Шкундина - Иммерсионное осаждение олова, страница 2

Для оловакоэффициент температурного расширенияи коэффициент самодиффузии больше в направлении более длинной стороны кристаллической ячейки.Образование интерметаллидов сопровождается появлением так называемых волосныхтрещин, образованием непрочных паяныхсоединений, что негативно сказывается на характеристиках изделия.«Оловянная чума»«Болезнь» белого олова зависит не столькоот совместной эксплуатации олова с какимилибо другими материалами, сколько от егоприроды.В конце прошлого века произошел интересный случай: из Голландии в Москву отправили олово по железной дороге.

Вышел поезд,груженный брусками белого олова, а привезон лишь серый, ни на что не пригодный поро-шок. В дороге олово «простудилось», и на него«напала чума» [1]. Это одна из нескольких легендарных историй, когда из-за «оловяннойчумы» компании несли экономические потерии даже гибли люди.В действительности эта «болезнь» — результат перестройки порядка атомов в кристаллическом олове.Олово может пребывать в двух модификациях: первая — обыкновенное серебристобелое олово, ковкий металл, который можетвырастать и в виде больших монокристаллов.Белое олово образуется при температуре,превышающей +13,2 °C. Если же температураопускается ниже 13 °C, то атомы олова могутперестроиться и образовать кристаллы другой разновидности — хрупкого неметаллического серого олова.

Свойства этих двух видоволова значительно отличаются. Плотностьбелого олова 7,3 г/см3, а серого — 5,8 г/см3.Температурный коэффициент объемногорасширения у серого олова в 4 раза больше,чем у белого. Внутренние напряжения, которые возникают в местах контакта разных кристаллических решеток, приводят к тому, чтоматериал трескается и рассыпается в порошок(рис. 5). Образующаяся при этом модификация уже теряет свойства металла и становитсяполупроводником.Рис. 5.

Олово с 5%-ным содержанием медипосле продолжительного нахожденияпри температуре –18 °CИзвестно, что и белые, и серые кристаллы состоят из одних и тех же атомов олова.Однако основная причина различия — в расположении атомов в кристаллической решетке. От изменения размеров и форм атомныхпостроек совершенно меняются свойства вещества [1].Одна модификация переходит в другуютем скорее, чем ниже окружающая температура.

При температуре –33 °C скорость этогопревращения достигает максимума. Если жеобдать серое олово кипятком, то от сильногонагревания атомы снова перестроятся, и оловоперейдет обратно в белую разновидность.24Среди металлофизиков господствует мнение, что переход белого олова в серое начинается с «заражения»: на поверхность белогоолова попадают частицы серого, и механизмих действия аналогичен действию «затравки»при кристаллизации жидкостей. Однако существует мнение, что для заражения «оловянной чумой» непосредственный контакт белогои серого олова не обязателен.В настоящее время разработаны методыборьбы с ростом интерметаллидов, появлением «усов» олова и «оловянной чумы», благодаря которым можно избежать или уменьшитьвероятность их появления.Было установлено, что различные материалы конформных покрытий могут помочьуменьшить повреждения, вызываемые «усами»олова. Покрытия не предотвращают рост«усов», но исследования показали, что некоторые покрытия замедляют или тормозят ихобразование.

В ряде случаев образовавшиеся«усы» оказываются «запертыми» внутри покрытия, которое предотвращает их развитие,приводящее к коротким замыканиям [5].П р и м е н е н и е н е до с т ат о ч н о т ол с т ы хили прочных покрытий для сдерживанияроста «усов» является спорным моментом.Покрытия, которые имеют микроотверстия,в общем и целом, бесполезны, так как они позволяют проникать внутрь влаге. Эта влагасоздает условия для потенциального ростадендритов, а также обеспечивает канал дляобразования «усов». «Усы» олова очень устойчивы.

Они будут расти под покрытием и, еслионо не обладает достаточной прочностью,«усы» могут прорастать через него [5].Кроме того, теоретически существенным источником сдавливающего напряжения в пленках олова может быть коррозия, и, как следствие,она может вызывать рост «усов». Поэтому необходимо применять меры по предотвращениюсильного окисления и конденсации влаги.Если на покрытие воздействует продолжительное механическое сдавливающее усилие,то риск роста «усов» олова значительно увеличивается. Необходимо провести тщательныеиспытания, чтобы определить, приведет лирост «усов» к снижению надежности изделия.«Оловянная чума» в электронной промышленности — явление достаточно редкое. Дажеесли применяются покрытия из совершенночистого металлического олова, то после пайкионо растворяется в припойном сплаве, а приналичии примесей олово уже не подвержено«оловянной чуме». Именно поэтому оловоприменяется для пайки, и спаянные изделия не разваливаются.

В покрытиях выводовкомпонентов, как правило, не применяетсяабсолютно чистое олово, к нему обязательнодобавляются примеси, даже небольшое количество которых способно избавить от даннойпроблемы. Если добавить к олову, например, немного висмута, то можно предотвратить «оловянную чуму». Атомы висмутав кристаллической решетке олова мешаютперестройке, и белое олово остается металломи не разрушается даже при низких температурах.

Кроме того, средством против «оловянной чумы» стало легирование олова сурьмой,www.teche.ruПечатные платыкобальтом и другими металлами. При этомустановлено, что алюминий и цинк, наоборот, способствуют процессу образования«чумы».Некоторые производители ограничивают срок хранения компонентов с покрытиемиз чистого олова при пониженных температурах. Эффект «оловянной чумы» также следуетучитывать при использовании припоев с высоким содержанием олова. Так как «оловяннаячума» сильно сказывается лишь при температурах ниже –40 °C (при температуре околонуля процесс трансформации занимает многиегоды), ее влияние на бессвинцовые компонентына данный момент изучено слабо [10].Рис.

8. Осаждение иммерсионного олована линии горизонтального типаНовое покрытие ImmSnВ прошлом возможности использования иммерсионного олова были крайне ограниченыеще и потому, что при непосредственном контакте олово с медью-основой образует интерметаллические соединения типа SnXCuY. Послеосаждения в течение нескольких недель оловополностью модифицируется в интерметаллоид и теряет паяемость. Поэтому производители печатных плат завершали изготовлениеплат иммерсионным оловянированием только накануне процесса пайки — не более чемза две недели до нее.Принципиальные изменения в этом покрытии произошли благодаря успехам химиков,открывших существование особых полимеров — органических соединений, обладающихметаллической проводимостью [11].

Введениемежду медью-основой и иммерсионным оловом барьера из органического металла не мешает обмену электронами для протеканияреакции замещения, но предотвращает взаимодиффузию меди и олова (рис. 6). Благодаряналичию барьерного подслоя способностьк пайке ImmSn (0,5–0,8 мкм) с барьернымподслоем (0,08–0,1 мкм) сохраняется большегода (на экспериментальных образцах — более8 лет).Рис. 6. Механизм реакции замещения при наличиибарьерного подслоя из органического металлаОрганический металл — чисто органическоесоединение, не содержащее металлическихдобавок, проводит электрический ток, имеетпотенциал «благородного металла» (серебро),обладает каталитическими свойствами, можетбыть окислено и восстановлено без видоизменений, полностью не растворимо и можетиспользоваться только в виде дисперсии.Присутствие органического металла оказывает прямое влияние на структуру последующего осадка иммерсионного олова.

Создаетсяwww.teche.ruРис. 7. Стадии осаждения иммерсионногоолова (сверху вниз): рисунок с удаленнымметаллорезистом, проявленная паяльная маска,осаждение барьерного подслоя из органическогометалла, иммерсионное оловянированиеболее совершенная и  менее напряженнаяструктура олова, что дает возможность получить более плотную, гладкую поверхность.Это предотвращает также возможность ростасамопроизвольных нитевидных кристаллических образований — «усов».Финишные стадии химических процессов,предложенных в [12] (рис. 7):• металлизация отверстий, нанесение металлорезиста;• травление рисунка;• удаление металлорезиста;• нанесение, экспонирование и проявлениепаяльной маски;• кислая очистка медной поверхности в окнахпаяльной маски;• микротравление — активация поверхности;• осаждение органического металла (30 с);• осаждение иммерсионного олова (9 мин).Кислый очиститель удаляет окислы с поверхности меди.Микротравитель на основе серной кислотыи перекиси водорода, химически воздействуяна медную поверхность, создает тонкую шероховатость поверхности, обеспечивающуюхорошую адгезию с последующими химическими покрытиями.Преимущества ImmSn с барьерным подслоем:• Относительно низкая стоимость процессаосаждения.• Простота эксплуатации.• Стабильный процесс.• Простые анализы.• Можно использовать как в вертикальномтипе оборудования на подвесках или в корзинах, так и в горизонтальном (рис. 8).• Можно использовать те же паяльные пасты,что и для плат с покрытием HAL.• Способность к многократной перепайке.• Плоская поверхность, покрытие подходитдля установки компонентов с малым шагомвыводов.25• Хорошо подходит для ВЧ-плат (не содержитподслой никеля).• Не влияет на размер металлизированныхотверстий.• Полная совместимость с  оловянносвинцовыми и бессвинцовыми припоями.• Хорошие условия для обеспечения беспаянных соединений Press-Fit (впрессовываниештырей-хвостовиков разъемов в металлизированные отверстия плат).Недостаток: платы требуют осторожногообращения.Результаты испытанийПокрытие ImmSn с подслоем органического металла прошло многочисленные испытания и хорошо закрепилось в производствепечатных плат.