IPC-4554-German Table of Contents

IPC-4554 DE
ASSOCIATION CONNECTING
ELECTRONICS INDUSTRIES ®
Spezifikation für chemisch
Ihr Fachverband für Design,
Leiterplatten- und Elektronikfertigung e. V.
FED e. V. - Ihr Fachverband
für Design, Leiterplattenund Elektronikfertigung
Alte Jakobstraße 85/86
10179 Berlin
http://www.fed.de
Zinn-Oberflächen von
Leiterplatten
Entwickelt von Plating Processes Subcommittee (4-14) des
Fabrication Processes Committee (4-10) des IPC
Die Anwender dieser Richtlinie sind aufgefordert, an der Entwicklung
künftiger Versionen mitzuarbeiten.
Kontakt:
IPC
3000 Lakeside Drive, Suite 309S
Bannockburn, Illinois
60015-1249
Tel 847 615.7100
Fax 847 615.7105
Januar 2007
IPC 4554
Inhaltsverzeichnis
ANWENDUNGSBEREICH ........................................ 1
ANHANG 6
Zinn-Whisker ......................................... 22
1.1
1.2
Beschreibung ........................................................ 1
Zweck ................................................................... 1
ANHANG 7
Lotausbreitungs-Testprotokoll
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
1.3.4.1
Leistungsfunktionen .............................................
Lötbarkeit .............................................................
Kontaktoberfläche ................................................
EMB (EMI) Abschirmung ...................................
Steckverbinder .....................................................
Einpresstechnik ....................................................
ANHANG 8
Entwicklung der Richtlinie IPC-4554,
Spezifikation für chemisch Zinn
Oberflächen von Leiterplatten ............. 25
1
1
1
1
1
1
1
2
2.1
2.2
3
Bilder
Bild 3-1
Beispiel für gleichmäßige Beschichtung .............. 3
Bild 3-2
Beispiel für gleichmäßige Beschichtung .............. 3
Bild 3-3
Beispiel für eine ungeeignete chem. SnBeschichtung, bei der ungleichmäßige
Beschichtung erkennbar ist .................................. 3
Begriffsdefinitionen .............................................. 2
Bild 3-4
Lötbarkeits-Testcoupon für die
Oberflächenmontage ............................................ 5
ANWENDBARE DOKUMENTE ................................ 2
Bild 3-5
IPC ....................................................................... 2
Telcordia™ ........................................................... 2
Bewertungszahl 1, Messung mit 100-facher
Vergrößerung ........................................................ 7
Bild 3-6
Bewertungszahl 4, Messung mit 100-facher
Vergrößerung ........................................................ 7
ANFORDERUNGEN .................................................. 2
Bild 3-7
Bewertungszahl 7, Messung mit 100-facher
Vergrößerung ........................................................ 7
Bild 3-8
Bewertungszahl 5, Messung mit 100-facher
Vergrößerung ........................................................ 7
Bild A5-1
Auger- und Röntgenphoton-Emission ................ 16
Bild A5-2
Coulometrische Stripping-Analyse mit einem
Testcoupon (A) ................................................... 16
Bild A5-3
Coulometrische Stripping-Analyse mit einem
Röhrchen mit Dichtung (B) ................................. 17
Bild A5-4
Coulometrisches Strippen von Zinn auf
Kupfer in verdünnter Schwefelsäure
(Fläche = 5 cm2; Stripping-Strom =
25,30 mA; Edelstahlkathode .............................. 17
1.3.4.2 Randstecker-Kontaktzungen ................................ 2
1.3.5 Drahtbonden ......................................................... 2
1.4
.......... 24
3.1
3.2
3.2.1
3.3
Sichtkontrolle .......................................................
Beschichtungsdicke ..............................................
Dicke der chem. Sn-Schicht ................................
Porosität ...............................................................
2
3
3
4
3.4
3.5
3.5.1
3.6
Haftfestigkeit ........................................................
Lötbarkeit .............................................................
Lotausbreitungstest (solder spread test) ..............
Reinheit ................................................................
4
5
5
5
3.6.1
3.7
Elektrochemische Korrosion ............................... 5
Chemische Beständigkeit ..................................... 5
Bild A5-5
3.8
3.9
Hochfrequenz Signal-Verluste ............................. 6
Whiskerbildung .................................................... 6
Coupons nach dem coulometrischen
Strippen .............................................................. 18
Bild A5-6
SNMS-Messung an einer nichtnachbehandelten Schicht
(anfängliche Dicke ca. 0,8 µm) .......................... 19
Bild A5-7
SNMS-Messung an Schicht, die vier Stunden
bei 155 °C gelagert und anschließend zwei
Reflow-Zyklen unterworfen wurde (anfängliche
Dicke ca. 0,8 µm) ............................................... 19
Bild A5-8
Vergleich coulometrischer Messungen
(MacDermid p-Test) mit der chemischen
Analyse (AAS) .................................................... 20
Bild A6-4
Whisker in einem mit chem. Sn beschichteten
Verbindungsloch mit 0,46 mm (0,018 in)
Durchmesser ...................................................... 22
Bild A8-1
Industrieumfrage zu Empfehlungen zur chem.
Sn-Beschichtung ................................................ 26
Bild A8-2
Beispiel von RöntgenfluoreszenzVergleichsmessungen zwischen
den fünf Lieferanten ........................................... 27
Bild A8-3
Wirkung des Alters [auf die Benetzungskräfte]
bei einer 0,6 µm dicken Schicht über
265 Tage ............................................................. 28
4
4.1
4.1.1
4.2
QUALITÄTSSICHERUNGSMAßNAHMEN ............... 8
Qualifikation ......................................................... 8
Muster-Testcoupons ............................................. 8
Qualitätskonformitätstest ..................................... 8
ANHANG 1
Chemische Prozessdefinitionen ........... 9
ANHANG 2
Typischer Prozessablauf
ANHANG 3
Qualifizierung des chem. SnProzesses durch den
Leiterplattenlieferanten ...................... 11
ANHANG 4
RöntgenfluoreszenzanalyseMessverfahren ....................................... 12
ANHANG 5
Auger/XPS und coulometrische
Strippingverfahren ................................ 16
................... 10
v
IPC 4554
Januar 2007
Bild A8-4
Wirkung des Alters [auf die Benetzungskräfte]
bei einer 1,0 µm dicken Schicht über
239 Tage ............................................................. 29
Bild A8-5
Benetzungswaagen-Testcoupon ........................ 29
Bild A8-6
Nutzen für den Lotausbreitungstest ................... 29
Bild A8-7
Ergebnisse des Benetzungswaagen-Tests
für Lieferant A über 400 Tage bei normaler
Lagerung ............................................................ 30
Bild A8-8
Ergebnisse des Benetzungswaagen-Tests
für Lieferant B über 182 Tage bei normaler
Lagerung ............................................................ 31
Bild A8-9
Ergebnisse des Benetzungswaagen-Tests
für Lieferant C über 149 Tage bei normaler
Lagerung ............................................................ 31
Bild A8-10 Ergebnisse des Benetzungswaagen-Tests
für Lieferant D über 229 Tage bei normaler
Lagerung ............................................................ 32
Bild A8-11 Ergebnisse des Benetzungswaagen-Tests
für Lieferant E über 239 Tage bei normaler
Lagerung ............................................................ 32
Bild A8-12 Einfluss der Test-Temperatur auf die
Benetzungszeiten für Lieferant A über
229 Tage bei normaler Lagerung - TestTemperatur 215 °C ............................................. 33
Bild A8-13 Einfluss der Test-Temperatur auf die
Benetzungszeiten für Lieferant B über
182 Tage bei normaler Lagerung - TestTemperatur 215 °C ............................................. 34
Bild A8-14 Lieferant B nach 1260 Tagen Lagerung ............. 35
Bild A8-15 Lieferant E nach 1260 Tagen Lagerung ............. 36
Bild A8-20 Die Oberflächenabtastung bei Lieferant B
zeigt Kupfer (Cu), Kohlenstoff (C), Zinn
(Sn) und Sauerstoff (O) ...................................... 38
Bild A8-21 Die chemische Elementverteilung auf der
Oberfläche bei Lieferant B ................................. 39
Bild A8-22 Oberflächen-Elementverteilung bei
Lieferant C - beachtenswert ist der
größere Kupferanteil auf der Oberfläche ........... 40
Bild A8-23 Lieferant C bei 20 Å - beachtenswert sind die
großen Bereiche mit hohem Kohlenstoffanteil ... 41
Bild A8-24 Oberflächen-Elementverteilung bei
Lieferant E .......................................................... 42
Bild A8-25 Lieferant E bei 1000 Å ....................................... 43
Bild A8-26 Vergleich der Lieferanten C (oben) und E
(unten) bei 100 Å - beachtenswert ist der
erhebliche Schichten .......................................... 44
Bild A8-27 Benetzungskontaktwinkel bei den vier
Lieferanten unter Normalatmosphäre alle vier zeigten hervorragende Benetzung ....... 45
Bild A8-28 Benetzungskontaktwinkel bei den vier
Lieferanten unter Stickstoffatmosphäre alle vier zeigten wieder hervorragende
Benetzung .......................................................... 45
Bild A8-29 Benetzungskontaktwinkel für SAC305 bei
den vier Lieferanten unter Normalatmosphäre alle vier zeigten hervorragende Benetzung ....... 46
Bild A8-30 Benetzungskontaktwinkel für SAC305 bei
den vier Lieferanten unter Stickstoffatmosphäre wieder zeigten alle vier hervorragende
Benetzung .......................................................... 46
Bild A8-31 Vergleich der Kontaktwinkel bei Lieferant A alle Tests ............................................................ 46
Bild A8-32 Mittlere SEC Werte der fünf Lieferanten ............ 47
Bild A8-16 Lieferant C nach 1260 Tagen Lagerung ............ 36
Bild A8-17 Morphologie bei Lieferant B nach
1260 Tagen ......................................................... 37
Bild A8-18 Morphologie bei Lieferant C nach
1260 Tagen ......................................................... 37
Bild A8-19 Morphologie bei Lieferant E nach
1260 Tagen ......................................................... 37
vi
Tabellen
Tabelle 3-1 Anforderungen an die chemisch
Zinn-Beschichtung ............................................... 6
Tabelle 3-2 Chem. Sn Whisker-Bewertungsschema
(100-fache Vergrößerung benutzen) ................... 7
Tabelle 4-1 Qualifikationstestcoupons ................................... 8
Januar 2007
IPC 4554
Spezifikation für chemisch ZinnOberflächen von Leiterplatten
1 ANWENDUNGSBEREICH
Diese Spezifikation legt die Anforderungen an chemisch
Zinn-Oberflächen als Endoberflächen von Leiterplatten
fest. Sie ist für die Verwendung durch Lieferanten,
Leiterplattenhersteller, Elektronik-Dienstleister (EMS) und
OEM-Hersteller vorgesehen.
1.1 Beschreibung Chemisch Zinn (chem. Sn) ist
eine metallische Oberfläche, die in einer chemischen
Verdrängungsreaktion direkt auf die Basismetallisierung
der Leiterplatte - Kupfer - aufgebracht wird. Chem.
Sn wird primär als lötfähige Oberfläche verwendet.
Sie wird auch für Einpress-Verbindungen und für
Nullkraft-Randsteck-verbinder (zero insertion force
(ZIF)) eingesetzt.
Das chem. Sn schützt für die gesamte vorgesehene
Lebensdauer die darunter liegende Kupferschicht vor
Oxidation. Kupfer und Zinn haben jedoch gegenseitig
eine starke Affinität. Die gegenseitige Diffusion beider
Metalle ist unvermeidbar, was die Lagerfähigkeit der
Schicht und die Leistungsfähigkeit der Endoberfläche
direkt beeinflusst.
Verschiedene chem. Sn Formulierungen wurden speziell
für die Verwendung als Endoberfläche für Leiterplatten
konzipiert. Dabei kommen verschiedene Verfahren zur
Verzögerung des Diffusionsprozesses zum Einsatz. Zu
diesen Verfahren gehören u. a. die Mit-Abscheidung
organischer Stoffe, der Einsatz anderer Metalle als
Diffusionssperre oder die spezielle Optimierung der
Kornstruktur. Es wird empfohlen, dass der Anwender
dieser Oberfläche die unterschiedlichen Verfahren zur
Verzögerung der Kupfermigration versteht und dass
der Lieferant die positiven und negativen Einflüsse
des gewählten Systems kennt.
mit einer geeigneten Lagerfähigkeit bereit zu stellen, die
sich für alle Anwendungen der Oberflächenmontage und
Durchstecktechnik eignet. Diese Beschichtung hat, wenn
sie entsprechend den Anforderungen dieser Spezifikation
hergestellt wurde, bewiesen, dass sie die Haltbarkeitsanforderungen nach J-STD-003, Kategorie 3 erfüllen
kann.
Aufgrund der Diffusion des Kupfers in die Zinnschicht
und ihrer Auswirkung auf die Lötbarkeit hängt die
Fähigkeit zur Lagerung über sechs Monate DIREKT von
der Schichtdicke [des Zinns] ab. Diese Diffusion hat auch
negative Auswirkungen auf die korrekte Dickenmessung
der Schicht.
Die Fähigkeit, die Zinn-Arten in der Beschichtung
zu unterscheiden und zu messen, ist zwingend
erforderlich, um Produkte mit der geeigneten
Lagerfähigkeit herstellen bzw. verwenden zu können.
Zur Messung der Schichtdicke ist der korrekte Einsatz
der Röntgenfluoreszenzanalyse zwingend erforderlich.
Die Verwendung von [Zinn-] Folien auf Polyester
(Mylar® ist weit verbreitet) verhindert die Auswirkung
der Diffusion des Basismetalls und sollte bei der Röntgenfluoreszenzanalyse als Kalibrierungsnormal zum Einsatz
kommen (detaillierte Empfehlungen siehe Anhang 4).
1.3.2 Kontaktoberfläche Chem. Sn wird nicht als
Oberfläche für Folienschalter-Anwendungen empfohlen.
1.2 Zweck Diese Spezifikation legt die spezifischen
Anforderungen an chem. Sn als Endoberfläche fest. Auch
andere Oberflächen erfordern spezifische Spezifikationen.
Diese werden vom IPC Plating Processes Subcommittee
im Rahmen der IPC-4550 Richtlinienfamilie behandelt.
Da diese und andere anwendbare Spezifikationen einer
ständigen Überprüfung unterliegen, wird das Subcommittee geeignete Ergänzungen und neue Ausgaben
dieser Dokumente herausgeben.
1.3.3 EMB (EMI) Abschirmung Ein wichtiges Merkmal
für diese Anwendung ist die gleichbleibende metallische
Oberfläche als Kontaktschicht zwischen der Leiterplatte
und dem Abschirmungsmaterial. Aufgrund der [diffusionsbedingt] dynamischen Eigenschaften der chem.
Sn- Schicht in Verbindung mit dem Basismetall (Cu)
der Leiterplatte ist die metallische Oberfläche als
Kontaktschicht zum Abschirmungsmaterial NICHT
gleichbleibend. Das Wachstum der intermetallischen
Schicht verändert die elektrischen Eigenschaften
der Kontaktfläche der Beschichtung zum Abschirmmaterial. Es wurde jedoch nachgewiesen, dass die
chem. Sn-Oberfläche bei bestimmten Anwendungen
eine geeignete Kontaktfläche für die EMB (EMI)
Abschirmung bildet. Die Prüfung der Eignung wird
empfohlen.
1.3 Leistungsfunktionen
1.3.4 Steckverbinder
Diese primäre Funktion einer chem.
Sn-Oberfläche besteht darin, eine lötbare Endoberfläche
Der Einsatz der chem.
Sn-Beschichtung für Einpresstechnik muss den
1.3.1 Lötbarkeit
1.3.4.1 Einpresstechnik
1