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Leiterplatte Blog - Forschung und Vorschlag zur Oberflächenbehandlungstechnologie von bleifreier Leiterplatte

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Forschung und Vorschlag zur Oberflächenbehandlungstechnologie von bleifreier Leiterplatte

2022-08-04
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Author:pcb

Die Entstehung der bleifreien Leiterplatte has raised new problems for in-circuit testing (ICT). Dieser Beitrag beschreibt die bestehenden PCB-Oberflächenbehandlungsprozesse und analysiert die Auswirkungen dieser Prozesse auf die IKT. Es wird darauf hingewiesen, dass der Schlüssel zur Beeinflussung der IKT die Sonde und IKT ist.. Die Kontaktzuverlässigkeit zwischen Punkten wird getestet und spezifische Änderungen, die während des Leiterplattenbaus vorgenommen werden müssen, um ICT-Anforderungen zu erfüllen, werden beschrieben.. Historisch gesehen, Das Hauptanliegen des Prüfingenieurs war es, sicherzustellen, dass er ein effektives Prüfprogramm hat, das in der Produktion gut funktioniert. "In-Circuit Test (ICT)" remains a very effective method of detecting manufacturing defects. Fortschrittlichere IKT-Systeme können der Testfunktionskonfiguration auch einen echten Mehrwert verleihen, indem sie die Mittel zur Programmierung von Flash-Speicher bereitstellen., PLD, FPGA, und EEPROM zur Testzeit. Das Agilent 3070 System ist in der ICT marktfähig. ICT still plays an important role in the manufacturing and testing process of the printed circuit board assembly (PCA), aber wie wird sich das Streben nach bleifreien Leiterplatten auf die IKT-Phase auswirken? Der Drang nach bleifreier Löttechnik hat zu viel Forschung in der Oberflächenbehandlungstechnik für Leiterplattes. Diese Studien basieren hauptsächlich auf der technischen Leistung während des PCB-Konstruktionsprozesses. Die Auswirkungen verschiedener PCB-Oberflächenbehandlungstechniken auf die Testphase werden meist ignoriert, oder nur auf den Kontaktwiderstand fokussieren. In diesem Buch werden die im IKT beobachteten Auswirkungen und die Notwendigkeit vorgestellt, auf diese Veränderungen zu reagieren und diese zu verstehen..

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Der Zweck dieses Artikels ist es, Erfahrungen in Leiterplatte Oberflächenbehandlung und Schulung von Ingenieuren, um Änderungen der Anforderungen an den IKT-PCB-Produktionsprozess umzusetzen. Dieser Artikel behandelt das Thema Oberflächenvorbereitung auf bleifreien Leiterplatten, insbesondere in der IKT-Phase des Herstellungsprozesses, und zeigen, dass die erfolgreiche Prüfung bleifreier Oberflächen auch von den positiven Beiträgen des Leiterplattenbauwrozesses abhängt. Ein erfolgreicher ICT-Test ist immer auf die physikalischen Eigenschaften der Kontaktpunkte zwischen den Testsonden der Nadelbettbefestigung und den Testpads auf der Leiterplatte. Wenn eine sehr scharfe Sonde einen gelöteten Prüfpunkt berührt, Das Lot sinkt, weil der Anpressdruck der Sonde viel höher ist als die Streckgrenze des Lots. Da das Lot eingelassen ist, Die Sonde durchläuft alle Verunreinigungen auf der Oberfläche des Prüffeldes. Das nicht verunreinigte Lot darunter berührt nun die Sonde, um einen guten Kontakt mit der Prüfstelle herzustellen. Die Eindringtiefe der Sonde ist eine direkte Funktion der Streckgrenze des Zielmaterials. Je tiefer die Sonde eindringt, je besser der Kontakt. An 8-ounce (oz) probe can apply contact pressures ranging from 26,000 bis 160,000 psi (pounds per square inch), je nach Flächendurchmesser. Weil die Streckgrenze des Lots ca. 5 beträgt,000 psi, Die Fühlerkontakte sind besser für dieses relativ weiche Lot.


1. Auswahl des PCB Oberflächenbehandlungsverfahrens

Bevor wir die Ursache und Wirkung verstehen, ist es wichtig, die Arten von PCB-Oberflächenbehandlungen zu beschreiben, die verfügbar sind und was sie bieten können. Alle Leiterplatten (PCBs) haben Kupferschichten auf der Platine, die oxidieren und beschädigt werden, wenn sie ungeschützt bleiben. Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Schutzschichten, die verwendet werden können, die gebräuchlichen sind Heißluftlöten Leveling (HASL), Organischer Lötschutz (OSP), Elektrolose Nickel Gold Immersion (ENIG), Silber Immersion und Zinn Immersion.


2. Heißluftlöten Nivellierung (HASL)

HASL ist das vorherrschende bleihaltige Oberflächenbehandlungsverfahren, das in der Industrie eingesetzt wird. Der Prozess wird gebildet, indem die Leiterplatte in eine Blei-Zinn-Legierung getaucht wird, und das überschüssige Lot wird durch das "Luftmesser", die heiße Luft, die auf die Oberfläche der Platine bläst, entfernt. Für den PCA-Prozess hat HASL viele Vorteile: Es ist eine Leiterplatte, und die Oberflächenschicht kann nach wiederholtem Reflow, Reinigung und Lagerung gelötet werden. Für ICT bietet HASL auch eine automatische Lotabdeckung von Testpads und Vias. Allerdings ist die HASL-Oberfläche im Vergleich zu bestehenden alternativen Methoden in Ebenheit oder Koplanarität schwach. Es gibt einige bleifreie HASL-Ersatzverfahren, die aufgrund der natürlichen Ersatzeigenschaften von HASL immer beliebter werden. HASL wurde im Laufe der Jahre mit guten Ergebnissen verwendet, aber mit dem Aufkommen von "umweltfreundlichen" grünen Prozessanforderungen sind die Tage dieses Prozesses gezählt. Neben bleifreien Problemen haben zunehmende Plattenkomplexität und feinere Tonhöhen viele Einschränkungen des HASL-Prozesses aufgedeckt. Vorteile: Kosten PCB-Oberflächentechnologie, behält Lötbarkeit während des gesamten Herstellungsprozesses und hat keine negativen Auswirkungen auf die IKT. Nachteile: Oft kommen bleibasierte Verfahren zum Einsatz, die jetzt begrenzt sind und schließlich bis 2007 eliminiert werden. Bei feinen Pin Pitch (<0,64mm) Fällen können Lötbrücken und Dickenprobleme auftreten. Oberflächenunebenheiten können Homogenitätsprobleme im Montageprozess verursachen.


3. Organisches Lötschutzmittel

Organische Lotkonservierungsmittel (OSPs) werden verwendet, um eine dünne, gleichmäßige Schutzschicht auf der Kupferoberfläche einer Leiterplatte zu erzeugen. Diese Beschichtung schützt den Kreislauf vor Oxidation während der Lagerung und Montage. Dieser Prozess gibt es schon lange, hat aber erst vor kurzem mit der Suche nach bleifreier Technologie und Fine Pitch-Lösungen an Popularität gewonnen. OSP hat eine bessere Leistung bei PCA-Baugruppen als HASL in Bezug auf Koplanarität und Lötbarkeit, erfordert jedoch erhebliche Prozessänderungen in Bezug auf die Art des Flusses und die Anzahl der thermischen Zyklen. Ein sorgfältiger Umgang ist erforderlich, da sein saurer Charakter die OSP-Leistung beeinträchtigt und Kupfer anfällig für Oxidation macht. Monteure bevorzugen es, mit Metalloberflächen zu arbeiten, die flexibler sind und mehr Wärmezyklen standhalten können. Wenn die Prüfpunkte bei der OSP-Oberflächenbehandlung nicht gelötet werden, verursacht dies Kontaktprobleme mit dem Nadelbett am ICT. Einfach zu einem schärferen Sondentyp wechseln, um durch die OSP-Schicht zu gehen, verursacht nur Schäden und punktiert die PCA-Testdurchführungen oder Testpads. Studien haben gezeigt, dass die Umstellung auf höhere Tastkräfte oder wechselnde Tastkräfte wenig Einfluss auf die Ausbeute hat. Unbehandeltes Kupfer hat eine Größenordnung höhere Streckgrenze als bleihaltiges Lot und beschädigt daher die freigelegten Kupfertestpads. Alle Prüfbarkeitsrichtlinien raten dringend davon ab, exponiertes Kupfer direkt zu sondieren. Bei der Verwendung von OSP muss für die IKT-Phase ein Satz von OSP-Regeln definiert werden. Wichtige Regeln erfordern, dass die Schablone zu Beginn des PCB-Prozesses geöffnet wird, damit Lotpaste auf die Testpads und Durchkontaktierungen aufgetragen werden kann, die die IKT kontaktieren muss. Vorteile: Vergleichbar mit HASL in Stückkosten, gute Koplanarität, bleifreier Prozess, verbesserte Lötbarkeit. Nachteile: Der Montageprozess erfordert große Änderungen, das Abtasten von Rohkupferoberflächen schadet der IKT, überspitzte IKT-Sonden können die Leiterplatte beschädigen, erfordern manuelle Vorsichtsmaßnahmen, begrenzen IKT-Tests und verringern die Wiederholbarkeit der Tests.


4. Elektrolose Nickel Gold Immersion

Electroless Nickel Gold Immersion (ENIG), eine Beschichtung, die erfolgreich auf vielen Leiterplatten eingesetzt wird, hat eine flache Oberfläche und hervorragende Lötbarkeit trotz hoher Stückkosten. Der Hauptnachteil ist, dass die elektrolose Nickelschicht zerbrechlich ist und unter mechanischer Beanspruchung Risse aufweist. Dies ist in der Industrie als "schwarze Klumpen" oder "Schlammrisse" bekannt, was zu einer negativen Presse von ENIG geführt hat. Vorteile: gute Lötbarkeit, flache Oberfläche, lange Haltbarkeit und kann mehrfachem Reflow-Löten standhalten. Nachteile: Hohe Kosten (etwa 5-mal HASL), "Black Block"-Problem, der Herstellungsprozess mit Cyanid und einige andere schädliche Chemikalien.


5. Eintauchen in Silber

Silbertauchen ist eine zusätzliche Methode der Oberflächenvorbereitung für Leiterplatten. Hauptsächlich in Asien verwendet, wird es in Nordamerika und Europa gefördert. Während des Lötprozesses schmilzt die Silberschicht in die Lötstelle und hinterlässt eine Zinn-/Blei-/Silberlegierung auf der Kupferschicht, die eine sehr zuverlässige Lötstelle für BGA-Pakete bietet. Seine Kontrastfarbe macht es leicht zu überprüfen und es ist auch eine natürliche Alternative zu HASL für Schweißbehandlungen. Silver Immersion ist ein sehr vielversprechender Beschichtungsprozess, aber wie bei allen neuen Beschichtungstechnologien sind Endverbraucher sehr konservativ. Viele Hersteller bezeichnen dieses Verfahren als ein "Untersuchungsverfahren", aber es ist wahrscheinlich das bleifreie Oberflächenverfahren der Wahl. Vorteile: Gute Schweißbarkeit, glatte Oberfläche, natürliche Alternative zum HASL-Eintauchen. Nachteile: Konservative Einstellung der Endnutzer bedeutet einen Mangel an relevanten Informationen in der Branche.


6. Zinneintauchen

Dies ist ein neueres Oberflächenbehandlungsverfahren mit vielen ähnlichen Eigenschaften wie das Silbertauchverfahren. Es gibt jedoch erhebliche Gesundheits- und Sicherheitsprobleme aufgrund von Vorsichtsmaßnahmen gegen Thiourea (möglicherweise ein Karzinogen), das während der Herstellung von Leiterplatten beim Zinneintauchen verwendet wird. Darüber hinaus ist die Migration (der "Zinn Grat"-Effekt) besorgniserregend, obwohl Anti-Migration-Chemikalien einige Erfolge bei der Beherrschung dieses Problems erzielen können. Vorteile: gute Schweißbarkeit, glatte Oberfläche, relativ niedrige Kosten. Negativ:: Gesundheits- und Sicherheitsbedenken, die begrenzte Anzahl von Thermocycling-Zyklen.


7. Zusammenfassung der Oberflächenbehandlung von Leiterplatten

Unter Berücksichtigung einiger Probleme mit Vorrichtungen und Prozessen glauben Benutzer, dass, sobald diese Probleme gelöst sind, die Durchlaufausbeute, die sie erhalten können, zwischen 80~90% liegt. Das obige ist die Hauptmethode der bleifreien Verarbeitung von Leiterplatten. HASL bleibt das weit verbreitete PCB-Board-Verarbeitungsverfahren, in diesem Fall ändert sich für Testingenieure nichts. In einigen Ländern wurde HASL gesetzlich verboten und Alternativen wurden angenommen. Da die PCA-Fertigung in immer mehr verschiedene Bereiche expandiert, werden immer mehr bleifreie Prozesse in der IKT-Prüfung zu sehen sein. Obwohl OSP kein natürlicher Ersatz für HASL ist, ist es zu einer alternativen Behandlungsoption geworden, die von PCA-Herstellern untersucht wird. Wenn keine Prozessänderungen vorgenommen wurden, um Lotpaste auf Testpads und Vias zuzulassen, würde dies zu tatsächlichen ICT führen

Probleme mit der Prüfzuverlässigkeit

Die Schlussfolgerung ist, dass der Prozess der PCB-Oberflächenbehandlung nicht perfekt ist, und jede Methode hat ihre eigenen Probleme, die berücksichtigt werden müssen. Einige dieser Probleme sind ernster als andere, und alle diese bleifreien PCB-Oberflächenvorbereitungsprozesse erfordern Modifikationen in Prozessschritten, um Probleme mit der Zuverlässigkeit von Vorrichtungskontakten in der IKT zu vermeiden. Vergleichende Betrachtungen von HASL, OSP und Silver Immersion in der ICT Phase Jetzt möchte ich mich auf diese Oberflächenveredelungstechniken konzentrieren und wie sie die Leistungsfähigkeit von ICT beeinflussen. Das Finish hinterlässt weiche Lötbögen und freiliegende Durchkontaktierungen an den Prüfstellen, die ideal für ICT-Prüfobjekte sind. Eine Eigenschaft, die HASL hat, die OSP nicht hat, ist Kraftaufnahme, HASL ist ein eutektisches SnPB, das besonders weich ist. Dieses weiche Target hat zwei Vorteile: Anpassung an die Sonde und Absorption von Energie. Es gibt kein solches weiches Ziel für OSP-Leiterplatten. Kupferoberflächen sind dagegen sehr hart und können nicht so viel Energie aufnehmen, so dass der direkte Kontaktbereich, in den die Sonde "beißen" kann, reduziert wird. Die Kupferbeschichtung auf der Außenschicht liegt im Allgemeinen zwischen 10 und 50 Mikron. Kombinieren Sie die Kupferbeschichtung mit der OSP-Verkleidung und Sie werden sehen, dass die Sonden, die zur Sonde der HASL-Platine verwendet werden, nicht auf der OSP-Abschlussplatte funktionieren. Studien haben gezeigt, dass OSP während der längeren Transferzeit zwischen Reflow und ICT eine sehr harte "Hülle" auf dem Testziel erzeugt. Die Lieferzeit für ICT sollte weniger als 24-Stunden betragen. Es gibt viele andere Prozessfaktoren, die das Ausmaß beeinflussen können, in dem OSP für den Prüfingenieur verwirrend ist, darunter: OSP-Anbieter-Typ, Anzahl der Durchgänge im Reflow-Ofen, ob der Wellenprozess entfernt wird, Stickstoff-Reflow oder Luft-Reflow und die Art der Mock-Tests bei IKT. Die direkte Sondierung der Kupferoberfläche in Verbindung mit der höheren Sondenkraft, die erforderlich ist, um die OSP-Schicht zu durchdringen, schafft eine reale potenzielle Gefahr, die dünne Kupferschicht zu brechen und interne Kurzschlüsse zu verursachen. Daher empfehlen wir, keine exponierten Kupferoberflächen zu sondieren. Neuere Beispiele haben gezeigt, dass Platinen-Durchgänge oder Testpunkte nach 5- bis 10-Vorrichtungsanregungen punktiert werden können. Für einige PCA-Hersteller sind die Auswirkungen von OSP auf IKT so problematisch, dass sie sich ganz von OSP entfernt haben. Andere Hersteller beginnen zu lernen, wie man die unten aufgeführten "OSP-Regeln" befolgt. "OSP-Regeln" für IKT-Testeinrichtungen und -Verfahren: Hat einen hohen Einfluss auf den Through Yield (FPY); evtl. wechselnde Befestigungssonden für höhere Kraft erfordern, z. B. von 2N auf 3N; Sondentyp, geändert zu einem spitzeren Typ, erfordert möglicherweise wechselnde Vorrichtungen; kann ein "Doppelklick"-Greiferregungsverfahren erfordern oder Pneumatik und Manipulatoren verwenden; Einschränkungen des Simulationstests müssen möglicherweise kompromittiert, offen oder sogar ignoriert werden; Bei potenziell relativ geringen Auswirkungen auf die Ausbeute kann ein zuverlässiger Testkontakt gewährleistet werden, indem sichergestellt wird, dass die Testpads gelötet werden. Einige Hersteller sehen sofortige Kosteneinsparungen durch OSP und sehen es als Alternative zu bleifreien Prozessen. Einige Unternehmen haben jedoch in letzter Zeit einen kompletten Turnaround eingeleitet und prüfen ihre Strategien neu, wenn sie die realen Kosten berücksichtigen, die mit Produktionsstörungen und -verzögerungen verbunden sind.


8. Eintauchen in Silber

Die Silbereintauchung ist eine 0,4 bis 0,8 Mikron Metallschicht auf der Kupferschicht, die das "Fleisch" liefert, in das die Prüfsonden beißen können. Silbertauchen ist nicht so weit verbreitet wie HASL oder OSP, aber erste Forschungen deuten darauf hin, dass es eine natürliche Alternative zu HASL als Herstellungsprozess ist. Es wurden einige vorläufige Studien zur IKT-Zuverlässigkeit durchgeführt, die gezeigt haben, dass Ätzzeit (Oberflächenrauheit/Oberfläche) und Oberflächendicke wichtige Faktoren für die Wiederholbarkeit sind. Es gibt kein Problem mit der Kontaktsicherheit der Vorrichtung mit Silberoberflächenbehandlung in der IKT-Stufe, so dass die Prüfvorrichtung nicht angepasst werden muss, sondern die Sonde oder die Prüfsoftware angepasst werden sollte. Die Ätzrate ist wichtig für ICT-Tests, da sie bestimmt, ob das silberne Finish glänzend oder matt ist. Während des Silberauftragsschritts wird Silber auf die Konturen der Kupferoberfläche abgeschieden, so dass, wenn die Rauheit der Oberfläche und damit der Fläche zunimmt, es als stumpfe Oberfläche erscheint, während eine Oberfläche mit Rauheit als helle Oberfläche erscheint. Die industrielle Forschung zu diesem Oberflächenverfahren ist sehr begrenzt, erscheint aber technisch und kommerziell vielversprechend. Jüngste Erfahrungen haben gezeigt, dass diese Oberflächenbehandlung keine Probleme für die IKT darstellt. Leiterplattenhersteller bieten jetzt Platinen mit Silberfinish zum gleichen Preis wie HASL-Produkte an.


9. Zusammenfassung dieses Artikels

Es sieht so aus, als ob der Trend für einige Unternehmen ist, dass OSP als natürlicher Ersatz für HASL angesehen wird. Diese Wahl ergab sich wahrscheinlich aus der Erfassung von Einsparungen bei Stückkosten. ICT engineers should pay attention to this trend: OSP-coated PCBs will not perform as well as other alternative Blei-free finishes unless the test pads are covered with solder. Wenn der Prozessablauf nicht verändert wird, Die potenziellen Einsparungen bei den Anfangskosten können durch die Kosten des Wechsels der Spanntaster ausgeglichen werden, Wartung der Vorrichtung, Änderung der Testsoftware, und Schrott, der das Brett beschädigt. Wir sehen, dass bei der OSP-Auswahl viel Gegenteil geschieht. Beratung für Kunden, die das bleifreie HASL-Verfahren nicht aufgegeben haben, ist, die Vor- und Nachteile aller möglichen bleifreien PCB-alternativen Verfahren zu berücksichtigen, Sicherstellung, dass alle Fertigungsstufen in Prüfungen abgedeckt werden, einschließlich Prüfung, für Silber Leiterplatte Wir haben keine schlüssigen Ergebnisse zu den Auswirkungen von Oberflächenbehandlungsprozessen auf die IKT. Wir haben mit Kunden gesprochen, die das silberne Finish verwenden und sie haben keine Greiferkontaktprobleme mit diesem Finish bemerkt.