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Ricerca e suggerimento sulla tecnologia di trattamento superficiale del bordo PCB senza piombo
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2022-08-04
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Author:pcb

L'emergere dell'assenza di piombo Scheda PCB has raised new problems for in-circuit testing (ICT). Questo articolo descrive i processi esistenti di trattamento superficiale PCB e analizza l'impatto di questi processi sulle TIC. Si sottolinea che la chiave per influenzare le TIC è la sonda e le TIC. Viene testata l'affidabilità del contatto tra i punti e vengono descritte le modifiche specifiche che devono essere apportate durante la costruzione di PCB per soddisfare i requisiti ICT. Storicamente, La preoccupazione principale dell'ingegnere di prova è stata quella di garantire che abbia un programma di test efficace che si esibisca bene nella produzione. "In-Circuit Test (ICT)" remains a very effective method of detecting manufacturing defects. I sistemi ICT più avanzati possono anche aggiungere valore reale alla configurazione funzionale del test fornendo i mezzi per programmare la memoria Flash, PLD, FPGA, ed EEPROM al momento della prova. Il sistema Agilent 3070 è commercializzabile nell'ICT. ICT still plays an important role in the manufacturing and testing process of the printed circuit board assembly (PCA), ma in che modo la ricerca di PCB privi di piombo influenzerà la fase delle TIC? La spinta per la tecnologia di saldatura senza piombo ha portato a un sacco di ricerca nella tecnologia di trattamento superficiale per Scheda PCBs. Questi studi si basano principalmente sulle prestazioni tecniche durante il processo di costruzione del PCB. Gli effetti di diverse tecniche di trattamento superficiale PCB sulla fase di prova sono per lo più ignorati, o concentrarsi solo sulla resistenza al contatto. Questo libro presenterà i dettagli degli impatti osservati nelle TIC e la necessità di rispondere e comprendere questi cambiamenti.

Scheda PCB

Lo scopo di questo articolo è quello di condividere esperienze in Scheda PCB Trattamento superficiale e formazione di ingegneri per implementare cambiamenti nei requisiti del processo di produzione di PCB ICT. Questo articolo affronterà la questione della preparazione delle superfici sui PCB privi di piombo, soprattutto nella fase ICT del processo produttivo, e rivelare che il successo dei test di superfici prive di piombo dipende anche dai contributi benefici del processo di costruzione del PCB. Un test ICT di successo è sempre sulle proprietà fisiche dei punti di contatto tra le sonde di prova del letto di fissaggio degli aghi e le pastiglie di prova sul PCB. Quando una sonda molto affilata tocca un punto di prova saldato, la saldatura affonderà perché la pressione di contatto della sonda è molto più alta della resistenza di snervamento della saldatura. Come la saldatura è incassata, la sonda passa attraverso eventuali impurità sulla superficie del tampone di prova. La saldatura incontaminata sottostante tocca ora la sonda per avere un buon contatto con il punto di prova. La profondità di inserimento della sonda è una funzione diretta della forza di snervamento del materiale bersaglio. Più profonda la sonda penetra, migliore è il contatto. An 8-ounce (oz) probe can apply contact pressures ranging from 26,da 000 a 160,000 psi (pounds per square inch), a seconda del diametro della superficie. Perché la forza di snervamento della saldatura è di circa 5,000 psi, i contatti della sonda sono migliori per questa saldatura relativamente morbida.


1. Selezione del processo di trattamento superficiale PCB

Prima di comprendere la causa e l'effetto, è importante descrivere i tipi di trattamenti superficiali PCB disponibili e cosa possono offrire. Tutti i circuiti stampati (PCB) hanno strati di rame sulla scheda che si ossidano e vengono danneggiati se lasciati non protetti. Ci sono una varietà di diversi strati protettivi che possono essere utilizzati, quelli comuni sono il livellamento della saldatura ad aria calda (HASL), la protezione organica della saldatura (OSP), l'immersione in oro nichel senza elettro (ENIG), l'immersione in argento e l'immersione in stagno.


2. Livello di saldatura ad aria calda (HASL)

HASL è il processo predominante di trattamento superficiale a piombo utilizzato nell'industria. Il processo è formato immergendo il circuito stampato in una lega di piombo-stagno e la saldatura in eccesso viene rimossa dal "coltello dell'aria", che è l'aria calda che soffia sulla superficie della scheda. Per il processo PCA, HASL ha molti vantaggi: è una scheda PCB e lo strato superficiale può essere saldato dopo riflusso ripetuto, pulizia e stoccaggio. Per le TIC, HASL fornisce anche la copertura automatica della saldatura di pad di prova e vias. Tuttavia, la superficie HASL è scarsa in planarità o complanarità rispetto ai metodi alternativi esistenti. Ci sono alcuni processi di sostituzione HASL senza piombo, che stanno diventando sempre più popolari a causa delle caratteristiche naturali di sostituzione di HASL. HASL è stato utilizzato con buoni risultati nel corso degli anni, ma con l'avvento di requisiti "ecologici" di processo, i giorni di questo processo sono numerati. Oltre ai problemi senza piombo, la crescente complessità della tavola e le altezze più sottili hanno esposto molte limitazioni del processo HASL. Vantaggi: Tecnologia superficiale PCB di costo, mantiene saldabilità durante tutto il processo di produzione e non ha alcun impatto negativo sulle TIC. Svantaggi: vengono spesso utilizzati processi basati sul piombo, che ora sono limitati e saranno eliminati entro il 2007. Per i casi di passo fine del perno (<0,64 mm), possono verificarsi problemi di saldatura e spessore. Le irregolarità superficiali possono causare problemi di omogeneità nel processo di assemblaggio.


3. Agente protettivo di saldatura organico

I conservanti organici della saldatura (OSP) vengono utilizzati per creare uno strato protettivo sottile e uniforme sulla superficie di rame di una scheda PCB. Questo rivestimento protegge il circuito dall'ossidazione durante le operazioni di stoccaggio e assemblaggio. Questo processo esiste da molto tempo, ma solo recentemente ha guadagnato popolarità con la ricerca di tecnologie senza piombo e soluzioni di passo fine. OSP ha prestazioni migliori sull'assemblaggio PCA rispetto all'HASL in termini di complanarità e saldabilità, ma richiede modifiche significative al tipo di flusso e al numero di cicli termici. È necessaria una manipolazione accurata perché il suo carattere acido degrada le prestazioni OSP e rende il rame suscettibile all'ossidazione. Gli assemblatori preferiscono lavorare con superfici metalliche più flessibili e in grado di sopportare più cicli termici. Con il trattamento superficiale OSP, se i punti di prova non sono saldati, causerà problemi di contatto con il letto di fissaggio degli aghi all'ICT. Il semplice passaggio a un tipo di sonda più nitido per passare attraverso lo strato OSP causerà solo danni e foratura dei vias o dei pad di prova PCA. Gli studi hanno dimostrato che passare a forze di sonda più elevate o cambiare tipi di sonda ha poco effetto sulla resa. Il rame non trattato ha una resistenza di rendimento superiore di ordine di grandezza rispetto alla saldatura al piombo e, di conseguenza, danneggerà i cuscinetti di prova in rame esposti. Tutte le linee guida sulla testabilità sconsigliano vivamente di sondare direttamente il rame esposto. Quando si utilizza l'OSP, è necessario definire una serie di regole OSP per la fase ICT. Regole importanti richiedono che lo stencil sia aperto all'inizio del processo PCB per consentire l'applicazione della pasta di saldatura a quei pad di prova e vias che l'ICT deve contattare. Vantaggi: comparabile a HASL nel costo unitario, buona complanarità, processo senza piombo, migliore saldabilità. Svantaggi: Il processo di assemblaggio richiede modifiche importanti, la verifica delle superfici in rame grezzo sarà dannosa per le TIC, le sonde ICT sovraappuntite possono danneggiare il PCB, richiedere precauzioni manuali, limitare i test ICT e ridurre la ripetibilità dei test.


4. Immersione senza nichel in oro

Electroless Nickel Gold Immersion (ENIG), un rivestimento che viene utilizzato con successo su molti circuiti stampati, ha una superficie piana e un'eccellente saldabilità nonostante il suo elevato costo unitario. Lo svantaggio principale è che lo strato di nichel elettroless è fragile ed è stato trovato per incrinare sotto stress meccanico. Questo è noto nel settore come "grumi neri" o "crepe di fango", che ha portato a qualche stampa negativa da parte di ENIG. Vantaggi: buona saldabilità, superficie piana, lunga durata e può resistere alla saldatura multipla di riflusso. Svantaggi: Alto costo (circa 5 volte HASL), "blocco nero" problema, il processo di produzione utilizzando cianuro e alcuni altri prodotti chimici nocivi.


5. Silver Immersion

L'immersione in argento è un metodo aggiunto di preparazione della superficie per schede PCB. Pricipalmente utilizzato in Asia, viene promosso in Nord America e in Europa. Durante il processo di saldatura, lo strato d'argento si fonde nel giunto di saldatura, lasciando una lega di stagno/piombo/argento sullo strato di rame che fornisce un giunto di saldatura molto affidabile per i pacchetti BGA. Il suo colore contrastante lo rende facile da ispezionare ed è anche un'alternativa naturale all'HASL per i trattamenti di saldatura. L'immersione in argento è un processo di superficie molto promettente, ma come per tutte le nuove tecnologie di superficie, gli utenti finali sono molto conservatori al riguardo. Molti produttori si riferiscono a questo processo come a un processo "in fase di indagine", ma è probabile che sia il processo superficiale senza piombo scelto. Vantaggi: Buona saldabilità, superficie liscia, alternativa naturale all'immersione HASL. Contro: L'atteggiamento conservatore degli utenti finali significa una mancanza di informazioni rilevanti nel settore.


6. Tin Immersion

Questo è un processo di trattamento superficiale più recente con molte proprietà simili al processo di immersione in argento. Tuttavia, ci sono importanti problemi di salute e sicurezza da considerare a causa delle precauzioni contro la tiourea (possibilmente cancerogena) utilizzata nel processo di immersione dello stagno durante la produzione di PCB. Inoltre, la migrazione (effetto "bava di stagno") è fonte di preoccupazione, anche se le sostanze chimiche anti-migrazione possono raggiungere un certo successo nel controllare questo problema. Vantaggi: buona saldabilità, superficie liscia, costo relativamente basso. Punti negativi: Problemi di salute e sicurezza, il numero limitato di cicli termici.


7. Sintesi del trattamento superficiale PCB

Tenendo conto di alcuni problemi con apparecchi e processi, gli utenti credono che una volta che questi problemi sono stati affrontati, il rendimento di passaggio che possono ottenere è compreso tra l'80 ~ 90%. Quanto sopra è il metodo principale di elaborazione senza piombo delle schede PCB. HASL rimarrà il processo di elaborazione ampiamente usato della scheda PCB, in questo caso, nulla cambierà per gli ingegneri di prova. In alcuni paesi l'HASL è stato vietato dalla legge e sono state adottate alternative. Poiché la produzione di PCA si espande in settori sempre più diversi, sempre più processi privi di piombo saranno osservati nei test ICT. Sebbene l'OSP non sia un sostituto naturale dell'HASL, è diventata un'opzione di trattamento alternativa in fase di studio dai produttori di PCA. Quando non sono state apportate modifiche al processo per consentire la pasta di saldatura su pad di prova e vias, ciò comporterebbe l'effettiva ICT

Problemi di affidabilità delle prove

La conclusione è che il processo di trattamento superficiale PCB non è perfetto e ogni metodo ha i suoi problemi che devono essere considerati. Alcuni di questi problemi sono più gravi di altri e tutti questi processi di preparazione delle superfici PCB senza piombo richiedono modifiche nelle fasi di processo per prevenire problemi di affidabilità del contatto con gli apparecchi in ICT. Considerazioni comparative di HASL, OSP e Silver Immersion nella fase ICT Ora vorrei concentrarmi su queste tecniche di finitura superficiale e su come influenzano le prestazioni dell'ICT. La finitura lascia morbidi "archi" di saldatura e vias esposti nei punti di prova, che sono ideali per gli oggetti di prova ICT. Una proprietà che HASL ha che OSP non ha è l'assorbimento della forza, HASL è un SnPB eutettico, che è particolarmente morbido. Questo obiettivo morbido ha due vantaggi: adattarsi alla sonda e assorbire energia. Non esiste un obiettivo così morbido per le schede PCB OSP. Al contrario, le superfici in rame sono molto dure e non possono assorbire tanta energia, quindi l'area di contatto diretto in cui la sonda può "mordere" è ridotta. La placcatura in rame sullo strato esterno è generalmente compresa tra 10 e 50 micron. Combina la placcatura in rame con il rivestimento OSP e vedrai che le sonde utilizzate per sondare la scheda HASL non funzioneranno sulla scheda di finitura OSP. Gli studi hanno dimostrato che l'OSP crea un "guscio" molto duro sul target di prova durante il tempo di trasferimento più lungo tra reflow e ICT. Il termine di consegna per ICT dovrebbe essere inferiore a 24 ore. Ci sono molti altri fattori di processo che possono influenzare il grado di confusione OSP per l'ingegnere di prova, alcuni dei quali sono: tipo di fornitore OSP, numero di passaggi nel forno di riflusso, se il processo d'onda viene rimosso, riflusso dell'azoto o riflusso dell'aria, e il tipo di test simulati all'ICT. La sonda diretta della superficie di rame unita alla maggiore forza della sonda necessaria per penetrare lo strato OSP crea una reale potenziale minaccia di rompere il sottile strato di rame e causare shorts interni. Pertanto, la nostra raccomandazione è di non sondare mai superfici in rame esposte. Esempi recenti hanno dimostrato che i vias della scheda o i punti di prova possono essere perforati dopo 5-10 eccitazioni del dispositivo. Per alcuni produttori di PCA, l'impatto dell'OSP sulle TIC è talmente problematico che si sono allontanati completamente dall'OSP. Altri produttori stanno iniziando a imparare a seguire le "Regole OSP" elencate di seguito. "Regole OSP" per dispositivi e procedure di prova ICT: ha un impatto elevato sul rendimento attraverso (FPY); può richiedere la sostituzione delle sonde di fissaggio per una maggiore forza, ad esempio da 2N a 3N; può richiedere il cambio degli apparecchi Tipo di sonda, cambiato in un tipo più appuntito; possono richiedere un metodo di eccitazione della pinza a "doppio clic" o utilizzare pneumatici, manipolatori; i vincoli dei programmi di prova di simulazione possono essere compromessi, aperti o addirittura ignorati; La ricerca suggerisce queste regole asteriscate Con un impatto potenzialmente relativamente limitato sulla resa, il modo per garantire un contatto affidabile dei test è quello di garantire che i cuscinetti di prova siano saldati. Alcuni produttori vedono il risparmio immediato dei costi di OSP e lo considerano un'alternativa ai processi senza piombo. Tuttavia, alcune aziende hanno recentemente preso una svolta completa e stanno riesaminando le loro strategie considerando i costi reali associati a interruzioni e ritardi di produzione.


8. Silver Immersion

L'immersione in argento è uno strato metallico da 0,4 a 0,8 micron sopra lo strato di rame che fornisce la "carne" che le sonde di prova possono mordere. L'immersione in argento non è ampiamente utilizzata come HASL o OSP, ma la ricerca iniziale suggerisce che si tratta di un'alternativa naturale all'HASL come processo di produzione. Ci sono stati alcuni studi preliminari sull'affidabilità delle TIC, che hanno dimostrato che il tempo di incisione (rugosità/finitura superficiale) e lo spessore della superficie sono considerazioni importanti per la ripetibilità. Non c'è alcun problema con l'affidabilità di contatto del jig con trattamento superficiale argento nella fase ICT, quindi il jig di prova non deve essere regolato, ma la sonda o il software di prova devono essere regolati. La velocità di incisione è importante per i test ICT perché determina se la finitura argentata sarà lucida o opaca. Durante la fase di deposizione d'argento, l'argento viene depositato sui contorni della superficie di rame, quindi se aumenta la rugosità della superficie, e quindi l'area, appare come una superficie opaca, mentre una superficie con rugosità appare come una superficie luminosa. La ricerca industriale su questo processo di superficie è molto limitata, ma sembra promettente dal punto di vista tecnico e commerciale. L'esperienza recente ha dimostrato che questo trattamento superficiale non presenta problemi per le TIC. I produttori di schede PCB ora offrono schede di finitura argento allo stesso prezzo dei prodotti HASL.


9. Sintesi di questo articolo

Sembra che la tendenza per alcune aziende sia che OSP sia visto come un sostituto naturale per HASL. Questa scelta deriva probabilmente dal riconoscimento dei risparmi unitari di costo. ICT engineers should pay attention to this trend: OSP-coated PCBs will not perform as well as other alternative piombo-free finishes unless the test pads are covered with solder. Se il flusso di processo non viene modificato, il potenziale risparmio di costo iniziale può essere compensato dal costo di cambio delle sonde, manutenzione degli apparecchi, modifica del software di prova, e rottami che danneggiano la tavola. Vediamo molto del contrario accadere nella selezione OSP. Il consiglio ai clienti che non hanno abbandonato il processo HASL al piombo è quello di considerare i vantaggi e gli svantaggi di tutti i possibili processi alternativi PCB senza piombo, garantire che tutte le fasi di fabbricazione siano oggetto di prove, comprese le prove, per argento Scheda PCB non abbiamo risultati conclusivi sull'impatto dei processi di trattamento delle superfici sulle TIC. Abbiamo discusso con i clienti che utilizzano la finitura argento e non hanno notato alcun problema di contatto con la pinza utilizzando questa finitura.