Крайният процес на покритие за PCB производството претърпя значителни промени през последните години. These changes are the result of the constant need to overcome the limitations of HASL(Hot air cohesion) and the growing number of HASL alternatives.

Крайното покритие се използва за защита на повърхността на медното фолио на веригата. Медта (Cu) е добра повърхност за заваряване на компоненти, но лесно се окислява; Медният оксид възпрепятства намокрянето на спойка. Въпреки че златото (Au) сега се използва за покриване на мед, тъй като златото не се окислява; Златото и медта бързо ще се разпръснат и проникнат един в друг. Всяка открита мед бързо ще образува не заваряем меден оксид. Един от подходите е да се използва „бариерен слой“ от никел (Ni), който предотвратява пренасянето на злато и мед и осигурява трайна, проводима повърхност за сглобяване на компоненти.

Изисквания за печатни платки за неелектролитично покритие от никел

The non-electrolytic nickel coating should perform several functions:

Повърхността на златно находище

Крайната цел на веригата е да създаде връзка с висока физическа якост и добри електрически характеристики между печатни платки и компоненти. Ако има някакъв оксид или замърсяване на повърхността на печатни платки, това заварено съединение няма да възникне при днешния слаб поток.

Златото се отлага естествено върху никела и не се окислява при продължително съхранение. Златото обаче не се утаява върху окисления никел, така че никелът трябва да остане чист между никеловата баня и разтварянето на златото. Thus, the first requirement of nickel is to remain oxygen-free long enough to allow gold to precipitate. Components developed chemical leaching baths to allow 6~10% phosphorus content in nickel precipitation. Това съдържание на фосфор в неелектролитното никелово покритие се счита за внимателен баланс на контрол на ваната, оксид и електрически и физични свойства.

твърдост

Неелектролитни повърхности с покритие от никел се използват в много приложения, които изискват физическа якост, като например лагери за трансмисия на автомобили. Изискванията за печатни платки са далеч по-малко строги от тези за тези приложения, но определена твърдост е важна за свързване на проводници, контакти на тъчпада, конектори за крайни конектори и устойчивост на обработката.

Оловното свързване изисква твърдост на никел. Загуба на триене може да възникне, ако оловото деформира утайката, което помага на оловото да се „стопи“ в основата. SEM изображенията не показват проникване в повърхността на плосък никел/злато или никел/паладий (Pd)/злато.

Електрически характеристики

Медта е избраният метал за формиране на вериги, защото е лесна за изработка. Медта провежда електричество по -добре от почти всеки метал (таблица 1) 1,2. Gold also has good electrical conductivity, making it a perfect choice for the outermost metal because electrons tend to flow on the surface of a conductive route (the “surface” benefit).

Table 1. Resistivity of PCB metal

Мед 1.7 (включително Ω см

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Неелектролитно никелово покритие 55 ~ 90 µ ω cm

Although the electrical characteristics of most production plates are not affected by the nickel layer, nickel can affect the electrical characteristics of high frequency signals. Загубата на сигнал от микровълнова печатна платка може да надвиши спецификациите на дизайнера. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. В много приложения електрическите сигнали могат да бъдат възстановени до проектните спецификации чрез определяне на никелови отлагания с по -малко от 2.5 µm.

Съпротивление на контакт

Контактното съпротивление е различно от заваряването, тъй като повърхността на никел/злато остава незаварена през целия живот на крайния продукт. Никелът/златото трябва да останат проводими за външен контакт след продължително излагане на околната среда. Antler’s 1970 book expressed nickel/gold surface contact requirements in quantitative terms. Various end-use environments have been studied: 3 “65°C, a normal maximum temperature for electronic systems operating at room temperature, such as computers; 125 ° C, температурата, при която трябва да работят универсалните съединители, често посочена за военни приложения; 200 ° C, тази температура става все по -важна за летателната техника. “

За ниски температури не се изискват никелови бариери. С повишаване на температурата се увеличава количеството никел, необходимо за предотвратяване на преноса на никел/злато (Таблица II).

Таблица 2. Контактна устойчивост на никел/злато (1000 часа)

Никелов бариерен слой задоволителен контакт при 65 ° C задоволителен контакт при 125 ° C задоволителен контакт при 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%

Никелът, използван в изследването на Antler, е галванизиран. Очакват се подобрения от не-електролитен никел, както е потвърдено от Baudrand 4. Тези резултати обаче са за 0.5 µm злато, където равнината обикновено се утаява 0.2 µm. Може да се предположи, че равнината е достатъчна за контактни елементи, работещи при 125 ° C, но елементите с по -висока температура ще изискват специализирано изпитване.

„Колкото по -дебел е никелът, толкова по -добра е бариерата във всички случаи“, предполага Антлер, „но реалностите на производството на печатни платки насърчават инженерите да депозират само толкова никел, колкото е необходимо. Плоският никел/злато сега се използва в клетъчни телефони и пейджъри, които използват точки за контакт с тъчпад. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

Съединителят

Неелектролитно потапяне в никел/злато се използва при производството на платки с пружинен монтаж, пресоване, плъзгане с ниско налягане и други несварени съединители.

Щепселните конектори изискват по-голяма физическа издръжливост. В тези случаи неелектролитичните никелови покрития са достатъчно здрави за приложения на печатни платки, но потапянето в злато не е така. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Когато златото се отстранява, откритият никел се окислява бързо, което води до увеличаване на контактното съпротивление.

Неелектролитно покритие от никел/потапяне в злато може да не е най-добрият избор за щепселни съединители, които издържат множество вложки през целия живот на продукта. Никел/паладий/златни повърхности се препоръчват за многофункционални съединители.

The barrier layer

Non-electrolytic nickel has the function of three barrier layers on the plate: 1) to prevent the diffusion of copper to gold; 2) To prevent the diffusion of gold to nickel; 3) Източник на никел, образуван от Ni3Sn4 интерметални съединения.

Дифузия на мед към никел

Прехвърлянето на мед през никел ще доведе до разлагане на мед до повърхностно злато. The copper will oxidize quickly, resulting in poor weldability during assembly, which occurs in the case of nickel leakage. Nickel is needed to prevent migration and diffusion of empty plates during storage and during assembly when other areas of the plate have been welded. Следователно изискването за температура на бариерния слой е по -малко от една минута под 250 ° C.

Търн и Оуен6 са изследвали ефекта на различните бариерни слоеве върху мед и злато. Те установиха, че „… Сравнението на стойностите на пропускливост на мед при 400 ° C и 550 ° C показва, че шестовалентният хром и никел с 8-10% съдържание на фосфор са най-ефективните изследвани бариерни слоеве “. (таблица 3).

Таблица 3. Проникване на мед през никел до злато

Nickel thickness 400°C 24 hours 400°C 53 hours 550°C 12 hours

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 Недифузионна недифузионна недифузия

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Интересното е, че в този експеримент неелектролитният никел е 2 до 10 пъти по-ефективен от галванизирания никел. Търн и Оуен посочват, че „… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

От това изпитване за екстремни температури дебелина на никел най -малко 2 μm е безопасна спецификация.

Дифузия на никел към злато

Второто изискване за неелектролитен никел е никелът да не мигрира през „зърна“ или „фини дупки“, импрегнирани със злато. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Има няколко статии за никел и злато, използвани като носители на керамични чипове. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Общ тест за тези повърхности е 500 ° C за 15 минути.

За да се оцени способността на плоските неелектролитични повърхности, импрегнирани с никел/злато, да предотвратят окисляването на никел, беше проучена заваряемостта на повърхности, стареещи при температура. Different heat/humidity and time conditions were tested. Тези проучвания показват, че никелът е адекватно защитен чрез излугване на злато, което позволява добра заваряемост след продължително стареене.

Дифузията на никел към злато може да бъде ограничаващ фактор за сглобяване в някои случаи, като например свързване на термозвукова тел от злато. В това приложение повърхността никел/злато е по -малко напреднала от повърхността никел/паладий/злато. Iacovangelo investigated the diffusion properties of palladium as a barrier layer between nickel and gold and found that 0.5µm palladium prevents migration even at extreme temperatures. This study also demonstrated that there was no diffusion of copper through 2.5µm of nickel/palladium determined by Auger spectroscopy during 15 minutes at 500°C.

Междуродово съединение от никелов калай

During surface mount or wave soldering operation, atoms from the PCB surface will be mixed with solder atoms, depending on the diffusion properties of the metal and the ability to form “intermetallic compounds” (Table 4).

Таблица 4. Дифузия на ПХБ материали при заваряване

Температура на метала ° C дифузия (µinches/ SEC.)

Злато 450 486 117.9 167.5

Мед 450 525 4.1 7.0

Паладий 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

В никел/злато и калай/оловни системи златото незабавно се разтваря в насипна калай. The solder forms a strong attachment to the underlying nickel by forming Ni3Sn4 intermetallic compounds. Enough nickel should be deposited to ensure that the solder will not reach underneath the copper.Измерванията на Бадер показват, че не са необходими повече от 0.5 μm никел за поддържане на бариерата, дори през повече от шест температурни цикъла. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

порест

Неелектролитният никел/злато едва наскоро се превърна в често срещано окончателно повърхностно покритие от печатни платки, така че промишлените процедури може да не са подходящи за тази повърхност. Наличен е процес на пара с азотна киселина за тестване на порьозността на електролитен никел/злато, използван като щепсел (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Неелектролитен никел/импрегниране няма да премине този тест. Разработен е европейски стандарт за порьозност, използващ калиев ферицианид за определяне на относителната порьозност на плоските повърхности, която се определя като пори на квадратен милиметър (бъгове /mm2). Една добра плоска повърхност трябва да има по -малко от 10 дупки на квадратен милиметър при 100 х увеличение.

заключение

Производствената индустрия за печатни платки се интересува от намаляване на количеството никел, депонирано на борда поради причини за разходи, време на цикъл и съвместимост на материалите. Минималните спецификации на никел трябва да помогнат за предотвратяване на дифузия на мед към златната повърхност, да поддържат добра якост на заваряване и да поддържат ниско съпротивление на контакта. Максималната спецификация на никела трябва да позволява гъвкавост при производството на плочи, тъй като сериозни начини на повреда не са свързани с дебели никелови отлагания.

За повечето от съвременните дизайни на платки, неелектролитно никелово покритие от 2.0 µm (80 µinches) е минималната необходима дебелина на никела. На практика в производствена партида на печатни платки ще се използват редица никелови дебелини (Фигура 2). Промяната в дебелината на никела ще бъде резултат от промяната в свойствата на химикалите за баня и промяната в времето на престой на автоматичната повдигаща машина. За да се осигури минимум 2.0 µm, спецификациите от крайните потребители трябва да изискват 3.5 µm, минимум 2.0 µm и максимум 8.0 µm.

Този определен диапазон от дебелина на никел се оказа подходящ за производството на милиони печатни платки. Гамата отговаря на заваряемостта, срока на годност и изискванията за контакт на съвременната електроника. Тъй като изискванията за сглобяване са различни от един продукт до друг, може да се наложи повърхностните покрития да бъдат оптимизирани за всяко конкретно приложение.