česky english Vítejte, dnes je pondělí 04. červenec 2022

Povrchové úpravy na deskách plošných spojů a součástek. Špatná smáčivost povrchu a její příčiny

DPS 2/2022 | Výroba - články
Autor: Ing. Dana Hanusová
vyroba-1

V článku přiblížíme problematiku kvality povrchové úpravy na deskách plošných spojů (DPS) a součástek a její vliv na kvalitu pájení.

Správnou vstupní optickou kontrolou ve skladu při příjmu nebo ve výrobě před osazováním můžeme zachytit nevyhovující DPS a zabránit zbytečným nákladům na opravy.

U SMD a klasických vývodových součástek není běžná optická kontrola povrchové úpravy vzhledem k balení a velikosti dílů možná.

Dobrá pájitelnost (smáčitelnost) vývodů součástek je ovlivněna samotným základním materiálem vývodů (pinů), mezivrstvami, tloušťkou pájitelné povrchové vrstvy a dobou skladování.

Doporučení normy ČSN EN 61760-2 ed. 2 (359310) je, aby celková doba skladování (u výrobce a zákazníka) nepřekročila dva roky, ale měla by být omezena na jeden rok po přijetí výrobků zákazníkem.

Proto je důležité mít správnou evidenci součástek ve skladu (typ součástky, dodavatel, výrobní šarže, doba skladování), aby se předcházelo špatnému zapájení součástek na DPS. Součástky starší než dva roky by měly před použitím ve výrobě projít testem pájitelnosti. Dobu skladování určuje datum výroby součástky nikoliv datum příjmu na sklad.

V daném případě hraje významnou roli kontrola prvního kusu osazených DPS před spuštěním výrobní dávky.

Většina SMD součástek má dnes povrchovou úpravu Sn. Přesná specifikace je uvedená většinou na obalu součástky symbolem e1, e2, …, které vychází z klasifikace normy IPC-1066 / JESD97.

Na obrázku 1 vidíme vnitřní separaci niklové vrstvy, v jejím důsledku může při pájení docházet k plynování povrchové úpravy. Větší výskyt dutin v pájce uvnitř pokoveného otvoru. U zapájených spojů ze strany pájení bude patrný jev blow hole / pin hole.


Obr. 1 Detail na vnitřní separaci vrstvy Ni na základním materiálu pinu konektoru

Mezi základní používané povrchové úpravy na DPS patří OSP, HASL, ENIG a imerzní Sn.

Vizuální vzhled každé povrchové úpravy vypovídá o jejím stavu a kvalitě zpracování, proto se při vstupní kontrole soustředíme na homogenitu a rovinnost povrchu, nečistoty, skvrny po finálním oplachu a mechanické poškození.

Doba a správné podmínky skladování pro daný typ povrchové úpravy mají následně vliv na její pájitelnost − použitelnost.

Povrchová úprava OSP

Organicky pájitelný povlak neboli pasivace mědi je povrchovou úpravou bezolovnatou.

Špatná smáčivost u této povrchové úpravy souvisí většinou s nevhodnou ruční manipulací ve skladu a výrobě. Bývá důsledkem kontaminace povrchu případně jeho poškrábání. Tloušťka vrstvy se pohybuje mezi 0,20−0,65 μm. Doba skladování je 6 měsíců.


Obr. 2 Vzhled povrchové úpravy OSP bez nečistot, otisků prstů a mechanického poškození zaručuje dobrou pájitelnost povrchu

Povrchová úprava OSP není vhodná pro více teplotních cyklů ve výrobním procesu. Nedoporučuje se vysoušení DPS před pájením.

Povrchová úprava HASL (Hot Air Solder Leveling), bezolovnatá/olovnatá

Proces HASL spočívá v ponoření desek plošných spojů do roztavené slitiny cínu a následném odstranění přebytečné pájky pomocí „vzduchových nožů“ z povrchu DPS. Tloušťka vrstvy se pohybuje mezi 2−40 μm. Doba skladování je 12 měsíců.

Tato úprava je vhodná pro větší počet teplotních cyklů a vyznačuje se dobrou smáčitelností. Nevýhodou je nerovnost povrchu a při použití na deskách, kde jsou SMD součástky s roztečí pod 0,5 mm, dochází k většímu výskytu zkratů.


Obr. 3 Vizuální kontrola, povrchová úprava HASL, nedostatečná vrstva, špatný oplach

U odporů a kondenzátorů v pouzdrech 0402, 0603 pak dochází k jevu tombstone.

Špatná smáčivost této povrchové úpravy souvisí většinou s kontaminací z procesu výroby DPS a nedostatečnou tloušťkou vrstvy (nastavení vzduchových nožů není optimální nebo špatná před úprava mědi).


Obr. 4 Špatná smáčivost (Dewetting effect) pájecích plošek na DPS po jednom průchodu reflow

V případě problému se smáčivostí DPS je možné u této povrchové úpravy provést opravu. Desky plošných spojů mohou projít znovu procesem HASL.


Obr. 5 Výbrus pájecí ploškou po průchodu reflow − pájka se nerozlila rovnoměrně po celém povrchu a stáhla se do jednoho bodu, větší smáčecí úhel

Povrchová úprava ENIG (Ni/Au), bezolovnatá

Imerzní kovových povrch vylučovaný chemickou cestou. Rovinnost povrchu, dobrá smáčivost snese více teplotních cyklů pájení. Tloušťka vrstvy Ni se pohybuje v rozmezí 3−6 μm a Au mezi 0,05−0,09 μm. Doba skladování je 6 měsíců.

Špatná smáčivost souvisí s nedodržením tloušťky jednotlivých vrstev.


Obr. 6 Tloušťka vrstvy Au jen 0,027 μm. Důsledkem je špatná smáčivost při pájení

Nedostatečná vrstva Ni může vést ke korozi této vrstvy (defekt Black pad) nebo špatné přilnavosti vrstvy Au na Ni.

Povrchová úprava imerzní Sn, bezolovnatá

Imerzní kovových povrch vylučovaný chemickou cestou. Špatná smáčivost u této povrchové úpravy souvisí s kontaminací povrchu. Ta může vzniknout už u výrobce DPS. Nedostatečné vyčistění otvorů, vyloučení zbytkové chemie na povrch pájecích plošek.

Imerzní Sn pak nemá jednotný stříbrně matný vzhled. Optimální tloušťka vrstvy je 1−1,2 μm pro 2−3 teplotní cykly ve výrobě. Doba skladování je max. 6 měsíců.

Při nedostatečné tloušťce vrstvy Sn (např. 0.06−0,07 μm) může docházet po prvním průchodu v reflow peci k špatnému smáčení druhé strany desky. Problém bude i následně při pájení vývodových součástek na vlně nebo selektivní vlně.

U této povrchové úpravy se nedoporučuje vysoušet DPS při vyšší teplotě krátkodobě. Jinak dochází k oxidaci povrchu a následně špatné pájitelnosti. Optimální teplota je do 70 °C.

Snížení výskytu DPS se špatnou smáčivostí povrchových úprav souvisí se samotnou kvalitou DPS u výrobce.

Nízká cena a kvalita nejdou vždy dohromady nebo minimálně nejsou udržitelné v opakovaných výrobních dávkách desek.

To znamená, že vzorková množství vyhoví v procesu montáže, ale u sériové výroby dochází často ke snížení kvality, a to nedodržováním tlouštěk u jednotlivých vrstev ze strany výrobce. Nevhodné skladování a manipulace a výstupní náklady na opravy a reklamace převýší značně vstupní náklady na výrobu samotných DPS.

www.hanusova-support.cz

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik