Una delle finiture superficiali più ampiamente utilizzate sui PCB nella produzione elettronica odierna è il Nichel Chimico Oro ad Immersione (ENIG). Grazie alla sua eccellente planarità, all’elevata resistenza all’ossidazione e alla possibilità di essere impiegata in componenti a passo fine, l’ENIG è comunemente utilizzato in prodotti tra cuiSchede HDI, assiemi BGA, elettronica automobilistica, dispositivi medici e apparecchiature per telecomunicazioni.
Le schede a circuito stampato sono sottoposte a cicli di rifusione multipli sempre più frequentemente man mano che gli assiemi elettronici diventano più complessi e compatti. Diverse rifusioni ad alte temperature si verificano su un PCB duranteassemblaggio SMT a doppia faccia, sostituzione dei componenti, operazioni di riparazione e ripetute profilature termiche. Sebbene l’ENIG mostri buone prestazioni in molte applicazioni impegnative, l’esposizione a lungo termine a cicli termici ripetuti può influire sulla saldabilità, sulle proprietà meccaniche e sull’affidabilità dell’ENIG.
Cosa succede durante cicli multipli di rifusione?
Ciclo di rifusione: Il processo di riscaldamento di una pasta saldante per fonderla e creare una connessione elettrica tra i componenti e i pad del PCB. Le tipiche temperature di picco di rifusione inproduzione senza piombosono compresi tra 240°C e 260°C, il che sottopone i rivestimenti superficiali del PCB a un forte stress termico.
Una finitura ENIG è composta da due strati metallici:
Nichel chimico: Fornisce una barriera di diffusione tra il rame e la saldatura.
Oro a immersione: Protegge il nichel dall’ossidazione prima della saldatura.
Durante la saldatura, il sottile strato d’oro si fonde nel materiale di saldatura e quest’ultimo entra in contatto con lo strato di nichel al di sotto dell’oro. Questa interfaccia viene continuamente modificata con i ripetuti cicli di rifusione, il che può influire sull’affidabilità a lungo termine.
Crescita di composti intermetallici
Un effetto importante di un ciclo di rifusione multiplo sull’ENIG è la formazione progressiva di composti intermetallici.
Quando la saldatura fusa entra in contatto con lo strato di nichel, si formano composti di nichel e stagno (Ni₃Sn₄) all’interfaccia del giunto di saldatura. La crescita dell’IMC è essenziale per l’adesione della saldatura; tuttavia, se si forma una quantità eccessiva di IMC, l’affidabilità del giunto verrà compromessa.
Studi con esposizioni ripetute al riflusso indicano che, a ogni riflusso, lo spessore degli strati di IMC aumenta e la resistività dei giunti di saldatura cresce. Di conseguenza, i giunti di saldatura, quando sono esposti a sollecitazioni termiche, possono diventare fragili e meno capaci di resistere alla fatica meccanica.
Una crescita eccessiva degli intermetallici può causare:
Fragilità dei giunti di saldatura
Resistenza meccanica ridotta
Rischio maggiore di formazione di crepe nel sistema di tubazioni
Diminuisce la tolleranza allo shock termico e la stabilità
In generale, i giunti di saldatura su ENIG mostrano tassi di crescita dell’IMC più lenti rispetto ad altre finiture a base di rame, ma cicli di rifusione ripetuti possono comunque causare l’indebolimento dei giunti di saldatura nel tempo, in particolare in ambienti di esercizio gravosi.
Arricchimento di fosforo e degradazione dell'interfaccia
Il fosforo è presente nell’intervallo da medio ad alto contenuto di fosforo nello strato di nichel chimico nell’ENIG. Il riscaldamento ripetuto provoca l’accumulo di fosforo all’interfaccia e la diffusione del nichel nella saldatura.
Un’area così ricca di fosforo può diventare fragile a seguito di esposizioni termiche multiple, portando alla possibilità di cedimento all’interfaccia. Possono formarsi cricche nella zona di giunzione meno buona quando, durante l’uso, vengono applicate sollecitazioni aggiuntive.
L'arricchimento di fosforo può portare a:
Debole saldatura
Bagnabilità ridotta
Zone di frattura fragile
Giunzioni di saldatura che non si legano correttamente. - Guasto delle giunzioni di saldatura
Pertanto è importante disporre di una chimica ENIG stabile e di un buon controllo della placcatura per garantire buone prestazioni di assemblaggio.
Problemi di Black Pad e saldabilità
Un problema di affidabilità comune dell’ENIG è il fenomeno del “black pad”. Quando si verifica una corrosione eccessiva sullo strato di nichel durante il processo di doratura a immersione, si crea una superficie scura contenente fosforo, che interferisce con il processo di saldatura, causando il “black pad”.
Sebbene i difetti di black pad possano non essere sempre evidenti durante l’ispezione, il riflusso può anche aggravare il problema, aggiungendo sollecitazioni termiche a interfacce già deboli, a causa del numero di cicli di riflusso. A volte le giunzioni saldate possono sembrare buone all’inizio, ma si guasteranno a causa di vibrazioni, cicli termici o urti meccanici.
Oltre al black pad, diversi cicli di rifusione possono anche causare una diminuzione della saldabilità a causa di:
Ossidazione del nichel
Contaminazione superficiale
Formazione eccessiva di IMC
Prestazioni di bagnatura ridotte
Le problematiche di affidabilità stanno diventando sempre più significative a causa della crescente portabilità, miniaturizzazione e complessità dei prodotti elettronici.
Sfide nell’assemblaggio senza piombo
I molteplici cicli di rifusione sono stati accelerati con l’uso di saldature senza piombo. I processi di saldatura senza piombo richiedono temperature più elevate e un tempo più lungo al di sopra del liquidus rispetto alla tradizionale saldatura stagno-piombo.
Queste condizioni termiche più estreme accelerano:
Dissoluzione del nichel
Crescita intermetallica
Ossidazione
Affaticamento termico
Pertanto, le superfici ENIG sono più soggette a degradarsi in condizioni senza piombo dopo i cicli termici. Ciò è particolarmente importante per applicazioni con una lunga durata di servizio, come nell’elettronica automobilistica, aerospaziale o industriale.
Come ridurre i guasti legati al riflusso
Le condizioni di rifusione multiple spesso richiedono ai produttori di adottare diverse precauzioni per garantire l’affidabilità delle finiture ENIG.
Controllo rigoroso del processo
Lo spessore del nichel, lo spessore dell’oro, il contenuto di fosforo e la chimica di placcatura sono attentamente monitorati per ridurre al minimo la possibilità di fenomeni di black pad e di problemi di saldabilità.
Profili di rifusione ottimizzati
È importante evitare qualsiasi esposizione termica non necessaria. Uno dei modi migliori con cui i produttori possono ridurre al minimo le temperature di picco, il tempo al di sopra del liquidus e i cicli di rilavorazione non necessari è limitare il più possibile tali estremi.
Conservazione corretta e gestione dell’umidità
Le prestazioni di saldatura possono essere influenzate negativamente dall’umidità e dalla contaminazione. L’affidabilità durante i processi di rifusione ripetuti è migliorata da un corretto stoccaggio, dalla conservazione in armadi a secco e da una corretta gestione dei componenti sensibili all’umidità.
Finiture superficiali alternative
Se le prestazioni alle alte temperature sono un requisito fondamentale per le applicazioni, alcuni produttori possono prendere in considerazione l’uso di ENEPIG o di argento ad immersione, a seconda dei requisiti di assemblaggio.
L’ENIG è ancora una delle finiture superficiali per PCB più affidabili e versatili nell’odierna produzione elettronica. L’elevata planarità, la buona resistenza alla corrosione e la compatibilità con il fine pitch favoriscono i PCB ad alta densità e l’assemblaggio SMT avanzato.
Ma diversi cicli di rifusione possono comportare molti problemi di affidabilità. Esposizioni multiple al calore favoriscono la crescita di composti intermetallici, l’arricchimento di fosforo, la fragilità dei giunti di saldatura e, in alcuni casi, possono aggravare problemi latenti di “black pad”. Gli effetti sono ulteriormente accentuati quando l’ambiente è lead-free, poiché durante la lavorazione vengono utilizzate temperature più elevate.
Per garantire l’affidabilità a lungo termine dei giunti di saldatura, i produttori devono ottimizzare la qualità della placcatura ENIG, i profili di rifusione e la gestione termica durante l’intero processo di assemblaggio di saldatura.
Con l’evoluzione dei prodotti elettronici verso una maggiore densità e complessità, è sempre più importante collaborare con un partner esperto nella produzione di PCB. PCBCart offre servizi professionaliServizio di assemblaggio e fabbricazione di PCBcon un rigoroso sistema di controllo qualità che soddisfa le applicazioni ad alta affidabilità della produzione elettronica.
Risorse utili
•Introduzione e confronto delle finiture superficiali PCB
•Le linee guida più complete per la selezione della finitura superficiale
•Confronto tra la procedura di produzione con saldatura al piombo e senza piombo nel PCBA
•Elementi che influenzano la qualità della saldatura SMT e misure di miglioramento
