczych [1,2]. Powoduje to, że często pokrycie ma kształt czaszy. Grubość pokrycia może się zmieniać od 1µm do 20 µm. Horyzontalny wariant HASL pozwala zminimalizować to zjawisko, wiąże się to jednak z wprowadzaniem nowych kosztownych urządzeń. Metoda HASL ma szereg wad m.in. są to: - praca ze stopionym lutowiem zawierającym szkodliwy ołów, - brak płaskości pól lutowniczych, 85

- termiczny szok jakiemu podlegają płytki w czasie zanurzania w stopionym lutowiu, - konieczność dokładnej kontroli poziomu zanieczyszczeń lutowia (np. Cu), - powstawanie żużla a więc zwiększone zużycie stopu, - obniżanie lutowności, na skutek zwiększania się grubości warstwy międzymetalicznej (związki Cu 3 Sn i Cu 6 Sn 5 ) w trakcie przechowywania, szczególnie ze wzrostem temperatury. Alternatywne powłoki metaliczne do pokryć Sn/Pb nakładanych metodą HASL są to warstwy nakładane w metodami chemicznego osadzania np. cienkie warstwy cyny, Ni/Au, Au, Ag, Pd. Powłoki te odznaczają się bardzo dobrą lutownością i odpornością na korozję oraz płaskością pól lutowniczych. Jednak ze względu na koszt nakładania (w większości wyższy niż dla Sn/Pb-HASL) wydaje się, że szersze zastosowanie mogą znaleźć powłoki cynowe. Pokrycia cynowe można wytwarzać w konwencjonalnym procesie produkcji płytek, tzn. cynować chemicznie, galwanicznie oraz nakładać cynę w stanie ciekłym. Powierzchnia miedzi zabezpieczona pokryciem cynowym wykazuje dobrą zdolność do lutowania, jest płaska, ma dość długi czas magazynowania i jest kompatybilna z wieloma lutami oraz topnikami o niskiej aktywności i no clean [4,5]. Pozwala na łatwy montaż powierzchniowy elementów z dużą liczbą końcówek np. BGA. Pokrycia cynowe mają jednak szereg wad, przede wszystkim jest to tendencja do tworzenia dendrytów w postaci kryształów nitkowych oraz powstawanie kruchych związków międzymetalicznych Cu 3 Sn i Cu 6 Sn 5. W czasie przechowywania warstwa zabezpieczająca pokrywa się ponadto tlenkami SnO i SnO 2. Szybkość wzrostu grubości warstwy międzymetalicznej i warstwy tlenkowej zależy od warunków przechowywania i jest kluczowym zagadnieniem określającym dopuszczalny czas przechowywania płytek zabezpieczonych pokryciami cynowymi [6]. Ze względu na zalety jakie mają powłoki cynowe stale prowadzone są prace nad wprowadzaniem coraz to nowszych technologii cynowania, które eliminowały by, lub przynajmniej minimalizowały powyższe wady. Technologie te oparte są na stosowaniu organicznych związków (np. tiomocznika), które powodują zmianę potencjału osadzania cyny lub na wprowadzaniu organo-metalicznych związków, które tworzą barierę ochronną pomiędzy miedzią a cyną. Organiczne dodatki modyfikują również właściwości powłok cyny. Spośród wielu nowych technologii cynowania na uwagę zasługują dwa najbardziej charakterystyczne procesy - cynowania chemicznego i proces Ormercon. W procesach cynowania chemicznego np. Unicron, Stannostar GME bezpośrednio na powierzchnie miedzi osadzane są powłoki cyny o grubości od 0,3 do 1,1 µm. Pokrycia te można stosować do płytek giętkich. Długość życia kąpieli jest ograniczona zawartością miedzi, która narasta wraz ze stosowaniem kąpieli. Proces ORMERCON- jest to proces dwuetapowy, w którym stosowany jest specjalny organiczny związek o metalicznych własnościach [7]. Cienka warstwa tego związku o grubości ok. 80 nm, osadzana bezpośrednio na powierzchni miedzi chroni ją przed utlenianiem i stanowi barierę do tworzenia związków międzymetalicznych z warstwą cyny nakładaną w drugiej części procesu. Warstwa organiczna zapobiega szybkiemu wzrostowi stężenia miedzi w kąpieli do cynowania, co zwiększa wydajność kąpieli. 2.2. Organiczne lutowne powłoki ochronne (OSP) Organiczne lutowne powłoki ochronne (Organic Solderability Preservative) znajdują coraz większe zastosowanie ze względu na stosunkowo niski koszt pokrycia, prosty 86

sposób nakładania (zanurzanie do roztworów, temperatura procesu ok. 50 C) oraz brak metalicznych odpadów poprodukcyjnych. Jako OSP są stosowane związki chemiczne typu pochodnych azoli (należą do nich: benzotriazole, benzimidazole, triazole, aryloimidazole) [8]. Związki te reagują z miedzią tworząc na jej powierzchni szczelną warstwę ochronną. Powłoki OSP mogą osadzać się w postaci jednocząsteczkowej warstwy na powierzchniach pokrytych innymi powłokami metalicznymi np. Au, Ag i Pd. Powłoka OSP nie wpływa jednak na własności tych warstw, ponadto jest łatwo usuwana w procesie montażu. Inne powłoki metaliczne, szczególnie Ni, mogą być rozpuszczane w roztworach stosowanych w technologii OSP, dlatego powierzchnie te wymagają uprzedniego zabezpieczenia. Powłoki organiczne nie osadzają się na węglowych pokryciach styków kontaktowych wykonanych bezpośrednio na obwodzie drukowanym. Powłoki OSP ze względu na płaskość powierzchni mogą być stosowane technologiach montażu powierzchniowego, wykazują większa wytrzymałość połączenia niż w technologii HASL, dają możliwość łatwiejszego pozycjonowanie elementów (kontroli) ich zaletą jest również to, że lutowanie przebiega bezpośrednio do powierzchni miedzi. Wadą powłok organicznych jest ich podatność na mechaniczne uszkodzenia i niska odporność na narażenia termiczne. 2.3. Metody oceny powłok ochronnych Przedstawiona charakterystyka bezołowiowych powłok ochronnych wskazuje, że wszystkie materiały oprócz zalet mają pewne wady. Wybór optymalnego dla danego zakładu pokrycia ochronnego należy poprzedzić badaniami jakości powłok ochronnych, uwzględniając, że zadaniem tych powłok jest nie tylko zachowanie lutowności płytek w czasie przechowywania ale także w procesie montażu. Oznacza to, że powinny one charakteryzować się dobrą zwilżalnością przez stop lutowniczy oraz gwarantować utworzenie połączeń lutowniczych o wysokiej niezawodności. W ITR oceny powłok ochronnych dokonywano na podstawie następujących badań: lutowności pól lutowniczych metodą meniskograficzną lutowności otworów w procesie lutowania na fali w warunkach technologicznych na agregacie lutowniczym rezystancji powierzchniowej izolacji (SIR) wytrzymałości otrzymanego połączenia lutowniczego stopnia utlenienia miedzi pod warstwą OSP W badaniach nad oceną jakości powłok uwzględniano narażenia jakim płytki mogą być poddawane w czasie przechowywania i montażu, szczególnie gdy na płytkach montowane są elementy wymagające stosowania różnych technik montażu. Przyjęto założenie, że powłoki ochronne powinny charakteryzować się wysoką lutownością po następujących narażeniach: temperaturowym - ogrzewanie 4 godziny w temperaturze 155 C, narażeniu na IR - przejście przez tunel IR: 1-, 2- i 3-krotne, próbie wilgotnego gorąca, próba Ca - temp. 40 C, wilgotność względna, czas 4 doby, starzeniu naturalnemu - przechowywanie przez 6 miesięcy. Poniżej przedstawiono wybrane wyniki badań wykonanych dla powłok: Ormecon CSN i Entek Plus. 87

2.3.1. Badania lutowności Jest to dynamiczna metoda pozwalająca na obserwację kinetyki procesu zwilżania badanej powierzchni przez ciekły lut w obecności topnika. Kryteriami oceny według normy ANSI/J-STD-003 [9] są: czas zwilżania (dopuszczalna wartość 2s); maksymalna siła zwilżania (dopuszczalna wartość 120 mn/m) oraz jakość i stopień pokrycia lutem powierzchni zanurzanej w kąpieli lutowniczej (dopuszczalne odwilżenie <5%). Przykładowe wyniki badań lutowności przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Rodzaj powłoki Stan płytek τ z [s] P max [mn/m] Cu bez pokrycia bezpośrednio poczyszczeniu mechanicznym 0,69 184 chemiczna, w stanie dostawy 0,51 251 matowa Sn po 1X przejście przez piec IR 0,54 218 Ormecon CSN po 4 h w temp.155 C (Ba) 0,69 131 po 10 dniach w temp. 40 C, RH 93% (Ca) 0,94 134 po 3 miesiącach naturalnego starzenia 0,77 148 OSP w stanie dostawy 0,55 266 Entek Plus po 1X przejście przez piec IR 0,84 246 po 4 h w temp.155 C (Ba) -448 po 10 dniach w temp. 40 C, RH 93% (Ca) 0,81 195 po 3 miesiącach naturalnego starzenia 0,55 265 Prezentowane wyniki wskazują, że powłoki cyny Ormecon wykazywały dobrą lutowność w stanie dostawy i po narażeniach, powłoka OSP Entek Plus nie jest odporna na długoterminowe działanie wysokiej temperatury. 2.3.2. Badania SIR Badanie SIR pozwala na sprawdzenie czy i w jaki sposób poszczególne technologie nakładania warstw zabezpieczających lutowność płytek wpływają na bardzo istotny parametr jakim jest rezystancja powierzchniowa izolacji. Według wymagań ANSI [11] płytka testowa spełnia wymagania, jeżeli po 96h i 168 h narażeń w komorze wilgoci wartość SIR wynosi co najmniej 100MΩ. Wykonane w ITR badania wykazały, że zarówno technologia Ormecon jak i Entek Plus nie ma ujemnego wpływu na SIR płytek. 2.3.3. Badania wytrzymałości połączeń Badaniom wytrzymałości na ścinanie poddano połączenie lutowane rezystorów w obudowie 1206 przylutowanych do płytek testowych pokrytych badanymi powłokami. Próbę prowadzono aż do zniszczenia połączenia. Szybkość narastania siły była stała i wynosiła 20 N/s. Kryterium oceny wytrzymałości w tej metodzie była wartość siły ścinania, wyniki przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2 Rodzaj powłoki Wytrzymałość na ścinanie [N] po lutowaniu rozpływowym IR po narażeniu 145 C, 220 h Ormecon CSN 83,9 76,7 Entek Plus 95,7 89,2 88

Wytrzymałość połączeń lutowanych w stanie dostawy była bardzo dobra, niezależnie od rodzaju powłoki. Po narażeniach wytrzymałość połączeń obniżała się o ok. 6-8%. 2.3.4. Badania stopnia utlenienia miedzi Zastosowano elektrochemiczna metodę redukcji tlenków miedzi w buforze boranowym z potencjostatem jako źródłem prądu [12]. Jako miarę stopnia utlenienia miedzi przyjęto ładunek zużyty podczas redukcji tlenku. Na rys.2 przedstawiono przykładową krzywą woltamperometryczną procesów redukcji miedzi na płytkach zabezpieczonych powłoką Entek. Powłoka OSP tym lepiej chroni powierzchnię miedzi im mniejsza ilość tlenków powstaje, a więc im pole pod krzywą 1 jest mniejsze. 0,45 0,36 - I[mA] 0,27 0,18 1 2 0,09 0 200 400 600 800 1000 1200 -E/NEK [mv] Rys.2. Krzywe woltamperometryczne procesów redukcji na powierzchni miedzi pokrytej powłoką OSP- Entek Plus. 1- krzywa dla powierzchni utlenionej, 2- krzywa dla powierzchni po redukcji 3. PODSUMOWANIE Wprowadzanie nowych technologii zabezpieczania lutowności płytek drukowanych dostosowanych do technik montażu podzespołów o dużej skali integracji powinno być poprzedzone badaniami jakości powłok. Badania te pozwalają na ocenę wpływu narażeń jakim podlegają płytki w czasie przechowywania i montażu na własności powłok ochronnych, a więc pozwalają na dobór optymalnej technologii zabezpieczania lutowności płytek drukowanych. LITERATURA 1. Michalski J.: Technologia i montaż płytek drukowanych, WNT, Warszawa 1992. 2. Vianco T.: An overview of surface finishes and their role in printed circuit board solderability and solder joint performance, Circuit Wordd, vol.25, nr.1, str.6-24, 1998. 3. Burkhart A.: Recent developments. Taking a closer look at solderable surface finishes, PC Fab vol.21, nr.8, str. 18-21, 1998. 4. Zhang J., Chen C.H.: An alternative Surface finish for tin-lead Solders, Plating and Surface Finishing, nr.6, str 105-11, 1998. 5. Edgar R.: Immersion white tin, PC Fab, vol.20, nr.12, str.38-41, 1998. 6. Batteux X.: The ideal solderable finish, materiały konferencji EPC, Wiesbaden, 1998, str.12.1.1-12.1.5. 89

7. Wessling B.: Use of organic metal to enhance the operating window and solderability of immersion tin, Circuit World, vol.25, nr.4, str.8-16, 1999. 8. Carano M.: OSP evolution, PCB, vol.20, nr.7, str 28-31, 1997. 9. ANSI/J-J-STD-003: Solderability Test for Printed Boards, April 1992. 10. Ellis B,: On insulation resistance, Circiut World, vol.21, nr.2, str 5-9, 1995. 11. ANSI/J-STD-004: Requirements for Soldering Fluxes, April, 1992. 12. D. Prusinowska, J. Bieliñski, E. Gregorek, Elektronika, Nr 11, 13, 1998 THE ENVIRONMENTALLY FRIENDLY TECHNOLOGY OF PRINTED CIRCUIT BOARDS DEVELOPMENT The directors of the printed boards development technology modifications are connected with the electronics industry advances, lowering the production costs and with increasing environment protection needs. Technical considerations include large integration-scale components which needed ideally flat soldering pads. Traditional materials used for protection of the copper surface on the boards and technologies connected with this process do not meet those expectations. Furthermore, the most commonly used Sn/Pb alloy coating contains a toxic metal - lead, usage of which will be forbidden after 2004. This paper presents new finishing materials (metallic coating and organic solderability preservatives) and tests useful for evaluating the new protective finishing quality. Results of these tests allow statement of the influence which the boards are subject to during storage and mounting on the properties of the protective finishes. They make possible the choice of an optimal printed board soldering protection technology. 90