عملية الطلاء النهائية لـ PCB شهد التصنيع تغيرات كبيرة في السنوات الأخيرة. هذه التغييرات هي نتيجة الحاجة المستمرة للتغلب على قيود HASL (تماسك الهواء الساخن) والعدد المتزايد من بدائل HASL.

يتم استخدام الطلاء النهائي لحماية سطح الدائرة من رقائق النحاس. يعتبر النحاس (Cu) سطحًا جيدًا لمكونات اللحام ، ولكنه يتأكسد بسهولة ؛ أكسيد النحاس يعيق بلل اللحام. على الرغم من أن الذهب (Au) يستخدم الآن لتغطية النحاس ، لأن الذهب لا يتأكسد ؛ سوف ينتشر الذهب والنحاس بسرعة ويتخلل كل منهما الآخر. أي نحاس مكشوف سوف يشكل بسرعة أكسيد نحاس غير قابل للحام. تتمثل إحدى الطرق في استخدام “طبقة حاجزة” من النيكل (Ni) تمنع الذهب والنحاس من الانتقال وتوفر سطحًا متينًا موصلًا لتجميع المكونات.

متطلبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور لطلاء النيكل غير كهربائيا

يجب أن يؤدي طلاء النيكل غير الكهربائي عدة وظائف:

سطح منجم ذهب

الغرض النهائي من الدائرة هو تكوين اتصال بقوة فيزيائية عالية وخصائص كهربائية جيدة بين ثنائي الفينيل متعدد الكلور والمكونات. إذا كان هناك أي أكسيد أو تلوث على سطح ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، فلن يحدث هذا المفصل الملحوم مع التدفق الضعيف اليوم.

يتراكم الذهب بشكل طبيعي فوق النيكل ولا يتأكسد أثناء التخزين الطويل. ومع ذلك ، لا يستقر الذهب على النيكل المؤكسد ، لذلك يجب أن يظل النيكل نقيًا بين حمام النيكل وانحلال الذهب. وبالتالي ، فإن الشرط الأول للنيكل هو أن يظل خاليًا من الأكسجين لفترة كافية للسماح للذهب بالترسيب. طورت المكونات حمامات ترشيح كيميائية للسماح بمحتوى 6 ~ 10٪ من الفوسفور في ترسيب النيكل. يعتبر محتوى الفوسفور هذا في طلاء النيكل غير الكهربائي بمثابة توازن دقيق للتحكم في الحمام ، والأكسيد ، والخصائص الكهربائية والفيزيائية.

صلابة

تُستخدم الأسطح المطلية بالنيكل غير الالكتروليتية في العديد من التطبيقات التي تتطلب قوة بدنية ، مثل محامل نقل الحركة في السيارات. تعد متطلبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أقل صرامة بكثير من تلك الخاصة بهذه التطبيقات ، ولكن صلابة معينة مهمة لربط الأسلاك ، واتصالات لوحة اللمس ، وموصلات الحافة ، واستدامة المعالجة.

يتطلب ربط الرصاص صلابة النيكل. يمكن أن يحدث فقدان الاحتكاك إذا شوه الرصاص الراسب ، مما يساعد الرصاص على “الذوبان” في الركيزة. أظهرت صور SEM عدم وجود اختراق في سطح النيكل / الذهب المسطح أو النيكل / البلاديوم (Pd) / الذهب.

الخصائص الكهربائية

النحاس هو المعدن المفضل لتشكيل الدوائر لأنه سهل الصنع. يقوم النحاس بتوصيل الكهرباء بشكل أفضل من كل معدن تقريبًا (الجدول 1) 1,2،XNUMX. يتمتع الذهب أيضًا بموصلية كهربائية جيدة ، مما يجعله اختيارًا مثاليًا للمعادن الخارجية لأن الإلكترونات تميل إلى التدفق على سطح طريق موصل (ميزة “السطح”).

الجدول 1. مقاومة المعدن ثنائي الفينيل متعدد الكلور

نحاس 1.7 (بما في ذلك سم

الذهب (بما في ذلك 2.4 سم

نيكل (بما في ذلك 7.4 سم

طلاء نيكل غير كهربائيا 55 ~ 90 سم

على الرغم من أن الخصائص الكهربائية لمعظم لوحات الإنتاج لا تتأثر بطبقة النيكل ، إلا أن النيكل يمكن أن يؤثر على الخصائص الكهربائية للإشارات عالية التردد. يمكن أن يتجاوز فقد إشارة الميكروويف ثنائي الفينيل متعدد الكلور مواصفات المصمم. تتناسب هذه الظاهرة مع سمك النيكل – تحتاج الدائرة إلى المرور عبر النيكل للوصول إلى بقعة اللحام. في العديد من التطبيقات ، يمكن استعادة الإشارات الكهربائية إلى مواصفات التصميم من خلال تحديد رواسب النيكل التي تقل عن 2.5 ميكرومتر.

مقاومة التواصل

تختلف مقاومة التلامس عن قابلية اللحام لأن سطح النيكل / الذهب يظل غير ملحوم طوال عمر المنتج النهائي. يجب أن يظل النيكل / الذهب موصلين للتلامس الخارجي بعد التعرض البيئي لفترات طويلة. أعرب كتاب Antler لعام 1970 عن متطلبات التلامس السطحي للنيكل / الذهب من الناحية الكمية. تمت دراسة بيئات الاستخدام النهائي المختلفة: 3 “65 درجة مئوية ، درجة الحرارة القصوى العادية للأنظمة الإلكترونية التي تعمل في درجة حرارة الغرفة ، مثل أجهزة الكمبيوتر ؛ 125 درجة مئوية ، وهي درجة الحرارة التي يجب أن تعمل عندها الموصلات العالمية ، وغالبًا ما يتم تحديدها للتطبيقات العسكرية ؛ 200 درجة مئوية ، أصبحت درجة الحرارة هذه أكثر أهمية لمعدات الطيران. “

لدرجات الحرارة المنخفضة ، حواجز النيكل ليست مطلوبة. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تزداد كمية النيكل المطلوبة لمنع انتقال النيكل / الذهب (الجدول XNUMX).

الجدول 2. مقاومة التلامس للنيكل / الذهب (1000 ساعة)

طبقة حاجز النيكل تلامس مرضي عند 65 درجة مئوية تلامس مرض عند 125 درجة مئوية تلامس مرضي عند 200 درجة مئوية

0.0 ميكرومتر 100٪ 40٪ 0٪

0.5 ميكرومتر 100٪ 90٪ 5٪

2.0 ميكرومتر 100٪ 100٪ 10٪

4.0 ميكرومتر 100٪ 100٪ 60٪

كان النيكل المستخدم في دراسة Antler مطليًا بالكهرباء. من المتوقع حدوث تحسينات من النيكل غير الإلكتروليتي ، كما أكد ذلك Baudrand 4. ومع ذلك ، فإن هذه النتائج هي 0.5 ميكرومتر من الذهب ، حيث يترسب المستوي عادة 0.2 ميكرومتر. يمكن استنتاج أن المستوى كافٍ لعناصر التلامس التي تعمل عند 125 درجة مئوية ، لكن عناصر درجة الحرارة المرتفعة تتطلب اختبارًا متخصصًا.

يقترح أنتلر: “كلما كان النيكل أكثر سمكًا ، كان الحاجز أفضل ، في جميع الحالات ،” ولكن واقع تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور يشجع المهندسين على إيداع النيكل بالقدر المطلوب فقط. يُستخدم النيكل / الذهب المسطح الآن في الهواتف الخلوية وأجهزة الاستدعاء التي تستخدم نقاط الاتصال بلوحة اللمس. مواصفات هذا النوع من العناصر هي على الأقل 2 ميكرومتر نيكل.

الموصل

يتم استخدام غمر النيكل / الذهب غير الإلكتروليتي في تصنيع لوحات الدوائر المزودة بزنبرك مناسب ومناسب للضغط ومنزلقة ذات ضغط منخفض وموصلات أخرى غير ملحومة.

تتطلب موصلات التوصيل متانة مادية أطول. في هذه الحالات ، تكون الطلاءات غير الإلكتروليتية بالنيكل قوية بما يكفي لتطبيقات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، لكن الغمر بالذهب ليس كذلك. الذهب الخالص الرقيق جدًا (60 إلى 90 كنوب) سوف يفرك بعيدًا عن النيكل أثناء الاحتكاك المتكرر. عند إزالة الذهب ، يتأكسد النيكل المكشوف بسرعة ، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة التلامس.

قد لا يكون طلاء النيكل غير الإلكتروليتي / الغمر بالذهب هو الخيار الأفضل للموصلات الإضافية التي تتحمل إدخالات متعددة طوال عمر المنتج. يوصى باستخدام أسطح النيكل / البلاديوم / الذهب للموصلات متعددة الأغراض.

طبقة الحاجز

يحتوي النيكل غير الإلكتروليتي على وظيفة ثلاث طبقات حاجزة على اللوحة: 1) لمنع انتشار النحاس إلى الذهب ؛ 2) لمنع انتشار الذهب إلى النيكل ؛ 3) مصدر النيكل المكون من المركبات المعدنية Ni3Sn4.

انتشار النحاس إلى النيكل

سيؤدي نقل النحاس من خلال النيكل إلى تحلل النحاس إلى سطح الذهب. سوف يتأكسد النحاس بسرعة ، مما يؤدي إلى ضعف قابلية اللحام أثناء التجميع ، والذي يحدث في حالة تسرب النيكل. النيكل ضروري لمنع انتقال وانتشار الألواح الفارغة أثناء التخزين وأثناء التجميع عندما يتم لحام مناطق أخرى من اللوحة. لذلك ، فإن متطلبات درجة الحرارة للطبقة الحاجزة أقل من دقيقة واحدة أقل من 250 درجة مئوية.

درست Turn و Owen6 تأثير طبقات الحاجز المختلفة على النحاس والذهب. وجدوا أن “… مقارنة قيم نفاذية النحاس عند 400 درجة مئوية و 550 درجة مئوية تظهر أن الكروم والنيكل سداسي التكافؤ مع 8-10٪ محتوى الفوسفور هي طبقات الحاجز الأكثر فعالية التي تمت دراستها “. (الجدول 3).

الجدول 3. اختراق النحاس من خلال النيكل إلى الذهب

سمك النيكل 400 درجة مئوية 24 ساعة 400 درجة مئوية 53 ساعة 550 درجة مئوية 12 ساعة

0.25 ميكرومتر 1 ميكرومتر 12 ميكرومتر 18 ميكرومتر

0.50 ميكرومتر 1 ميكرومتر 6 ميكرومتر 15 ميكرومتر

1.00 ميكرومتر 1 ميكرومتر 1 ميكرومتر 8 ميكرومتر

2.00 ميكرومتر عدم الانتشار وعدم الانتشار

وفقًا لمعادلة أرهينيوس ، يكون الانتشار في درجات حرارة منخفضة أبطأ بشكل كبير. ومن المثير للاهتمام ، في هذه التجربة ، أن النيكل غير الإلكتروليتي كان أكثر كفاءة بمرتين إلى 2 مرات من النيكل المطلي بالكهرباء. أشار بدوره وأوين إلى أن “… يقلل حاجز (8٪) 2 ميكرومتر (80 بوصة) من هذه السبيكة من انتشار النحاس إلى مستوى ضئيل. “

من اختبار درجة الحرارة القصوى هذا ، فإن سماكة النيكل التي لا تقل عن 2 ميكرون هي مواصفات آمنة.

انتشار النيكل إلى الذهب

الشرط الثاني للنيكل غير الكهربائي هو أن النيكل لا ينتقل من خلال “حبيبات” أو “ثقوب دقيقة” مشربة بالذهب. إذا لامس النيكل الهواء ، فسوف يتأكسد. أكسيد النيكل غير قابل للبيع ويصعب إزالته مع التدفق.

هناك العديد من المقالات حول النيكل والذهب المستخدمة كناقلات لرقائق السيراميك. هذه المواد تتحمل درجات الحرارة القصوى للتجميع لفترة طويلة. الاختبار الشائع لهذه الأسطح هو 500 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة.

من أجل تقييم قدرة الأسطح المسطحة غير المشبعة بالنيكل / الذهب على منع أكسدة النيكل ، تمت دراسة قابلية اللحام للأسطح ذات العمر الحراري. تم اختبار ظروف مختلفة للحرارة / الرطوبة والوقت. أظهرت هذه الدراسات أن النيكل محمي بشكل كافٍ عن طريق ترشيح الذهب ، مما يسمح بإمكانية لحام جيدة بعد الشيخوخة الطويلة.

قد يكون انتشار النيكل إلى الذهب عاملاً مقيدًا للتجميع في بعض الحالات ، مثل ربط الأسلاك الحرارية بالذهب. في هذا التطبيق ، يكون سطح النيكل / الذهب أقل تقدمًا من سطح النيكل / البلاديوم / الذهب. قام Iacovangelo بالتحقيق في خصائص انتشار البلاديوم كطبقة حاجزة بين النيكل والذهب ووجد أن 0.5 ميكرومتر من البلاديوم يمنع الهجرة حتى في درجات الحرارة القصوى. أظهرت هذه الدراسة أيضًا أنه لم يكن هناك انتشار للنحاس من خلال 2.5 ميكرومتر من النيكل / البلاديوم المحدد بواسطة مطياف أوجيه خلال 15 دقيقة عند 500 درجة مئوية.

مركب بين الأجيال من قصدير النيكل

أثناء عملية اللحام على السطح أو الموجة ، سيتم خلط الذرات من سطح ثنائي الفينيل متعدد الكلور مع ذرات اللحام ، اعتمادًا على خصائص انتشار المعدن والقدرة على تكوين “مركبات بين المعادن” (الجدول 4).

الجدول 4. انتشار مواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور في اللحام

انتشار درجة حرارة المعدن ° C (inches / SEC.)

ذهب 450 486

النحاس 450 525 4.1

البلاديوم 450 525 1.4

نيكل 700 1.7

في أنظمة النيكل / الذهب والقصدير / الرصاص ، يذوب الذهب على الفور في القصدير السائب. يشكل اللحام ارتباطًا قويًا بالنيكل الأساسي عن طريق تكوين مركبات Ni3Sn4 بين المعادن. يجب ترسيب كمية كافية من النيكل لضمان عدم وصول اللحام إلى أسفل النحاس.أظهرت قياسات بدر أنه لم تكن هناك حاجة إلى أكثر من 0.5 ميكرومتر من النيكل للحفاظ على الحاجز ، حتى خلال أكثر من ست دورات درجة حرارة. في الواقع ، الحد الأقصى لسمك الطبقة البينية الملحوظة أقل من 0.5 ميكرومتر (20 بوصة).

مسامي

أصبح النيكل / الذهب غير الكهربائي مؤخرًا طلاءًا نهائيًا شائعًا لسطح ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، لذلك قد لا تكون الإجراءات الصناعية مناسبة لهذا السطح. تتوفر عملية بخار حمض النيتريك لاختبار مسامية النيكل الإلكتروليتي / الذهب المستخدم كموصل إضافي (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. لن يجتاز النيكل / التشريب غير الإلكتروليتي هذا الاختبار. تم تطوير معيار المسامية الأوروبية باستخدام فيري سيانيد البوتاسيوم لتحديد المسامية النسبية للأسطح المسطحة ، والتي يتم تقديمها من حيث المسام لكل مليمتر مربع (البق / مم 2). يجب أن يحتوي السطح المسطح الجيد على أقل من 10 ثقوب لكل مليمتر مربع عند تكبير 100 ×.

اختتام

تهتم صناعة تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور بتقليل كمية النيكل المودعة على السبورة لأسباب تتعلق بالتكلفة ووقت الدورة وتوافق المواد. يجب أن تساعد المواصفات الدنيا للنيكل في منع انتشار النحاس على سطح الذهب ، والحفاظ على قوة لحام جيدة ، والحفاظ على مقاومة التلامس منخفضة. يجب أن تسمح المواصفات القصوى للنيكل بالمرونة في تصنيع الألواح ، حيث لا توجد أنماط خطيرة من الفشل مرتبطة بترسبات النيكل السميكة.

بالنسبة لمعظم تصميمات لوحات الدوائر الحالية ، فإن طلاء النيكل غير الكهربائي الذي يبلغ 2.0 ميكرومتر (80 بوصة) هو الحد الأدنى المطلوب لسمك النيكل. من الناحية العملية ، سيتم استخدام مجموعة من سمك النيكل في دفعة إنتاج لثنائي الفينيل متعدد الكلور (الشكل 2). سينتج التغيير في سمك النيكل عن التغيير في خصائص كيماويات الاستحمام والتغير في وقت الاستقرار لآلة الرفع الأوتوماتيكية. لضمان حد أدنى من 2.0 ميكرومتر ، يجب أن تتطلب المواصفات من المستخدمين النهائيين 3.5 ميكرومتر ، بحد أدنى 2.0 ميكرومتر ، وحد أقصى 8.0 ميكرومتر.

ثبت أن هذا النطاق المحدد من سمك النيكل مناسب لإنتاج ملايين لوحات الدوائر. يلبي النطاق قابلية اللحام ومدة الصلاحية ومتطلبات الاتصال للإلكترونيات الحالية. نظرًا لاختلاف متطلبات التجميع من منتج إلى آخر ، فقد يلزم تحسين طلاء الأسطح لكل تطبيق معين.