Die finale deklaagproses vir PCB vervaardiging het die afgelope paar jaar aansienlike veranderings ondergaan. Hierdie veranderinge is die gevolg van die konstante behoefte om die beperkings van HASL (Warmlug -kohesie) en die groeiende aantal HASL -alternatiewe te oorkom.

Die finale laag word gebruik om die oppervlak van die kring koperfoelie te beskerm. Koper (Cu) is ‘n goeie oppervlak om komponente te sweis, maar word maklik geoksideer; Koperoksied belemmer natmaak van soldeersel. Alhoewel goud (Au) nou gebruik word om koper te bedek, omdat goud nie oksideer nie; Goud en koper versprei vinnig en deurdring mekaar. Enige blootgestelde koper vorm vinnig ‘n nie-sweisbare koperoksied. Een benadering is om ‘n nikkel (Ni) “versperringslaag” te gebruik wat verhoed dat goud en koper oorgaan en ‘n duursame, geleidende oppervlak bied vir die samestelling van komponente.

PCB-vereistes vir nie-elektrolitiese nikkelbedekking

Die nie-elektrolitiese nikkelbedekking moet verskeie funksies verrig:

Die oppervlak van ‘n goue neerslag

Die uiteindelike doel van die stroombaan is om ‘n verbinding met hoë fisiese sterkte en goeie elektriese eienskappe tussen PCB en komponente te vorm. As daar oksied of besmetting op die PCB -oppervlak is, sal hierdie gelaste verbinding nie voorkom met die huidige swak vloed nie.

Goud sit natuurlik bo -op nikkel neer en oksideer nie tydens lang berging nie. Die goud vestig egter nie op die geoksideerde nikkel nie, dus die nikkel moet suiwer bly tussen die nikkelbad en die ontbinding van die goud. Die eerste vereiste vir nikkel is dus om lank genoeg suurstofvry te bly sodat goud kan neerslaan. Komponente het chemiese logsbaddens ontwikkel om 6 ~ 10% fosforinhoud by nikkelneerslag toe te laat. Hierdie fosforinhoud in die nie-elektrolitiese nikkelbedekking word beskou as ‘n noukeurige balans tussen badbeheer, oksied en elektriese en fisiese eienskappe.

hardheid

Nie-elektrolitiese nikkelbedekte oppervlaktes word in baie toepassings gebruik wat fisiese sterkte vereis, soos laers in motors. PCB-vereistes is baie minder streng as dié vir hierdie toepassings, maar ‘n sekere hardheid is belangrik vir draadverbinding, raakvlakkontakte, randverbindingsverbindings en die verwerking van volhoubaarheid.

Loodbinding vereis ‘n nikkelhardheid. Wrywingsverlies kan voorkom as die lood die neerslag vervorm, wat die lood help om in die substraat te “smelt”. SEM -beelde het geen penetrasie in die oppervlak van plat nikkel/goud of nikkel/palladium (Pd)/goud getoon nie.

Elektriese eienskappe

Koper is die gekose metaal vir kringvorming, want dit is maklik om te maak. Koper gelei elektrisiteit beter as byna elke metaal (tabel 1) 1,2. Goud het ook goeie elektriese geleidingsvermoë, wat dit ‘n perfekte keuse maak vir die buitenste metaal, omdat elektrone geneig is om op die oppervlak van ‘n geleidende roete te vloei (die “oppervlak” -voordeel).

Tabel 1. Weerstand van PCB -metaal

Koper 1.7 (insluitend Ω cm

Goud (insluitend 2.4 Ω cm

Nikkel (insluitend 7.4 Ω cm

Nie-elektrolitiese nikkelbedekking 55 ~ 90 µ ω cm

Alhoewel die elektriese eienskappe van die meeste produksieplate nie deur die nikkellaag beïnvloed word nie, kan nikkel die elektriese eienskappe van hoëfrekwensie seine beïnvloed. Die seinverlies van die mikrogolf -PCB kan die ontwerperspesifikasies oorskry. Hierdie verskynsel is eweredig aan die dikte van die nikkel – die kring moet deur die nikkel gaan om die soldeerplek te bereik. In baie toepassings kan elektriese seine na die ontwerpspesifikasie herstel word deur nikkelafsettings van minder as 2.5 µm te spesifiseer.

Kontakweerstand

Kontakweerstand verskil van sweisbaarheid omdat die nikkel/goudoppervlak gedurende die lewensduur van die eindproduk ongesweis bly. Nikkel/goud moet geleidend bly vir eksterne kontak na langdurige blootstelling aan die omgewing. Antler se boek uit 1970 het in n kwantitatiewe terme nikkel/goue oppervlakvereistes uiteengesit. Verskeie eindgebruiksomgewings is bestudeer: 3 “65 ° C, ‘n normale maksimum temperatuur vir elektroniese stelsels wat by kamertemperatuur werk, soos rekenaars; 125 ° C, die temperatuur waarteen universele verbindings moet werk, dikwels gespesifiseer vir militêre toepassings; 200 ° C, word die temperatuur al hoe belangriker vir vliegtoerusting. ”

Vir lae temperature is nikkelhindernisse nie nodig nie. Namate die temperatuur toeneem, neem die hoeveelheid nikkel wat nodig is om nikkel/goud -oordrag te voorkom toe (tabel II).

Tabel 2. Kontakweerstand van nikkel/goud (1000 uur)

Nikkelversperringslaag bevredigende kontak by 65 ° C bevredigende kontak by 125 ° C bevredigende kontak by 200 ° C

0.0 µm 100% 40% 0%

0.5 µm 100% 90% 5%

2.0 µm 100% 100% 10%

4.0 µm 100% 100% 60%

Die nikkel wat in Antler se studie gebruik is, is gegalvaniseer. Verbeterings word verwag van nie-elektrolitiese nikkel, soos bevestig deur Baudrand 4. Hierdie resultate is egter vir 0.5 µm goud, waar die vliegtuig gewoonlik 0.2 µm neerslaan. Daar kan afgelei word dat die vliegtuig voldoende is vir kontakelemente wat by 125 ° C werk, maar elemente met ‘n hoër temperatuur sal gespesialiseerde toetse verg.

‘Hoe dikker die nikkel, hoe beter is die versperring,’ stel Antler voor, ‘maar die realiteit van PCB -vervaardiging moedig ingenieurs aan om net soveel nikkel te deponeer as wat nodig is. Plat nikkel/goud word nou gebruik in selfone en skakelaars wat raakpunte gebruik. Die spesifikasie vir hierdie tipe element is ten minste 2 µm nikkel.

Die aansluiting

Nie-elektrolitiese nikkel/goud onderdompeling word gebruik vir die vervaardiging van stroombane met veerpas, perspassing, lae druk gly en ander nie-gelaste verbindings.

Insteekverbindings benodig langer fisiese duursaamheid. In hierdie gevalle is nie-elektrolitiese nikkelbedekkings sterk genoeg vir PCB-toepassings, maar goudonderdompeling is dit nie. Baie dun suiwer goud (60 tot 90 Knoop) vryf weg van die nikkel tydens herhaalde wrywing. As die goud verwyder word, oksideer die blootgestelde nikkel vinnig, wat ‘n toename in kontakweerstand tot gevolg het.

Nie-elektrolitiese nikkelbedekking/onderdompeling in goud is moontlik nie die beste keuse vir inpropverbindings wat verskeie insetsels deur die lewensduur van die produk verduur nie. Nikkel/palladium/goud oppervlaktes word aanbeveel vir veeldoelige verbindings.

Die versperringslaag

Nie-elektrolitiese nikkel het die funksie van drie versperringslae op die plaat: 1) om die verspreiding van koper na goud te voorkom; 2) Om die verspreiding van goud na nikkel te voorkom; 3) Bron van nikkel gevorm deur Ni3Sn4 intermetalliese verbindings.

Verspreiding van koper na nikkel

Die oordrag van koper deur nikkel lei tot ontbinding van koper na oppervlakgoud. Die koper sal vinnig oksideer, wat lei tot swak sweisbaarheid tydens montering, wat voorkom by nikkellek. Nikkel is nodig om migrasie en verspreiding van leë plate tydens opberging en tydens montering te voorkom wanneer ander dele van die plaat gelas is. Daarom is die temperatuurvereiste van die versperringslaag minder as een minuut onder 250 ° C.

Turn en Owen6 het die effek van verskillende versperringslae op koper en goud bestudeer. Hulle het gevind dat “… Vergelyking van koperpermeabiliteitwaardes by 400 ° C en 550 ° C toon aan dat hekswaardige chroom en nikkel met 8-10% fosforinhoud die doeltreffendste versperringslae is wat bestudeer is. (tabel 3).

Tabel 3. Penetrasie van koper deur nikkel tot goud

Nikkeldikte 400 ° C 24 uur 400 ° C 53 uur 550 ° C 12 uur

0.25 µm 1 µm 12 µm 18 µm

0.50 µm 1 µm 6 µm 15 µm

1.00 µm 1 µm 1 µ M 8 µm

2.00 µm Nie-diffusie nie-diffusie nie-diffusie

Volgens die Arrhenius -vergelyking is diffusie by laer temperature eksponensieel stadiger. Interessant genoeg, in hierdie eksperiment was nie-elektrolitiese nikkel 2 tot 10 keer meer doeltreffend as gegalvaniseerde nikkel. Turn en Owen wys daarop dat “… ‘N (8%) 2 µm (80 in inch) versperring van hierdie legering verminder koperverspreiding tot ‘n onbeduidende vlak.

Uit hierdie ekstreme temperatuurtoets is ‘n veilige spesifikasie ‘n nikkeldikte van minstens 2 µm.

Verspreiding van nikkel na goud

Die tweede vereiste vir nie-elektrolitiese nikkel is dat nikkel nie deur “korrels” of “fyn gaatjies” wat met goud bedek is, migreer nie. As nikkel met lug in aanraking kom, sal dit oksideer. Nikkeloksied is nie verkoopbaar nie en moeilik om met vloeistof te verwyder.

Daar is verskeie artikels oor nikkel en goud wat as keramiekskyfdraers gebruik word. Hierdie materiale weerstaan ​​lank die uiterste monteringstemperatuur. ‘N Algemene toets vir hierdie oppervlaktes is 500 ° C vir 15 minute.

Ten einde die vermoë van plat nie-elektrolitiese nikkel-/goudgeïmpregneerde oppervlaktes te evalueer om nikkeloksidasie te voorkom, is sweisbaarheid van oppervlaktes wat verouder is, bestudeer. Verskillende hitte/humiditeit en tydstoestande is getoets. Hierdie studies het getoon dat nikkel voldoende beskerm word deur goud uit te log, wat goeie sweisbaarheid moontlik maak na lang veroudering.

Verspreiding van nikkel na goud kan in sommige gevalle ‘n beperkende faktor wees vir die samestelling, soos byvoorbeeld termosoniese goue binding. In hierdie toepassing is die nikkel/goudoppervlak minder gevorderd as die oppervlak van nikkel/palladium/goud. Iacovangelo het die diffusie -eienskappe van palladium as ‘n versperringslaag tussen nikkel en goud ondersoek en gevind dat 0.5 µm palladium migrasie voorkom, selfs by uiterste temperature. Hierdie studie het ook getoon dat daar geen diffusie van koper deur 2.5 µm nikkel/palladium was wat deur Auger -spektroskopie bepaal is gedurende 15 minute by 500 ° C nie.

Nikkel tin intergeneriese verbinding

Tydens oppervlakmontering of golfsoldering word atome vanaf die PCB -oppervlak met soldeeratome gemeng, afhangende van die diffusie -eienskappe van die metaal en die vermoë om “intermetalliese verbindings” te vorm (tabel 4).

Tabel 4. Diffusiwiteit van PCB -materiale tydens sweiswerk

Metaaltemperatuur ° C diffusiwiteit (µinches/ SEC.)

Goud 450 486 117.9 167.5

Koper 450 525 4.1 7.0

Palladium 450 525 1.4 6.2

Nikkel 700 1.7

In nikkel/goud en tin/loodstelsels los die goud onmiddellik op in los blik. Die soldeer vorm ‘n sterk binding aan die onderliggende nikkel deur Ni3Sn4 intermetalliese verbindings te vorm. Daar moet genoeg nikkel geplaas word om te verseker dat die soldeersel nie onder die koper kom nie.Bader se metings het getoon dat nie meer as 0.5 µm nikkel nodig was om die versperring te handhaaf nie, selfs deur meer as ses temperatuursiklusse. Trouens, die maksimum intermetalliese laagdikte wat waargeneem word, is minder as 0.5 µm (20 µinch).

poreuse

Nie-elektrolitiese nikkel/goud het eers onlangs ‘n algemene finale PCB-oppervlakbedekking geword, daarom is industriële prosedures moontlik nie geskik vir hierdie oppervlak nie. ‘N Salpetersuurstoomproses is beskikbaar vir die toets van die porositeit van elektrolitiese nikkel/goud wat as ‘n insteekverbinder gebruik word (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Nie-elektrolitiese nikkel/bevrugting sal hierdie toets nie slaag nie. ‘N Europese porositeitstandaard is ontwikkel met behulp van kaliumferricianied om die relatiewe porositeit van plat oppervlaktes te bepaal, wat gegee word in terme van porieë per vierkante millimeter (goggas /mm2). ‘N Goeie plat oppervlak moet minder as 10 gate per vierkante millimeter hê by 100 x vergroting.

gevolgtrekking

Die PCB -vervaardigingsbedryf is geïnteresseerd in die vermindering van die hoeveelheid nikkel wat op die bord neergelê word, weens koste, siklustyd en materiaalversoenbaarheid. Die minimum nikkelspesifikasie moet help om koperverspreiding na die goudoppervlak te voorkom, goeie lassterkte te handhaaf en kontakweerstand laag te hou. Die maksimum nikkelspesifikasie behoort buigsaamheid by die vervaardiging van plate moontlik te maak, aangesien geen ernstige vorme van mislukking verband hou met dik nikkelafsettings nie.

Vir die meeste van die huidige printplaatontwerpe is ‘n nie-elektrolitiese nikkelbedekking van 2.0µm (80µinches) die minimum nikkeldikte. In die praktyk sal ‘n reeks nikkeldiktes op ‘n produksielot van die PCB gebruik word (figuur 2). Die verandering in nikkeldikte sal die gevolg wees van die verandering in die eienskappe van die badchemikalieë en die verandering in die tyd van die outomatiese hefmasjien. Om ‘n minimum van 2.0 µm te verseker, moet spesifikasies van eindgebruikers 3.5 µm, ‘n minimum van 2.0 µm en‘ n maksimum van 8.0 µm vereis.

Hierdie gespesifiseerde reeks nikkeldikte het bewys dat dit geskik is vir die vervaardiging van miljoene stroombane. Die reeks voldoen aan die lasbaarheid, rakleeftyd en kontakvereistes van vandag se elektronika. Omdat die monteervereistes van produk tot produk verskil, moet oppervlakbedekkings vir elke spesifieke toepassing geoptimaliseer word.