Одной из основных функций гальванических покрытий является повышение коррозионной стойкости подложки, например, медь в печатных платах и разъемах, или других слоев, на которые наносится покрытие. В электронике эти покрытия также необходимы, чтобы обеспечить требуемую электропроводность и износостойкость.
Кроме того, покрытие должно обеспечивать возможность прикрепления к другим поверхностям посредством пайки, физической вставки и других методов.
На протяжении нескольких десятилетий в отрасли гальванических покрытий для электроники использовался промышленный стандарт на традиционное никелевое покрытие (1 — 2 мкм) с добавлением твердого золота (0,10 — 0,75 мкм, в зависимости от сферы применения). Как показано на рисунке 1, никель обеспечивает барьерный слой для защиты медной подложки, которая в противном случае потускнела бы и стала непригодной для использования. Слой золота обеспечивает улучшенную проводимость, износостойкость и паяемость. Последующая обработка защищает низлежащие слои и сохраняет паяемость при хранении.
Рисунок 1. Схематическое изображение системы никель-золото.
Однако необходимость в повышении надежности привела к ужесточению требований, особенно в отношении коррозионной защиты.
Например, по мере уменьшения размеров полупроводниковых устройств с интегральными схемами (ИС) и печатных плат резко возросли геометрические требования к электронным соединениям. Поэтому особенно актуальной стала разработка более надежных альтернативных вариантов на замену систем никель/золото.
УЛУЧШЕНИЕ БАРЬЕРНЫХ СЛОЕВ
В качестве традиционного барьерного слоя для электронных компонентов выступает матовое покрытие на основе сульфамата никеля.
Оно хорошо служило отрасли на протяжении многих лет, но из-за уменьшения размеров и повышения геометрической сложности компонентов дальнейшее использование этого покрытия становится проблематичным.
Нанокристаллический никель – это усовершенствованный гальванический процесс, разработанный для улучшения распределения толщины никеля и повышения коррозионной стойкости, в котором используется запатентованный электролит и высокоскоростной/рулонный метод нанесения. Процесс позволяет получить полублестящие, пластичные покрытия с низкими внутренними напряжениями. Наноразмерные зерна приближают покрытие к аморфному.
В таблице 1 представлено сравнение свойств нанокристаллического покрытия и покрытия на основе сульфамата никеля.
Более высокая проводимость электролита обеспечивает более высокую рассеивающую способность. Это подтверждается данными, полученными для конструкции соединителя (рисунок 2), согласно которым при использовании нанокристаллического никеля (данные обозначены красным цветом) распределение толщины улучшается на 30-40%.
Рисунок 2. Сравнение рассеивающей способности электролитов на основе нанокристаллического и сульфаматного никеля.
Для некоторых областей применения желательно полное удаление никеля из системы нанесенного покрытия (например, для предотвращения никелевого дерматита). Для таких случаев была разработана технология нанесения барьерного слоя на основе кобальт-вольфрамового сплава (CoW). Состав покрытия из этого сплава: 65/35 Co/W (±5%). Он также имеет нанокристаллическую структуру и обладает твердостью 600-700 VH. Покрытие с низким напряжением и высокой коррозионной стойкостью.
Производственный процесс обеспечивает широкий диапазон возможных рабочих параметров и используется как упрощенная замена для никелевых или никель-вольфрамовых электролитов в существующих технологических линиях. Это покрытие подходит для потребительских товаров, поскольку не содержит никель и не вызывает проблем, связанных с никелевым дерматитом.
АЛЬТЕРНАТИВЫ ПРОЦЕССАМ ЗОЛОЧЕНИЯ/ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ
Поиск альтернативных решений для замены золочения часто обусловлен экономической составляющей. Одним из наиболее перспективных вариантов является применение серебра с соответствующей последующей обработкой. До сегодняшнего дня применение серебра в сферах, не связанных с автомобильной техникой, ограничивали две технические проблемы — износостойкость, особенно после многократно повторяющихся действий при эксплуатации; и коррозионная стойкость, например, проблема потускнения серебра.
Использование серебра в автомобильной отрасли сейчас сводится к компонентам в закрытых корпусах, на которые оказывается минимальное воздействие. Идеальным решением был бы износостойкий/коррозионностойкий процесс серебрения. Традиционные серебряные покрытия, однако, демонстрируют высокий коэффициент трения (около 1,2) как при нанесении, так и после отвреждения. Для нанесения покрытий на основе серебряных сплавов сейчас используется запатентованная двухкомпонентная система, включающая состав для электроосаждения серебряного сплава и специальный состав для последующей обработки.
Твердость покрытия после нанесения составляет 175 по Кнупу, после отверждения – 145 по Кнупу.
Контактное сопротивление низкое и стабильное: ~2,5 мОм после отверждения, а также после 20 дней испытания на воздействие потока газовой смеси. Износостойкость также стабильна, коэффициент трения ~0,2 после отверждения и 20-дневного испытания в потоке газовой смеси. Испытание на коррозионную стойкость показало минимальные следы или полное отсутствие коррозии после 20 дней воздействия потока газовой смеси. Испытание на паяемость в соответствии со стандартом J-STD-002C было пройдено после 500 часов отверждения.
Процесс нанесения покрытий на основе серебряного сплава дополняется неорганическим нанопокрытием. Эта система прошла коррозионные испытания в серной среде, включающие полное погружение деталей в 5% раствор сульфида калия (K2S) в течение пяти минут. Аналогичные результаты наблюдались после пяти дней воздействия потока газовой смеси согласно стандарту EIA-364-65B, класс IIa.
Для серебра существует несколько вариантов: электроосаждение серебряного сплава с последующей обработкой, серебрение с нанесением нанопокрытия только для коррозионной защиты и серебрение с двухстадийной последующей обработкой, которая включает нанесение нанопокрытия и дополнительное погружение (смазка).
НОВЫЕ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТРЕБУЮТ НОВЫХ ПОКРЫТИЙ
В сфере покрытий для электронных компонентов продолжают возникать новые задачи в связи с развитием новых областей применения. Значительное место среди них занимают электролитические, устойчивые к воздействию пота покрытия разъемов, которые используются в мобильных телефонах, контактах разъемов с тугой посадкой и высокочастотных устройствах (5G).
Два последних изменения в мобильных технологиях оказывают огромное влияние на гальванические покрытия, используемые для разъемов мобильных телефонов.
Во-первых, замена традиционных разъемов для наушников на универсальный разъем, который служит и для электрической зарядки, и для подключения наушников.
Во-вторых, внедрение технологии «быстрой зарядки». Когда мобильные телефоны стали широко распространены, для стандартной зарядки использовался режим 5 В/1 А или 1,0 Вт. Технология “быстрой зарядки” развивалась в течение трех поколений, и сегодня используется динамическая зарядка до 18 Вт.
Оба фактора повлияли на технологию разъемов для мобильных телефонов. Использование наушников и/или зарядного устройства для мобильного телефона во время спортивной тренировки (то есть использование разъема) приводит к тому, что человеческий пот попадает на разъем в присутствии электрического тока.
Другая проблема связана с потребностью в реалистичном коррозионном испытании для имитации условий возникновения коррозии под воздействием человеческого пота. Стандартные испытания предусматривают размещение образца в коррозионно-активной атмосфере, например, испытание в парах азотной кислоты или в нейтральном солевом тумане (хлорид натрия). Коррозия распространяется с внешней стороны разъема внутрь. При воздействии человеческого пота разъем практически погружается в электролит и коррозия распространяется изнутри.
При испытании на устойчивость к поту анодный заряд воздействует на разъем, погруженный в электролит на основе искусственного пота, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Электролитическое испытание на устойчивость к поту.
Всестороннее испытание в лабораториях позволяет определить некоторые аспекты обработки, которые необходимо учесть, чтобы система соответствовала техническим требованиям. Крайне важное значение имеет подготовка медной подложки, а также требуется высококоррозионностойкий барьерный слой (или слои). Для высокотехнологичных компонентов нельзя использовать никель.
Золото в качестве верхнего слоя нельзя использовать, поскольку оно не выдержит испытаний на устойчивость к поту. Поэтому необходимо родийсодержащее (Rh) покрытие, устойчивое к воздействию раствора искусственного пота.
С внедрением контактов разъемов с тугой посадкой появились новые разработки. Применение матового оловянного покрытия в этих компонентах привело к образованию длинных «усов» на некоторых запрессованных контактах, что является частой причиной коротких замыканий. Быстрый рост усов на запрессованных соединениях обусловлен высоким механическим напряжением на оловянных поверхностях.
Изготовители разъемов и/или конечные потребители в течение многих лет пробуют использовать различные неоловянные покрытия.
Рисунок 4. Обзор новых систем, соответствующих требованиям современных технологий отделки электронных компонентов.
Недавно появилось два альтернативных покрытия, которые можно считать возможным решением проблемы образования усов на контактах с тугой посадкой. Оловянные сплавы (Sn-Ag, Sn-Bi, Sn-Pb) по подслою никеля показали хорошие результаты, однако безоловянистый слой индия продемонстрировал существенное улучшение характеристик.
В настоящее время происходит быстрое внедрение связи 5G с высокими частотами. С этой новой технологией также появляются сложности в сфере покрытий для электронных компонентов. В данном случае при разработке финишного покрытия печатных плат необходимо учитывать потери высокочастотного сигнала. Дополнительная потеря высокочастотного сигнала происходит при использовании стандартного иммерсионного золочения по подслою никеля (ENIG). Выяснилось, что никелевое покрытие является основным источником потери сигнала.
Исследования показали, что для снижения потерь сигнала покрытие разъема должно иметь безникелевый барьерный слой, а также высокую проводимость и коррозионную стойкость.
Подходящим вариантом является палладий, который может выступать как в качестве барьерного слоя, так и в качестве финишного покрытия.
Однако для обеспечения эффективности барьерного слоя требуется высокая толщина (>0,75-1,0 мкм), а электроосажденный палладий при такой толщине покрытия, как известно, образует микротрещины.
Решением стал запатентованный процесс палладирования, устойчивый к образованию микротрещин.
Этот процесс позволяет получить покрытия с низкими напряжениями без микрорастрескивания, которое наблюдается на палладиевых покрытиях толщиной до 4 мкм. Покрытия толщиной до 2 мкм обладают стойкостью к растрескиванию при изгибе. Процесс работает при нейтральном pH и не выделяет аммиачный запах.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Роб Скетти – вице-президент компании Technic.
Сайт: www.technic.com.
Статья подготовлена доктором Джеймсом Линдсэй, техническим редактором NASF, на основе презентации, представленной на конференции SUR/FIN 2018.
