POVRCHOVÉ ÚPRAVY

BEZ OLOVA

Zákaz používání olovnatých pájek přinesl do výroby plošných spojů a osazovnám určité těžkosti s kterými bylo nutno se vyrovnat. Na straně výrobců plošných spojů bylo zvoleno několik cest, jak nahradit klasickou SnPb pájku jinou technologií.

Nejednodušším způsobem je nahradit olovnatou pájku v halu pájkou bezolovnatou. Po určitých úpravách stávajícího strojního vybavení lze původní technologii použít. Tato náhrada však neodstraňuje některé nevýhody halovacího procesu jako je vysoká energetická náročnost a hlavně nerovnoměrnost povrchu pájecích ploch pro SMD montáž. Není zanedbatelná ani vlastní vyšší cena používané pájky.

Výhodnějším postupem je nahradit halování nějakým jiným procesem, který odstraňuje nerovnoměrnost povrchu pájecích ploch a zároveň zajišťuje dobrou pájitelnost desek  plošných spojů.

Jednou z možností je nanášení imersních - chemických povlaků na pájecí plochy. Nejužívanější je chemický cín, chemické zlato a OSP.

Při nanášení kovových povlaků - cínu a zlata je podstatná mezivrstva niklu, na kterou se vlastně pájí. Ta by měla mít sílu 6-8 mikronů. Čistý nikl se vyznačuje dobrou pájitelnosti a aby se zabránilo jeho další oxidaci je na jeho povrch nanesena tenká vrstva zlata, nebo cínu. Problém nastává v případě, že se v procesu výroby nevytvoří niklová mezivrstva dostatečně kvalitně. Při skladování spojů dochází k pozvolné difůzi kovů a za studena vzniká intermetalická slitina mědi a nanesených kovů. Pokud dosáhne až k povrchu tak se plošné spoje stávají nepájitelnými. Protože se v běžných podmínkách chemický proces obtížně kontroluje jsou tyto metody vhodné pro výrobce s odpovídající kontrolním pracovištěm. Proces by měl probíhat pokud možno bez ostávek tak, aby nastartovaný chemický proces nebyl přerušován.

Metoda OSP v podstatě pouze ošetřuje měděný povrch pájecích míst a zabraňuje jeho oxidaci. Pájení probíhá na čistý povrch mědi jehož plocha je zvětšena mikrozaleptáním. Velkou výhodou je, že zde nemůže vzniknout intermetalická vrstva a velmi dobře se pájí za použití pájecích past.  Tyto výhody vedou k použití OSP například při výrobě mobilních telefonů. Nevýhodou je omezená skladovatelnost asi na 6 měsíců a  nelze pájení rozložit na povrchovou montáž a klasické součástky ve dvou výrobních postupech s časovým odstupem. Ve styku s tavidlem a pájecí teplotou se vrstva OSP rozpustí a povrch mědi přestane být chráněn.

Další možností jak vytvořit dokonale rovné pájecí plochy bez přítomnosti olova, je galvanické nanášení niklu a zlata na povrch plošného spoje. Tento proces má výhodu v tom, že galvanický proces má plně kontrolovatelný průběh a  dává stálé a stejné výsledky.  Na pokovované plochy se nanáší 5-8 mikronů niklu a pro zabránění oxidaci je niklový povrch opatřen vrstvičkou zlata. Dostatečná a pravidelná síla niklu zajišťuje, že se intermetelická vrstva k povrchu nemůže dostat. Tyto plošné spoje mají kromě svých výhodných estetických vlastností i neomezenou skladovatelnost.

Firma Printed používá k provrchové úpravě hal s bezolovnatou pájkou, metodu OSP a metodu celoplošného galvanického zlacení.

CELOPLOŠNÉ GALVANICKÉ ZLACENÍ

Metoda celoplošného galvanického zlacení má již značnou historii. V počátcích výroby plošných spojů, kdy nebyla k dispozici selektivní alkalická leptadla se používala leptadla na bázi kyseliny chlorovodíkové. Té však neodolával ani kovový cínový rezist. Vyvrtaná deska se prokovila celá, pak se tekutým rezistem (SR9) vytvořil motiv drah spojů a zalily otvory. Deska se pak vyleptala a bylo hotovo. Používaná leptadla byla velmi levná a někteří výrobci požívají tuto metodu do dnešní doby. V té době se takto, jako například v ZPA Nový Bor, vyráběly i desky 32 vrstvé. Rostly však nároky na přesnost motivů a jemnost spojů a tak se u náročnějších aplikací začalo používat galvanicky nanesené zlato ve vrstvě, která odolala i kyselému leptadlu. S příchodem alkalických leptadel, kterým odolává cínový rezist, však ztratila tato metoda na  významu.

V době, kdy se začalo hovořit o náhradě olovnaté pájky bezolovnatou a zároveň rostly požadavky na rovnost pájecích ploch jsme začali přemýšlet čím nahradit klasický hal. Vzorem nám byly desky plošných spojů výrobců z východní Asie.  Proč jsou například desky do PC, takové spotřební zboží, vyráběny ve zlatě? Ve spolupráci s tehdejší firmou M.A.G. Jablonec (dnes Atotech a.s.) s Ing. Jiřím Houfkem jsme hledali důvody takové „nákladné výroby" a možnost výroby těchto plošných spojů v našich podmínkách.  První pokusné výrobky jsme vyráběli v Bižuterii Jablonec.

Po provedených zkouškách jsme zjistili, že výroba je finančně stejně náročná jako halování. Ale hlavně, vůbec odstraňuje hal z výrobního procesu. Dává opakovatelné výsledky ve stálé kvalitě s naprosto rovným povrchem. Zkoušku na skladovatelnost jsme provedli ve vlastních podmínkách při povodni v roce 2002. Naše expedice je v přízemí budovy. Když voda opadla, byly všechny vyrobené desky zatopeny.  Halované zčernaly a musely se znova vyrobit. Zlaté jsme jen opláchli a byly jako nové.

Jedinou nevýhodou je značná finanční náročnost při nasazování lázní.  Výrobní postup je obdobný jako u klasických desek. Po zvodivění otvorů se fotorezistem vytvoří motiv spoje. Deska se pak prokoví mědí a místo kovového rezistu z cínu se vytvoří leptací kovový rezist 5-8µ niklu s nánosem zlata. Motiv se pak normálně odleptá a deska může jít na mezioperační kontrolu a masku.

Desky v provedení celoplošného galvanického zlacení mají neomezenou skladovatelnost, naprostou rovinnost pájecích ploch a vyšší estetickou hodnotu. Umožňují opakované pájení. Lze je použít na velmi jemné pájecí body, jako například BGA pouzdra.

Naše firma je nabízí našim zákazníkům za ceny nižší, než desky halované.

OSP

LINKA OSP

Před zavedením technologie celoplošného galvanického zlacení jsme dělali desky s chemickým zlatem. 
Na jaře roku 2006 jsme se zúčastnili semináře o pájecích procesech za použití bezolovnatých pájek. Povrchy DPS ošetřeny metodou OSP, byly hodnoceny z hlediska pájitelnosti na předních místech žebříčku. To mne zajímalo nejvíc.

Galvanické zlato a OSP bylo hodnoceno na stejné úrovni. U zlata byla dána přednost v douhodobé skladovatelnosti a estetičnosti výrobků. U OSP bylo zdůrazněno, že se pájí na čistou měď bez účasti dalších kovů, pájecí plocha je značně zvětšena mikrozaleptáním a tím je zajištěna vysoká adheze pájky. Jako náhradu za HAL jsme zvolili OSP.

V té době jsme navázali spolupráci a objednali stavbu horizontální stroje u Ing. Loebla ze slovenské firmy PPT.  V červnu roku 2006 nám linku přivezli.
Linka je zařazena na úplný konec výroby. Obsahuje vstupní vodní ultrazvukový čistič, kde se desky zbavují prachu po formátovacích procesech, sušicí modul a inspekční modul. Touto částí linky prochází všechny desky před balením a expedicí. Expedice se tak zbavila nebezpečného prachu. Desky pak pokračují do mikrozaleptávačky, oplachů a máčí se v modulu s lázní OSP. Pak následují opět oplachy a sušení, výstupní modul a zásobník. 
Pro potřeby naší osazovny děláme desky pouze v OSP. V OSP děláme většinu produkce jednostranných desek. Při strojním pájení se stejně „ohalují".  

Z hlediska „estetických“  hodnocení zapájení je nejvýhodnější hal. Pájecí ploška je celá zakrytá pájkou. To je taková největší přednost v porovnání s ostatními technologiemi. Bezolovnatý hal má vyšší teplotu tavení a plošný spoj je při halování více tepelně namáhán se všemi neblahými důsledky pro základní materiál desky. Bezolovnatá pájka má opačnou smáčivost proti pájce s obsahem olova. To má za následek, že rovnost nánosu pájky na pájecí plochu je horší než u pájek olovnatých. Omezuje to použití halu na povrchovou úpravu desek s povrchovou montáží. Při kombinaci bezolovnaté pájky z halu s olovnatou pájkou při pájení může vzniknout slitina SnPb s velmi nízkým bodem tavení a při zahřátí pájeného spoje na teplotu 90 stC velmi podstatně klesá pevnost pájené spoje a může dojít až k uvolnění povrchově pájených součástek. To je potřeba mít na vědomí při objednávání povrchové úpravy plošného spoje. Naše firma používá v halu pájku Cn100C firmy Balver Zinn .

Řešení rovnosti v souladu s „estetickým“ hodnocením přináší použití chemických nánosů kovů, nebo organických povlaků. Nejvíce nabízeným na trhu je nanešení chemického cínu. Naše firma se chemickým nánosem cínu a chemického zlata zabývala  delší dobu. Zkušenosti s těmito technologiemi máme velmi nedobré. V počátcích velmi prosazované chemické zlato vedlo při velkých  potížích s pájením až k značné nedůvěře osazoven ke zlatému povrchu plošných spojů. Vyzkoušeli jsme i chemický cín. Výrobky po zhotovení vypadali velmi krásně, ale již po krátké době skladování desky ztratili lesk a staly se naprosto nepájitelnými. Příčinou byl vznik difúzní intermetelické slitiny Cu6Sn5 a Cu3Sn. Tyto slitiny vznikají na styčné ploše měděného povrchu a cínového povlaku. Vznikají stále a narůstají. Jejich neblahý vliv na pájitelnost a mechanickou pevnost spoje je popsán v článku Pájení a bezolovnaté pájky. U halovaného zboží, kde je nános cínu 50 a více mikronů se vliv této vrstvy nedokáže projevit. Ale u chemických nánosů kovů v řádech jednotek mikronů se časem dokáží projevit velmi výrazně. Měď je nutno nejprve potáhnout nějakou mezivrstvou, která ji oddělí od chemicky naneseného kovu. U chemŘického zlata to je například chemicky nanesený nikl, u cínu se většinou používá vodivý organický povlak. Při výrobě plošného spoje vypadá výsledek práce velmi uspokojivě, ale pokud je mezivrstva nedokonale provedena, začne se zlato a cín v mědi pozvolna, ale trvale rozpouštět. Stříbrná barva cínu, nebo zlatá barva zlata začne matnout až na odstín starorůžové barvy. S takovou deskou se již nedá nic dělat a prostě ji nezapájíte. Chemické procesy mohou dávat dobré výsledky, ale vyžadují dokonalou údržbu lázní a  pokud možno kontinuální provoz. Každý rozběh výroby dává ve svých počátcích nekvalitní povrch a většinou, když už zboží vypadalo dobře, tak už nebylo co do linky dát. Opravit desku se vzniklou intermetalickou vrstvou cínu však již není možné.

Cestu chemického pokovování jsme opustili a nebudeme se k ní vracet. Potřeba rovného povrchu pájecích ploch a přechod na bezolovnatý provoz nás v roce 2005 přivedla k technologii celoplošného galvanického zlacení plošných spojů. Výhoda tohoto procesu je hlavně v tom, že dává stále stejné opakovatelné výsledky a celý postup lze stanovit výpočtem. Plošné spoje nestárnou, pájecí plochy jsou dokonale rovné, lze je opakovaně, nebo postupně pájet. Obliba tohoto zboží stále roste a v současné době vyrábíme 70% vícevrstvých desek v této technologii. O galvanickém zlacení si můžete přečíst v dalších statích našich stránek.

Výroba jednostranných desek galvanickou cestou je pracná a velmi nákladná. Halování drahou bezolovnatou pájkou na běžné aplikace také není nejhodnější řešení. 

Metodu OSP lze použít i na vícevrstvé desky, které však mohou projít pouze dvěma procesy pájení. Průchod pájecím zařízení snižuje životnost vrstvy OSP a další pájení je nutno provést bez zbytečných odkladů.

Použití metody OSP u vícevrstvých desek s jemnou kresbou vodičů od poměru mezera/čára 0,2/0,2 mm s povrchem s galvanickým Au zabraňuje vzniku mikrozkratů mezi vodiči. 

Metoda OSP není nic nového a s jejím používáním jsou již značné zkušenosti. Navíc je levnější než použití jiných metod a v dnešní době zejména halování. Proto jsme i v našem ceníku metodu OSP cenově zvýhodnili proti stávajícím technologiím. Nabízíme poněkud zdražený hal, bez cenových změn galvanické zlacení a levnější metodu OSP.

HAL BEZ OLOVA

7.2.2008 jsme obnovili strojní vybavení strojem:

HAL LANTRONIC

Zařízení je po celkové opravě v roce 2008 firmou PCB-MB, Material & Anlagen Service, při které byl přestavěn na použití bezolovnaté pájky.
Proti původnímu zařízení, které bylo u nás v provozu od 1.1.1993, má značnou úsporu spotřeby vzduchu i elektrické energie. Starý hal byl karuselový a ve své době druhým zařízením v provozu v ČR.
K halu Lantronic nám firma PPT vyrobila horizontální linku na nanášení tavidla.