Иммерсионное серебрение — процесс получения финишного покрытия в результате осаждения тонкого слоя серебра на медную поверхность проводников печатных плат без применения внешнего источника тока. Иммерсионный процесс состоит в реакции замещения более отрицательного металла, т. е. меди, другим металлом, находящимся в растворе, — серебром. Процесс нанесения финишного покрытия иммерсионным серебром имеет ряд преимуществ перед другими процессами нанесения финишных покрытий:покрытия иммерсионного серебра характеризуются высокой компланарностью:
- изменение толщины по всей поверхности проводника не превышает ±5%;
- покрытия иммерсионного серебра обладают отличной паяемостью и совместимы практически со всеми флюсами и паяльными пастами;
- в процессе пайки образуются надежные соединения медных проводников с BGA-компонентами;
- отсутствует дефект типа «черная контактная площадка»;
- возможность легкой идентификации прокрываемости медной поверхности;
- незначительные затраты на осуществление процесса.
Толщина покрытия иммерсионным серебром составляет 0,1–0,4 мкм, что в 10–20 раз меньше, чем толщина покрытия традиционным гальваническим серебром. Однако столь тонкого слоя достаточно для обеспечения длительной защиты элементов печатной платы от коррозии и последующей высокой паяемости. Как во всех иммерсионных процессах, осаждение прекращается при замещении поверхности осаждаемым металлом. Таким образом, на все участки поверхности основания будет обязательно нанесено серебро, пока они открыты для реакции замещения.
Технологический процесс нанесения иммерсионного серебра состоит из четырех основных этапов.
- Кислотная очистка — используется для эффективной очистки поверхности от органических загрязнений и окислов, позволяет провести мягкую обработку поверхности без щелочных растворов.
- Микротравление — обеспечивает формирование равномерной шероховатости поверхности меди для создания максимальной адгезии последующего слоя.
- Декапирование — гарантирует очищение поверхности от окислов и подготавливает поверхность перед осаждением иммерсионного серебра.
- Иммерсионное серебрение — непосредственно обеспечивает создание финишного покрытия иммерсионным серебром на печатной плате.
Данные стадии сопровождаются тщательной промывкой проточной водой не ниже II категории.
Помимо множества составляющих, раствор иммерсионного серебрения содержит три основных компонента, обеспечивающих стабильность процесса и равномерное протекание осаждения: комплексообразователь, серебро, кислота (для поддержания необходимого значения рН). Для определения оптимальных концентраций были проведены исследования по зависимости скорости осаждения и структуры осажденного покрытия от концентрации комплексообразователя, серебра и уровня рН.
Рис. 1. Зависимость скорости осаждения серебра от концентрации комплексообразователя: 60, 80, 100, 120 г/л
Исследования, определяющие оптимальную концентрацию комплексообразователя, проводились при следующих условиях: концентрация серебра 1,5 г/л (по металлу); уровень рН 2,8; температура +25 °C, качание с амплитудой 15–20 мм и частотой покачивания 25 кач./мин. В силу малой величины толщина серебряного покрытия измерялась при помощи рентгено-флуоресцентного анализа (РФА) на приборе Fischerscope X-Ray XDVSDD. Результаты исследований представлены на диаграммах рис. 1.
При пониженных концентрациях комплексообразователя (60–80 г/л) процесс восстановления серебра на медной поверхности облегчен, и осаждение идет стремительно, толщина при таких условиях достигает 1 мкм. В отечественных нормативных документах на печатные платы толщина иммерсионных покрытий не регламентируется. В обновленном стандарте IPC-4553 A «Спецификация на покрытие контактных площадок печатных плат иммерсионным серебром» (2009 г.) толщина иммерсионного серебряного покрытия установлена 0,12–0,4 мкм [2].
При концентрациях комплексообразователя 100–120 г/л процесс осаждения серебра протекает стабильнее. В течение первых 5 мин идет активное осаждение серебра с постоянной скоростью, затем скорость замедляется, и спустя 10 мин от начала процесса осаждение прекращается, а толщина иммерсионного серебра остается постоянной и не превышает 0,4–0,5 мкм. За счет более контролируемой реакции замещения структура иммерсионного серебряного покрытия плотно скомпонована (рис. 2).
Определение влияния концентрации серебра проводилось при следующих условиях: концентрация комплексообразователя 100 г/л; уровень рН 2,8; температура +25 °C, качание с амплитудой 15–20 мм и частотой покачивания 25 кач./мин. Результаты исследований представлены на диаграммах рис. 3.
При увеличении концентрации серебра повышается скорость процесса осаждения, что приводит так же, как и при малом количестве комплексообразователя, к толщине покрытия свыше 0,5 мкм. Как видно из диаграммы рис. 3, оптимальная концентрация серебра в растворе иммерсионного серебрения составляет 1,5 г/л (по металлу), при данном значении формируется качественное высокоплотное покрытие.
Рис. 3. Зависимость скорости осаждения от концентрации серебра: 1,5; 5; 10 г/л
Образующийся комплекс серебра в растворе иммерсионного серебрения стабилен в диапазоне 1,6–3 рН. Для того чтобы определить, насколько влияет уровень рН, были зафиксированы следующие параметры: концентрация комплексообразователя 100 г/л; концентрация серебра 1,5 г/л; температура +25 °C, качание с амплитудой 15–20 мм и частотой покачивания 25 кач./мин. Результаты зависимости скорости осаждения от уровня рН представлены на диаграммах рис. 4.
Уровень рН незначительно влияет на скорость осаждения, при уменьшении значения рН снижается скорость; при значении рН 1,6 толщина иммерсионного серебра достигает 0,2 мкм. Для ускорения процесса следует поддерживать оптимальный диапазон рН 2,4–2,6.
Таким образом, оптимальными значениями процесса иммерсионного осаждения серебра являются: концентрация комплексобразователя 100–120 г/л, концентрация серебра 1,5 г/л, уровень рН 2,4–2,8.
Рис. 4. Зависимость скорости осаждения от уровня рН: 1,6; 2; 2,4; 2,8
Как правило, в атмосфере промышленного цеха нанесенное незащищенное серебряное покрытие склонно к быстрому потемнению из-за возникновения на поверхности сульфидных пленок. Для предупреждения данного явления компанией ООО «СПбЦ «ЭЛМА» разработан процесс органического защитного покрытия серебра ОЗП-910.
Процесс ОЗП-910 используется для нанесения органического покрытия, предназначенного для консервации и защиты серебряной поверхности печатных плат от окисления при длительном хранении перед монтажом.
Нанесение ОЗП производится химическим способом путем погружения в водный раствор, содержащий органические ингибиторы. На поверхности серебряного покрытия создается тонкий слой прозрачного органического защитного покрытия.
Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 20.57.406-81 [3] методом 301-3, применяемым для определения влияния сероводорода на свойства изделий с контактами из серебра и его сплавов. Методика испытания: образцы с нанесенным иммерсионным серебром помещаются в испытательную камеру со следующими режимами:
- концентрация сероводорода (массовая): 0,015–0,022 г/м3;
- температура: +25 °C;
- относительная влажность: 75%.
Время выхода на режим испытаний не более 3 ч после размещения образцов в камере. Продолжительность выдержки составляет 4 сут. После испытания проводится визуальный осмотр образцов и поверхности при помощи микроскопа.
Испытания выполнялись для образцов печатных плат с незащищенным иммерсионным покрытием серебра и с нанесенным ОЗП на серебряное покрытие.
Результаты коррозионных испытаний в среде сероводорода показаны на рис. 5, 6.
После четырех суток ускоренных испытаний в среде сероводорода серебряная поверхность образца без ОЗП покрылась темной сульфидной пленкой. Поверхность образца, защищенного ОЗП, осталась без изменений, без следов сульфидных образований.
Печатные платы с незащищенным иммерсионным серебряным покрытием рекомендуется хранить в вакуумной упаковке, упаковочный и прокладочный материал не должен содержать в своем составе серосодержащих соединений. Органическое защитное покрытие ОЗП-910 значительно увеличивает срок хранения печатных плат перед монтажом — с 6 до 12–18 месяцев при выполнении условий хранения, указанных выше.
Испытания на паяемость проводились по ГОСТ 23752.1-92 п. 8.2.3 [4]. Методика испытания: на образец печатной платы со сквозными отверстиями и иммерсионным серебряным покрытием равномерно наносится флюс, при помощи электропаяльника пропаивается отверстие припоем ПОС-61; время контакта составляет 2–3 с; количество испытуемых отверстий составляет 5 штук. Проводится визуальный осмотр нижней и верхней стороны печатной платы на качество пайки отверстия, выполняется микрошлиф отверстия для детального исследования заполняемости припоя. Испытания на паяемость осуществлялись для образцов печатных плат с незащищенным иммерсионным покрытием серебра и с нанесенным на серебряное покрытие ОЗП.
Для испытаний использовалось два флюса: флюс спирто-канифольный (ФСК) и флюс ФПИК-02 производства ООО «СПбЦ «ЭЛМА».
Фотографии с результатами испытаний на паяемость представлены в таблице.
| Флюс ФПИК-02 | Флюс спирто-канифольный | |
| ДО коррозионных испытаний в среде H2S | ||
| Без ОЗП |
Верхняя сторона
|
Верхняя сторона
|
|
Нижняя сторона
|
Нижняя сторона
|
|
| С ОЗП |
Верхняя сторона
|
Верхняя сторона
|
|
Нижняя сторона
|
Нижняя сторона
|
|
| ПОСЛЕ коррозионных испытаний в среде H2S | ||
| Без ОЗП |
Верхняя сторона
|
Верхняя сторона
|
| С ОЗП |
Верхняя сторона
|
Верхняя сторона
|
|
Нижняя сторона
|
Нижняя сторона
|
|
По результатам данных испытаний можно сделать следующие заключения: органическое защитное покрытие не ухудшает качество пайки; флюс ФПИК-02 по сравнению с ФСК обладает большей эффективностью, поскольку заполняемость припоя выше; после коррозионных испытаний в среде H2S поверхность серебра, не защищенная ОЗП, практически не смачивается припоем, тогда как при использовании ОЗП серебряная поверхность сохраняет изначальную паяемость.
Один из распространенных дефектов финишного покрытия — возникновение так называемых микропустот, которые находятся на стыке паяного соединения и подложки над любым интерметаллическим слоем. Образуя планарную группу «пустых пузырьков» в паяном соединении, они значительно ослабляют его прочность [5]. Для обнаружения данного дефекта были выполнены микрошлифы паяных соединений и при помощи микроскопа получены микрофотографии при увеличении х50 (рис. 7–10).
Микрошлифы паяных соединений при использовании флюсов ФПИК-02 и ФСК с нанесенным финишным покрытием иммерсионного серебра с защищенным ОЗП и без ОЗП не выявили такого дефекта, как микропустоты.
Для растворов, покрытия из которых наносятся иммерсионным и химическим методом, важной характеристикой является количество циклов МТО (metal turnovers) — циклов полной замены исходного металла в растворе в результате корректировок. Количество циклов МТО определяет ресурс жизнеспособности
раствора.
Для уточнения количества циклов МТО раствора для иммерсионного серебрения были сымитированы реальные условия нанесения серебряного покрытия на образцы заготовок печатных плат. Корректировка осуществлялась при снижении концентрации серебра в растворе более чем на 10%. Режим осаждения проводился при стандартных условиях, время осаждения составляло 5 мин, что соответствует толщине иммерсионного слоя серебра (0,35 ±0,05) мкм. После каждого цикла МТО измерялась толщина при помощи РФА. Результаты проведенных испытаний представлены на рис. 11.
Раствор иммерсионного серебрения процесса СФИН-1500 позволяет наносить качественное серебряное покрытие без изменения скорости осаждения не менее 6 циклов МТО при условии поддержания количества серебра в растворе ±10% от исходной концентрации.
Рис. 11. Зависимость толщины серебряного покрытия от количества пропущенных циклов МТО
Электрохимическая миграция проявляется в виде проводящих металлизированных «мостиков» между проводниками, когда они находятся под действием электрического поля, вызванного постоянным током. Эти мостики растут от положительно заряженного проводника (анода) в направлении отрицательно заряженного (катода), что, в конце концов, приводит к короткому замыканию между ними. Проводящие мостики обычно имеют древовидную форму дендритов. Такие дендриты формируются на любой поверхности при наличии ионных остатков, электрического поля и конденсации влаги [6]. В результате электрохимической миграции происходит гальваническое восстановление ионов металлов. Ионные загрязнения в сочетании с водой формируют локальные источники кислоты, которая растворяет ионы металлов. Под воздействием электрического потенциала ионы металла мигрируют между проводниками по изолирующему покрытию платы, образуя на своем пути металлические нити.
Для возникновения электрокоррозии и утечек тока должны присутствовать три фактора:
- электрический потенциал между двумя точками;
- наличие воды или водяного пара;
- ионные загрязнения.
Чем больше напряжение в цепях и значительнее степень загрязнения — тем выше риск возникновения коррозии [6].
Вследствие возникших опасений, касающихся сбоев и отказов электронного оборудования в результате электрохимической миграции толстого слоя чистого электролитического серебра, компания Underwriters Laboratories ввела ограничение на использование серебра в высокоэнергетической электронике. Группа субъектов отрасли, участвовавшая в выполнении процессов компании UL, сформировала специальный комитет для расследования ситуации. Позже группа стала называться Рабочей группой сбора данных по металлическому покрытию IPC 3-11g и сотрудничала с компанией UL, приступив в конце 2001 года к рассмотрению, проверке и рекомендации процедур, используемых в документе UL-796 и описывающих испытания на электрохимическую миграцию. Командная работа комиссии и компании UL оказалась очень позитивным опытом, в результате которого было внесено множество временных изменений в методы испытаний.
В заключение группа провела комплексные тестирования и представила данные, поддерживающие гипотезу, что иммерсионное серебро не имеет растущей тенденции, способствующей росту дендритов [7].
Процесс нанесения финишного покрытия иммерсионного серебра СФИН-1500 обладает следующими характеристиками:
- это низкотемпературный процесс, который выполняется при t = +20…+25 °C;
- раствор иммерсионного серебрения имеет диапазон рН 2,4–2,8;
- раствор не содержит в своем составе агрессивных компонентов, оказывающих разрушающее действие на защитные паяльные маски;
- в составе раствора полностью отсутствуют цианистые соединения в свободном или комплексном виде;
- покрытия иммерсионного серебра обладают отличной паяемостью без образования микропустот в паяном соединении;
- при использовании органического защитного покрытия ОЗП-910 значительно продлевается срок хранения печатных плат перед монтажом компонентов;
- процесс прост в применении, стабилен во времени — не менее 6 циклов полной замены исходного серебра в растворе (6 циклов МТО) — и имеет высокую производительность;
- покрытие иммерсионного серебра не имеет тенденции возникновения электрохимической миграции.
Нанесение финишных покрытий иммерсионного серебра возможно осуществлять на химико-гальванических линиях «Элгамет» или горизонтальных конвейерных линиях «Элмакон» производства ООО «СПбЦ «ЭЛМА».
- Яу Ю.-Х., Фан Ч., Ксу Ч., Фиоре Э. Новая технология иммерсионного серебрения печатных плат // Мир гальваники. 2007. No 2.
- IPC-4553 A. Immersion Silver specification. 2009.
- ГОСТ 20.57.406-81. Межгосударственный стандарт. Комплексная система контроля качества изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические методы испытаний.
- ГОСТ 23752.1-92. Платы печатные. Методы испытаний.
- Ормерод Д., Яу Ю.-Х., Винсченк Д. Устранение дефектов покрытия иммерсионным серебром // Печатный монтаж. 2006. No 6.
- Биксенмэн М. Определение качества отмывки в производстве бессвинцовых печатных плат // Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. 2008. No 5.
- Cullen D.P., O’Brien G. Implementation of Immersion Silver PCB Surface Finish In Compliance With Underwriters Laboratories. 2004.