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IPC表面涂层技术规范 镀覆分委员会
  2021-11-30      58

文章来源:PCB007中文线上杂志

规范是OEM电路板设计师在指定表面涂层属性时要求引用的参考文件。设计师可以对规范中的一个或多个项目提出异议,以确保产品满足其预期用途的要求。术语“AAUBUS”(由用户和供应商协商确定)是规范的组成部分。

规范是一致同意的文件。由终端用户(OEM)、制造商、组装商和供应商等行业参与者组成的小组共同商讨开发而成。如果达成共识,则委员会将其记录在规范草案中,供业界同行审查。

在无法达成共识的情况下,委员会将在通常称为“循环”(Round Robin,简称RR)研究中进行测试。在RR研究中,设计并制造协商确定的测试载体(test vehicle,简称TV)。然后将TV发送给不同的供应商,这些供应商将在PCB上沉积协商确定的厚度,并进行研究。然后收集TV,并验证和记录沉积厚度。接着,对TV进行编码并再次发送到不同的测试点,以测试所希望达到如不同涂层厚度的焊接、接触和引线键合能力等属性。然后收集、整理和记录数据。此时,再为达成共识进行新的尝试,一旦达成共识时,即可设定厚度,起草规范。

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“草案”是为了“业界同行评审”而发布的。任何IPC成员都可以对文件进行评审,并提出技术或编辑上的修改建议。然后审查所有意见,并在发布“最终草案”之前解决所有问题。此时,IPC承担以最终格式发布规范文件的任务。

IPC镀覆分委员会4-14从2001年至2019年一直积极开发所负责的标准。Uyemura International Corp公司George Mild及咨询测试机构ST and S Group总裁兼所有人Gerard O’Brien共同担任该委员会主席。

IPC镀覆分委员会4-14自成立以来,已发布了下列标准:

  • 《IPC-4552印制电路板化学镀镍/浸金(ENIG)镀覆性能规范》,2002年·《IPC-4553印制电路板浸银规范》,2005·《IPC-4554印制电路板浸锡规范》,2007·《IPC-4553A印制电路板浸银规范》,2009·《IPC-4554A印制电路板浸锡规范》,2011·《IPC-4552印制电路板化学镀镍/浸金(ENIG)镀覆性能规范(修订版)》,2012·《IPC-4556印制电路板化学镀镍化学镀钯/浸金(ENEPIG)规范》,2013·《IPC-4556印制电路板化学镀镍化学镀钯/浸金(ENEPIG)规范(修订版)》,2015·《IPC-4552A印制电路板化学镀镍/浸金(ENIG)镀覆性能规范》,2017·《IPC-4552B印制电路板化学镀镍/浸金(ENIG)镀覆性能规范》,2021 IPC-4552ENIG(Electroless Nickel / Immersion Gold,简称ENIG)规范于2002年发布。当时尚未使用无铅焊料。

对于厚度,IPC-4552规定如下:

  • EN层厚度应当为3~6µm(118.1~236.2µin)·在低于平均值4σ(标准偏差)下,最小IG厚度应当为0.05µm(1.97µin)。典型厚度范围为0.075~0.125µm(2.955~4.925µin)·未设定上限值 IPC-4553浸银规范于2005年发布。2005年,两种不同类型的浸银具有不同的厚度推荐值,分别称为“薄”和“厚”。每种厚度都要求采用其对应的厚度规范。

最初的IPC-4553规范规定了下列沉积厚度。

两种厚度规范:·薄银:在面积为2.25µm²(3600mil²)的焊盘上测得的工艺平均值-2σ下的最小值为0.05µm(2µ")。典型值为0.07µm(3µ")~0.12µm(5µ")·厚银:在面积为2.25µm²(3600 mil ²)的焊盘上测得的工艺平均值-4σ下的最小厚度为0.12µm(5µ")。典型值为0.2µm(8µ")~0.3µm(12µ")。 IPC-4554浸锡规范于2007年发布。对于浸锡,委员会规定了厚度下限值为相对较厚的1µm,以确保储存后表面有足够的原始锡可用于焊接。众所周知,锡和底层铜形成金属间化合物(IMC)层,且该层厚度随时间不断增加。

在面积为2.25µm²(3600mil²)的焊盘上测得的浸锡厚度应当为:在工艺平均值-4σ处的最小厚度为1.0µm(40µ")。典型值为1.15µm(46µ")~1.3µm(52µ")。

IPC-4554浸锡规范于2011年完成修订。修订内容涉及可焊性测试,并规定了允许的沉积层应力测试条件以及用于锡铅和无铅测试的助焊剂类型。

2008年开发了OSP(有机可焊性防腐层)规范IPC-4555。在辛苦工作一年多后,未就IPC-4555达成任何共识。这主要是由于用于各种应用可焊性保护的有机产品种类繁多,每种产品都有其推荐厚度值。

2009年,对浸银规范IPC-4553进行了修订,并于2009年发布了浸银规范IPC-4553A版。原始规范中的薄规范和厚规范混淆不清,难以理解。此外,行业决定采用一种浸银厚度,因此必须发布单一厚度规范,并增加规范上限,IPC-4553A规定了单一厚度的上限值:

  • 在约2.25mm²的焊盘面积,例如1.5mmx1.5mm(60 mil×60 mil)上测量所得的工艺平均值±4σ处,最小厚度为0.12µm(5µin)~最大0.4µm(16μin)。典型值介于0.2µm(8µin)~0.3µm(12µin)之间。·设定了上限值。 2012年,修订了IPC-4552ENIG规范,以降低浸金厚度的下限值。金层厚度的下限值从0.05µm降至0.04µm(1.6µin),且有以下限制:

  • 限定了从制造到组装的时间·证明镀覆工艺的一致性·测量低金厚度的能力

IPC-4556 ENEPIG 2013

委员会经开发所形成的ENEPIG(Electroless Nickel/Electroless Palladium/Immersion Gold,简称ENEPIG)规范文件非常全面,包括从进行的RR研究中获得的大量信息。附录中包含了这些研究的文件,每个研究都是由进行测试的人撰写的。它还包括关于设备设置的适当方法专门章节,可靠地测量非常薄的金属沉积层。

附录1~附录9

1.化学定义和工艺顺序;Dow Chemical Company,Martin Bayes2.循环测试总结;Uyemura International Corporation,George Milad3.ENEPIG PWB表面涂层XRF循环测试;S T and S Group,Gerard O’Brien4.影响XRF法测定ENEPIG涂层准确度的因素;Calmetrics Inc.,Frank Ferrandino5.ENEPIG PWB表面涂层润湿平衡测试;S T and S Group,Gerard O’Brien6.焊料扩展测试;Continental,Brian Madsen7.ENEPIG PWB表面涂层剪切测试项目;Rockwell Collins Inc.,Dave Hillman等8.金丝线键合;St Jude Medical,Stephen Meeks9.薄金和钯(ENEPIG)的XRF厚度测量;仪器(探测器)的建议及其限制;Fischer Technology,Michael Haller ENEPIG规范的厚度规定如下:

  • 镍:在平均值±4σ(标准偏差)下为3µm~6µm(118.1µin~236.2µin)·钯:在平均值±4σ(标准偏差)下为0.05µm~0.30µm(2µin~12µin)·金:在低于平均值-4σ(标准偏差)下,最小值为0.030µm(1.2µin),未设定上限值·应在1.5mm×1.5mm(0.060in×0.060in)的标称焊盘尺寸或等效面积上进行所有测量 IPC-4556ENEPIG规范于2015年修订。此次修订增加了浸金厚度规范的上限值。ENEPIG的厚度规范规定:

  • 镍:在平均值±4σ(标准偏差)下为3µm~6µm(118.1µin~236.2µin)·钯:在平均值±4σ(标准偏差)下为0.05µm~0.30µm(2µin~12µin)·金:在低于平均值-4σ(标准偏差)下,最小值为0.030µm(1.2µin),最大值为0.07µm(2.8µin) 如果设计要求较厚的金,则应使用其他金沉积方法,如:

  • 化学镀金·还原辅助浸金(Reduction assisted immersion gold,简称RAIG)

应在1.5mm x 1.5mm [0.060in x 0.060in]的标称焊盘尺寸或等效面积上进行所有测量。

IPC-4552A版,ENIG

IPC-4552 A版ENIG规范于2017年发布。该修订版增加了浸金的新下限值,并首次规定了上限值。IPC-4552A还讨论了镍腐蚀问题,并规定了“腐蚀图”。它还包括了鉴定XRF设备的方法。

2017年发布的IPC-4552 A版ENIG规范规定:·金层厚度应当为1.6µin(0.04µm)~4.0µin(0.1µm)·必须严格遵守4.0µin的上限值 腐蚀图在放大1000倍的光学显微镜下,检查ENIG表面上的腐蚀尖刺(如有)的频率和深度,见图1。分为3个级别:

  • 1级:可接受(深度小于镍镀层厚度20%的尖刺缺陷少于10个)·2级:有争议(尖刺和深度>1级且·3级:不合格(深度大于2µm的尖刺缺陷多于10个)

image005 (1)

这是第一次考虑镍腐蚀问题,IPC-4552A规范奠定了基础。很明显,规定腐蚀评估的方式存在问题,因为它没有考虑腐蚀发生的频次。

IPC-4552B版修订工作于2017年启动,以解决这一不足。IPC-4552B版保留了A版中设定的级别,但增加了量化发生频次的方法。IPC-4552B引入了术语“产品等级”。对镀通孔中的7个指定位置或表面焊盘上的5个指定位置检查腐蚀缺陷及其发生频次:

  • 产品等级0:合格;无腐蚀缺陷。·产品等级1:可接受;>60%的检查位置显示有1级或以下腐蚀。·产品等级2:(可接受,前提是满足可焊性要求);缺陷和频次大于产品等级1但小于产品等级3。·产品等级3:不合格;超过40%的位置有3级缺陷。 随着IPC-4552A版和IPC-4552B版的发布,现在有了量化镍腐蚀的方法。作者的经验是,量化方法的可用性已经产生了巨大的效益,因为缺陷的发生表明镍腐蚀已经受到控制的迹象。OEM或客户现在可指定可接受的腐蚀水平,制造商和供应商必须进行必要的更改以满足这些水平要求。

本文摘选刊登,更多内容可点击这里查看,文章发表于《PCB007中国线上杂志》10月号,更多精彩原创内容,欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。

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