Rozmowy o jakości obwodów drukowanych cz. 2

Krótko o EN/IG Electroless Nickel / Immersion Gold to coraz częściej stosowane wykończenie. Miedź jest przykryta warstwą niklu, na który nałożona jest o wiele cieńsza warstwa złota, głównie w celu ochrony przed utlenianiem. Do mocnych stron EN/IG zaliczamy:

• równą i jednolitą powierzchnie padów
• ochronną warstwę niklu, która zapobiega rozpuszczaniu miedzi przez cynę
• bardzo dobrą lutowność i dobry „shelf life”
• niklowe wzmocnienie otworów metalizowanych
• dużą odporność powierzchni na zanieczyszczenia

Słabe strony to:

• proces wytwarzania jest bardzo wymagający
• złoto osłabia odporność mechaniczną lutów
• wysokie koszty wytwarzania (co za tym idzie wysoki koszt samego obwodu)
• unikalny rodzaj wady niewystępujący na innych pokryciach: czarne pady

Opiszę dokładniej czarne pady, gdyż jest to wada której miałem nadzieję już nie zobaczyć. Większość dostawców potrafi się przed nią uchronić, jednak w ostatnim czasie znowu zaczęła się pojawiać i dlatego warto ją omówić. Czarne pady objawiają się jako bardzo słabe połączenie, które pod wpływem wibracji lub innych obciążeń mechanicznych separuje się od padu i odsłania charakterystyczną czarną powierzchnię. Problem dotyczy także BGA, które po demontażu odsłoni nam okrągły, ciemno-szary pad, który oczywiście był przyczyną niedziałania pakietu. Źródłem wady jest proces wytwarzania obwodów z pokryciami EN/IG. Niestety jest to łatwa do rozpoznania wada, ale dopiero po polutowaniu, a właściwie braku prawidłowych lutów. Przed montażem, w czasie rutynowej kontroli materiału wejściowego, bardzo trudno ją wykryć i w ten sposób przenika do procesu. Czasem produkt może przejść testy, wyjechać do klienta końcowego/dystrybutora i dopiero wtedy przestać działać. Dla zainteresowanych krótka charakterystyka:

• wada nie dotyczy wszystkich padów, nie musi też dotyczyć tych samych obszarów na każdej płytce, pojawia się nieregularnie, bardzo trudno ją odtworzyć w tym samym miejscu na obwodzie
• cieńsze warstwy niklu podczas pomiarów (np. spektrometrem rentgenowskim)
• brak warstwy międzymetalicznej
• wyższe poziomy fosforu podczas pomiarów

Aby przed ujawnieniem się wady jednoznacznie sprawdzić, czy mamy do czynienia z czarnymi padami, niezbędna będzie pomoc jednostek badawczych. Przyczyna powstania Zanim omówię przyczynę, kilka słów o pozłacaniu PCB w technologii EN/IG. W przeciwieństwie do elektrolitycznego nakładania warstwy złota, nie jest wymagane połączenie elektryczne wszystkich obszarów, które mają być pokryte. Jednakże nie ma sposobu, aby umieścić złoto bezpośrednio na miedzi. Przeprowadza się więc dwie kąpiele chemiczne: pierwsza pokrywa miedź niklem, który przyciąga atomy złota w drugiej kąpieli. Podczas tego etapu wyższe stężenia fosforu mogą pojawić się na powierzchni niklu i właśnie obecność tego pierwiastka podejrzewa się o wywoływanie czarnych padów. Niestety, tak jak wspominałem, złoto na powierzchni nie wykazuje żadnych nieprawidłowości i dopiero podczas lutowania atomy złota rozpłyną się do cyny, a na powierzchni niklu mogą gwałtownie pojawić się procesy korozyjne. Dodatkowym mankamentem jest fakt, że naukowo nie połączono jeszcze wszystkich czynników, jakie wpływają na powstawanie tej wady. Naprawa, zagrożenia, wykrywanie i zapobieganie: Niewątpliwie największym zagrożeniem jest fakt, że luty wyglądają na prawidłowe i problem może nie zostać wykryty w czasie produkcji (im dalej w łańcuchu wada się ujawni, tym większe straty). Co do naprawy: tak naprawdę nie ma takiej możliwości i absolutnie nie powinno się sprzedawać czy wykorzystywać wadliwej partii produktów. W skrajnych przypadkach przy prostych pakietach, których zawodność da się jeszcze oszacować (na przykład mają tylko kilka padów), naprawa jest do rozważenia. W innych przypadkach cała dostawa obwodów powinna zostać zareklamowana. Zapobieganie nie jest możliwe, jeżeli już trafiły do nas obwody obarczone wadą. Ważny jest moment, w którym tę wadę wykryjemy. Przydatne są szkolenia i warsztaty dla inspektorów, podczas których naświetlimy problem i nauczymy przeprowadzać proste testy siłowe, np. podważanie wyprowadzeń pincetą. Dobrą ochroną jest solidna ocena dostawców, rozbudowana o parametry jakościowe z procesu produkcyjnego. Dodatkowo w wypadku reklamacji należy wymagać od dostawcy raportu 8D lub innego dokumentu, który będzie zwierał co najmniej przyczynę wystąpienia wady i metodę przeciwdziałania tego typu dostawom w przyszłości. Pozostałe wady i zapobieganie Nasilenie wad dotyczy głównie producentów azjatyckich, więc w stosunku do nich zaleciłbym największe środki ostrożności. Niestety, większość wad związanych z lutownością ma podłoże chemiczne i często nie jest możliwe ich wykrycie na poziomie kontroli wejściowej (zresztą mało kto przeprowadza kontrolę wejściową całej partii). Z moich doświadczeń wynika, że jeżeli występuje wada, to albo dotyczy całej partii – obwody z tym samym „data code” – albo dotyczy tylko kilku opakowań, czasem jednego. Datę można znaleźć nadrukowaną w pobliżu logo producenta, w formacie WWYY (WW – numer tygodnia, YY – rok). Przykładowo 2312 będzie 23 tygodniem 2012 roku. Można natrafić na odwrotne kodowanie, czyli YYWW (pamiętam producenta który kodował YWWY ale na szczęście wyrównał do standardu). Ciekawym rozwiązaniem jest rozbudowa współpracy z dostawcami, aby do każdej partii dołączali jeden/dwa panele do testów lutowności, które będziemy mogli przepuścić przez piece i agregaty bez ryzyka i ewentualnych zmian ilości w systemach. To bardzo dobra metoda na krótsze partie, zwłaszcza te wysokiego ryzyka. Producenci zazwyczaj mają kilka sztuk, które przykładowo nie przechodzą testów elektrycznych, ale na potrzeby testów lutowności nadają się idealnie. Osoby zainteresowane tematem, lub omówieniem innych popularnych problemów, zachęcamy do kontaktu. © Michał Jagodziński