Dati PCB - Ricerca e suggerimento sulla tecnologia di trattamento superficiale della scheda PCB senza piombo

L'emergenza della scheda PCB senza piombo ha sollevato nuovi problemi per le prove in circuito (TIC). Questo documento descrive i processi esistenti di trattamento superficiale dei 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 modifiche specifiche che devono essere apportate durante la costruzione del PCB per soddisfare i requisiti ICT. Storicamente, la principale preoccupazione dell'ingegnere di prova è stata quella di assicurarsi di avere un programma di prova efficace che funzioni bene nella produzione. La "In-Circuit Test (ICT)" rimane un metodo molto efficace per rilevare difetti di fabbricazione. I sistemi ICT più avanzati possono anche aggiungere valore reale alla configurazione funzionale di prova fornendo i mezzi per programmare memoria Flash, PLD, FPGA e EEPROM al momento della prova. Il sistema Agilent 3070 è commercializzabile nel settore delle TIC. Le TIC svolgono ancora un ruolo importante nel processo di fabbricazione e prove dell'assemblaggio di circuiti stampati (PCA), ma in che modo la ricerca di PCB senza piombo influirà sulla fase delle TIC? La spinta per la tecnologia di saldatura senza piombo ha portato a molte ricerche sulla tecnologia di trattamento superficiale per schede PCB. Questi studi si basano principalmente sulle prestazioni tecniche durante il processo di costruzione dei PCB. Gli effetti delle diverse tecniche di trattamento superficiale dei PCB nella fase di prova sono per lo più ignorati, o si concentrano solo sulla resistenza al contatto. Questo libro presenta i dettagli degli impatti osservati nelle TIC e la necessità di rispondere e comprendere questi cambiamenti.

Lo scopo di questo articolo è quello di condividere esperienze nel trattamento superficiale di schede PCB e formare ingegneri per attuare cambiamenti nei requisiti del processo di produzione di PCB ICT. Questo articolo affronterà la questione della preparazione delle superfici sui PCB senza piombo, in particolare nella fase ICT del processo di fabbricazione, e rivelerà che il successo delle prove di superfici senza piombo dipende anche dai benefici del processo di costruzione dei PCB. Un test ICT di successo è sempre sulle proprietà fisiche dei punti di contatto tra le sonde di prova del letto di aghi e i tamponi di prova sul PCB. Quando una sonda molto tagliente tocca un punto di prova saldato, la saldatura affonderà perché la pressione di contatto della sonda è molto superiore alla resistenza alla resa della saldatura. Mentre la saldatura è recessa, la sonda passa attraverso eventuali impurità sulla superficie del pad di prova. La saldatura non contaminata sottostante ora tocca la sonda per entrare in buon contatto con il punto di prova. La profondità dell'inserimento della sonda è una funzione diretta della resistenza alla resa del materiale bersaglio. Più profondamente penetra la sonda, meglio è il contatto. Una sonda da 8 once (oz) può applicare pressioni di contatto che vanno da 26.000 a 160.000 psi (libbre per pollice quadrato), a seconda del diametro della superficie. Poiché la resistenza alla resa 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 della superficie del PCB

Prima di capire la causa e l'effetto, è importante descrivere i tipi di trattamenti superficiali di PCB disponibili e cosa possono offrire. Tutte le schede a circuito stampato (PCB) hanno strati di rame sulla scheda che si ossidano e vengono danneggiati se lasciati non protetti. Ci sono una varietà di strati di protezione diversi che possono essere utilizzati, quelli comuni sono saldatura a aria calda livellamento (HASL), saldatura organica protezione (OSP), immersione in oro nichel senza elettroli (ENIG), immersione in argento e immersione in stagno.

2. Livellamento della saldatura ad aria calda (HASL)

HASL è il predominante processo di trattamento superficiale al piombo utilizzato nell'industria. Il processo viene formato immergendo la scheda di circuito in una lega piombo-stagno e la saldatura in eccesso viene rimossa dal "coltello ad 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 e vias di prova. Tuttavia, la superficie HASL è povera di pianura o coplanarità 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 dei requisiti di processo verde "rispettoso dell'ambiente", i giorni di questo processo sono numerati. Oltre ai problemi privi di piombo, l'aumento della complessità della scheda e le tonalità più fine hanno esposto molti limiti del processo HASL. Vantaggi: tecnologia di superficie PCB di costo, mantiene la saldabilità durante tutto il processo di produzione e non ha impatto negativo sulle TIC. Svantaggi: sono spesso utilizzati processi basati sul piombo, che ora sono limitati e alla fine saranno eliminati entro il 2007. Per i casi con passaggio fine (<0,64 mm), possono verificarsi problemi di ponteggio di saldatura e spessore. Le irregolarità della superficie possono causare problemi di omogeneità nel processo di assemblaggio.

3. Agente protettivo della saldatura organica

I conservanti di saldatura organica (OSP) vengono utilizzati per creare uno strato protettivo sottile ed uniforme sulla superficie di rame di una scheda PCB. Questo rivestimento protegge il circuito dall'ossidazione durante le operazioni di stoccaggio e montaggio. Questo processo è in circolazione da molto tempo, ma solo recentemente ha guadagnato popolarità con la ricerca di tecnologia senza piombo e soluzioni fine pitch. L'OSP ha prestazioni migliori sull'assemblaggio PCA rispetto all'HASL in termini di coplanarità e saldabilità, ma richiede cambiamenti significativi del processo al tipo di flusso e al numero di cicli termici. È necessaria una manipolazione attenta perché il suo carattere acido degrada le prestazioni dell'OSP e rende il rame suscettibile all'ossidazione. Gli assemblatori preferiscono lavorare con superfici metalliche più flessibili e in grado di resistere a cicli termici più elevati. Con il trattamento superficiale OSP, se i punti di prova non sono saldati, causerà problemi di contatto con il letto di aghi fissaggio presso l'ICT. Semplicemente passare a un tipo di sonda più nitido per attraversare lo strato OSP causerà solo danni e foratura dei vias di prova PCA o dei pad di prova. Gli studi hanno dimostrato che il passaggio a forze di sondaggio più elevate o il cambiamento dei tipi di sonda ha poco effetto sulla resa. Il rame non trattato ha un ordine di grandezza di resistenza a rendimento superiore rispetto alla saldatura al piombo e, di conseguenza, danneggerà i tamponi di prova del rame esposti. Tutte le linee guida sulla testabilità consigliano fortemente di non sondare direttamente il rame esposto. Quando si utilizza OSP, è necessario definire un insieme di regole OSP per la fase TIC. Regole importanti richiedono che lo stencil venga aperto all'inizio del processo di PCB per consentire l'applicazione di pasta di saldatura su quei pad e vias di prova che le TIC devono contattare. Vantaggi: Comparabile a HASL nel costo unitario, buona coplanarità, processo senza piombo, saldabilità migliorata. Svantaggi: il processo di assemblaggio richiede modifiche importanti, la sondatura delle superfici di rame grezzo sarà dannosa per le TIC, le sonde TIC eccessivamente puntate possono danneggiare il PCB, richiedere precauzioni manuali, limitare i test TIC e ridurre la ripetibilità dei test.

4. Immersione in oro di nichel senza elettro

Electroless Nickel Gold Immersion (ENIG), un rivestimento che viene utilizzato con successo su molte schede di circuito, ha una superficie piatta ed eccellente saldabilità nonostante il suo alto costo unitario. Lo svantaggio principale è che lo strato di nichel senza elettro è fragile ed è stato trovato che si crepa sotto sollecitazioni meccaniche. Questo è conosciuto nel settore come "grumi neri" o "crepe di fango", che hanno portato ad una certa stampa negativa da parte di ENIG. Vantaggi: buona saldabilità, superficie piatta, lunga durata di conservazione e può sopportare saldature a riflusso multiple. Svantaggi: Alto costo (circa 5 volte HASL), problema "blocco nero", processo di fabbricazione utilizzando cianuro e alcune altre sostanze chimiche nocive.

5. Immersione in argento

L'immersione in argento è un metodo aggiuntivo di preparazione della superficie per schede PCB. Usato principalmente in Asia, viene promosso in Nord America e Europa. Durante il processo di saldatura, lo strato di argento si scioglie 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 rende facile l'ispezione ed è anche un'alternativa naturale all'HASL per i trattamenti di saldatura. L'immersione in argento è un processo di superficializzazione molto promettente, ma come con tutte le nuove tecnologie di superficializzazione, gli utenti finali sono molto conservatori su di esso. Molti produttori si riferiscono a questo processo come un processo "in fase di indagine", ma è probabile che sia il processo di superficie senza piombo di scelta. Vantaggi: Buona saldabilità, superficie liscia, alternativa naturale all'immersione HASL. Punti negativi: L'atteggiamento conservatore degli utenti finali significa una mancanza di informazioni rilevanti nel settore.

6. Immersione in stagno

Si tratta di un processo di trattamento superficiale più recente con molte proprietà simili al processo di immersione in argento. Tuttavia, ci sono importanti questioni di salute e sicurezza da considerare a causa delle precauzioni contro la tiourea (possibilmente un cancerogeno) utilizzato nel processo di immersione dello stagno durante la produzione di PCB. Inoltre, la migrazione (l'"effetto di sbarra di stagno") è preoccupante, anche se le sostanze chimiche anti-migrazione possono raggiungere un certo successo nel controllo di questo problema. Vantaggi: buona saldabilità, superficie liscia, costo relativamente basso. Punti negativi: preoccupazioni per la salute e la sicurezza, il numero limitato di cicli termici.

7. Riassunto del trattamento superficiale del PCB

Tenendo conto di alcuni problemi con gli impianti e i processi, gli utenti ritengono che una volta che questi problemi sono stati affrontati, il rendimento di passaggio che possono ottenere è tra l'80-90%. Quanto sopra è il metodo principale di lavorazione senza piombo di schede PCB. HASL rimarrà il processo di elaborazione di schede PCB ampiamente utilizzato, in questo caso, nulla cambierà per gli ingegneri di prova. In alcuni paesi, HASL è stato vietato dalla legge e sono state adottate alternative. Mentre la produzione di PCA si espande in aree sempre più diverse, sempre più processi senza piombo saranno visti nei test ICT. Anche se OSP non è un sostituto naturale per HASL, è diventato un'opzione di trattamento alternativa che viene studiata dai produttori di PCA. Quando non sono state apportate modifiche al processo per consentire la pasta di saldatura sui tamponi di prova e sui vias, questo avrebbe portato a un effettivo ICT

Problemi di affidabilità dei test

La conclusione è che il processo di trattamento superficiale dei PCB non è perfetto e ogni metodo ha i suoi problemi da considerare. Alcuni di questi problemi sono più gravi di altri, e tutti questi processi di preparazione della superficie dei PCB senza piombo richiedono modifiche nelle fasi del processo per prevenire problemi di affidabilità del contatto degli impianti presso le TIC. Considerazioni comparative di HASL, OSP e Silver Immersion nella fase delle TIC Ora vorrei concentrarmi su queste tecniche di finitura superficiale e su come influiscono sulle prestazioni delle TIC. La finitura lascia "archi" di saldatura morbidi e vias esposti ai punti di prova, ideali per 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 bersaglio morbido ha due vantaggi: adattarsi alla sonda e assorbire energia. Non c'è tale bersaglio morbido per schede PCB OSP. Al contrario, le superfici di rame sono molto dure e non possono assorbire tanta energia, quindi l'area di contatto diretto che la sonda può "mordere" è ridotta. La placcatura di rame sullo strato esterno è generalmente tra 10 e 50 micron. Combinare la placcatura in rame con il rivestimento OSP e vedrete che le sonde utilizzate per sondare la scheda HASL non funzioneranno sulla scheda di finitura OSP. Gli studi hanno dimostrato che l'OSP crea una "conchiglia" molto dura sul bersaglio di prova durante il tempo di trasferimento più lungo tra reflow e ICT. Il tempo di consegna alle TIC dovrebbe essere inferiore a 24 ore. Ci sono molti altri fattori di processo che possono influenzare il grado in cui l'OSP è confuso per l'ingegnere di prova, alcuni dei quali sono: tipo di fornitore di OSP, numero di passaggi nel forno di riflusso, se il processo di onda viene rimosso, riflusso di azoto o riflusso d'aria e il tipo di simulazione di test presso le TIC. Il sondaggio diretto della superficie di rame accoppiato con la forza della sonda più alta necessaria per penetrare lo strato OSP crea una reale minaccia potenziale di rompere lo strato sottile di rame e causare pantaloni corti interni. Pertanto, la nostra raccomandazione è di non sondare mai le superfici di rame esposte. Esempi recenti hanno dimostrato che i vias della scheda o i punti di prova possono essere perforati dopo 5 a 10 eccitazioni dell'impianto. Per alcuni produttori di PCA, l'impatto dell'OSP sulle TIC è così problematico che si sono completamente allontanati dall'OSP. Altri produttori stanno iniziando a imparare come seguire le "Regole OSP" elencate di seguito. "Regole OSP" per gli impianti e le procedure di prova TIC: ha un impatto elevato sul rendimento attraverso (FPY); può richiedere il cambio delle sonde di fissaggio per una forza più alta, ad esempio da 2N a 3N; può richiedere di cambiare gli impianti Tipo di sonda, cambiato a un tipo più puntato; può richiedere un metodo di eccitazione della presa "doppio clic", o utilizzare pneumatica, manipolatori; i vincoli del programma di test di simulazione possono essere compromessi, aperti o persino ignorati; La ricerca suggerisce queste regole con asterischi Con un impatto potenzialmente relativamente basso sulla resa, il modo per garantire un contatto di prova affidabile è quello di assicurare che i tamponi di prova siano saldati. Alcuni produttori vedono un risparmio immediato sui costi da parte dell'OSP e lo vedono come un'alternativa ai processi senza piombo. Tuttavia, alcune aziende hanno recentemente intrapreso una svolta completa e stanno riesaminando le loro strategie quando considerano i costi reali associati a interruzioni e ritardi di produzione.

8. Immersione in argento

L'immersione in argento è uno strato metallico da 0,4 a 0,8 micron sulla parte superiore dello strato di rame che fornisce la "carne" in cui le sonde di prova possono mordere. L'immersione in argento non è ampiamente utilizzata come HASL o OSP, ma le ricerche iniziali suggeriscono che è 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 della superficie) e lo spessore della superficie sono considerazioni importanti per la ripetibilità. Non c'è alcun problema con l'affidabilità del contatto della macchina con trattamento superficiale in argento nella fase ICT, quindi la macchina di prova non deve essere regolata, ma la sonda o il software di prova dovrebbero essere regolati. Il tasso di incisione è importante per le prove TIC perché determina se la finitura in argento sarà lucida o noia. Durante la fase di deposito di argento, l'argento viene depositato sui contorni della superficie di rame, quindi se la rugosità della superficie aumenta, e quindi l'area, appare come una superficie noia, mentre una superficie con rugosità appare come una superficie luminosa. La ricerca industriale su questo processo di rivestimento è molto limitata ma sembra tecnicamente e commercialmente promettente. 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 in argento allo stesso prezzo dei prodotti HASL.

9. Riassunto di questo articolo

Sembra che la tendenza per alcune aziende sia che OSP sia visto come un sostituto naturale per HASL. Questa scelta derivava probabilmente dal riconoscimento del risparmio sui costi unitari. Gli ingegneri ICT dovrebbero prestare attenzione a questa tendenza: i PCB rivestiti con OSP non funzionano come altre finiture alternative senza piombo a meno che i tamponi di prova non siano rivestiti con saldatura. Se il flusso di processo non viene modificato, il potenziale risparmio sul costo iniziale può essere compensato dal costo di cambiamento delle sonde dell'apparecchio, manutenzione dell'apparecchio, modifica del software di prova e rottami che danneggiano la scheda. 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 a PCB senza piombo, assicurando che tutte le fasi di fabbricazione siano coperte in prove, comprese le prove, per la scheda PCB in argento non abbiamo alcun risultato conclusivo sull'impatto dei processi di trattamento superficiale sulle TIC. Abbiamo discusso con i clienti che utilizzano la finitura in argento e non hanno notato alcun problema di contatto con la presa utilizzando questa finitura.