Završni postupak premazivanja za PCB proizvodnja je posljednjih godina doživjela značajne promjene. Ove promjene su rezultat stalne potrebe za prevladavanjem ograničenja HASL -a (kohezije toplog zraka) i sve većeg broja alternativa HASL -a.

Završni premaz koristi se za zaštitu površine kruga bakrene folije. Bakar (Cu) je dobra površina za zavarivanje komponenti, ali se lako oksidira; Bakarni oksid ometa vlaženje lema. Iako se zlato (Au) sada koristi za pokrivanje bakra, jer zlato ne oksidira; Zlato i bakar će se brzo raspršiti i prožimati jedno drugo. Svaki izloženi bakar brzo će stvoriti nezavarljivi oksid bakra. Jedan od pristupa je korištenje “barijernog sloja” od nikla (Ni) koji sprječava prijenos zlata i bakra i pruža izdržljivu, provodljivu površinu za sastavljanje komponenti.

Zahtjevi za PCB za neelektrolitičke premaze od nikla

Neelektrolitički premaz od nikla trebao bi obavljati nekoliko funkcija:

Površina ležišta zlata

Konačna svrha kola je uspostaviti vezu između PCB -a i komponenti visoke fizičke čvrstoće i dobrih električnih karakteristika. Ako na površini PCB -a postoji oksid ili onečišćenje, do ovog zavarenog spoja ne bi došlo pri današnjem slabom fluksu.

Zlato se prirodno taloži na niklu i ne oksidira tijekom dugog skladištenja. Međutim, zlato se ne taloži na oksidiranom niklu, tako da nikal mora ostati čist između kupke nikla i otapanja zlata. Stoga je prvi zahtjev nikla da ostane dovoljno dugo bez kisika kako bi se omogućilo taloženje zlata. Komponente su razvile kupke za kemijsko ispiranje kako bi omogućile 6 ~ 10% sadržaja fosfora u taloženju nikla. Ovaj sadržaj fosfora u ne-elektrolitičkoj prevlaci od nikla smatra se pažljivom ravnotežom kontrole kupke, oksida, te električnih i fizičkih svojstava.

tvrdoća

Površine presvučene elektrolitom bez nikla koriste se u mnogim aplikacijama koje zahtijevaju fizičku snagu, poput ležajeva za prijenos automobila. Zahtjevi za PCB su daleko manje strogi od onih za ove aplikacije, ali određena tvrdoća je važna za povezivanje žicom, kontakte na dodirnoj podlozi, konektore za rubne konektore i održivost obrade.

Za lijepljenje olova potrebna je tvrdoća nikla. Gubitak trenja može nastati ako olovo deformira talog, što pomaže da se olovo „istopi“ u podlogu. SEM slike nisu pokazale prodor na površinu ravnog nikla/zlata ili nikla/paladija (Pd)/zlata.

Električne karakteristike

Bakar je metal izbora za formiranje kola jer se lako izrađuje. Bakar provodi električnu struju bolje od gotovo svakog metala (tablica 1) 1,2. Zlato također ima dobru električnu vodljivost, što ga čini savršenim izborom za najudaljenije metale jer elektroni teže teći po površini provodljivog puta (prednost “površinske”).

Tablica 1. Otpornost metala PCB -a

Bakar 1.7 (uključujući Ω cm

Zlato (uključujući 2.4 Ω cm

Nikl (uključujući 7.4 Ω cm

Neelektrolitička prevlaka od nikla 55 ~ 90 µ ω cm

Iako sloj nikla ne utječe na električne karakteristike većine proizvodnih ploča, nikal može utjecati na električne karakteristike visokofrekventnih signala. Gubitak signala PCB -a u mikrovalnoj pećnici može premašiti specifikacije dizajnera. Ova pojava je proporcionalna debljini nikla – kolo mora proći kroz nikal da dođe do mjesta lemljenja. U mnogim primjenama električni signali mogu se vratiti u skladu sa specifikacijama projekta specificiranjem naslaga nikla manjih od 2.5 µm.

Otpor kontakta

Kontaktna otpornost se razlikuje od zavarivanja jer površina nikla/zlata ostaje nezavarena tijekom vijeka trajanja krajnjeg proizvoda. Nikl/zlato mora ostati provodljivo za vanjski kontakt nakon duže izloženosti okolišu. Antlerova knjiga iz 1970. izrazila je kvantitativno potrebe za kontaktom površine nikla/zlata. Proučavana su različita okruženja krajnje upotrebe: 3 “65 ° C, normalna maksimalna temperatura za elektronske sisteme koji rade na sobnoj temperaturi, poput računara; 125 ° C, temperatura na kojoj univerzalni konektori moraju raditi, često navedena za vojne primjene; 200 ° C, ta temperatura postaje sve važnija za leteću opremu. ”

Za niske temperature, niklene barijere nisu potrebne. Kako temperatura raste, količina nikla potrebna za sprječavanje prijenosa nikla/zlata raste (Tabela II).

Tabela 2. Kontaktna otpornost nikla/zlata (1000 sati)

Nikel barijerni sloj zadovoljavajući kontakt na 65 ° C zadovoljavajući kontakt na 125 ° C zadovoljavajući kontakt na 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%

Nikl korišten u Antlerovoj studiji bio je galvaniziran. Očekuje se poboljšanje neelektrolitičkog nikla, što je potvrdio Baudrand 4. Međutim, ovi rezultati su za 0.5 µm zlata, gdje se ravnina obično taloži 0.2 µm. Može se zaključiti da je ravnina dovoljna za kontaktne elemente koji rade na 125 ° C, ali će elementi s višom temperaturom zahtijevati specijalizirana ispitivanja.

„Što je nikl deblji, to je barijera bolja u svim slučajevima“, kaže Antler, „ali realnost proizvodnje PCB -a potiče inženjere da deponiraju samo onoliko nikla koliko je potrebno. Ravni nikal/zlato sada se koristi u mobilnim telefonima i pejdžerima koji koriste dodirne tačke dodirne podloge. Specifikacija za ovu vrstu elemenata je najmanje 2 µm nikla.

Konektor

Neelektrolitičko potapanje u nikal/zlato koristi se u proizvodnji pločica sa oprugom, prešanjem, klizanjem pod niskim pritiskom i drugim nezavarenim konektorima.

Utični konektori zahtijevaju dužu fizičku izdržljivost. U tim slučajevima, ne-elektrolitički premazi od nikla dovoljno su jaki za primjenu na PCB-u, ali potapanje u zlato nije. Vrlo tanko čisto zlato (60 do 90 Knoop) će se odvojiti od nikla tijekom ponovljenog trenja. Kada se zlato ukloni, izloženi nikal brzo oksidira, što rezultira povećanjem otpornosti na kontakt.

Neelektrolitička prevlaka od nikla/potapanje u zlato možda nije najbolji izbor za utične konektore koji izdrže više umetaka tijekom vijeka trajanja proizvoda. Površine od nikla/paladija/zlata preporučuju se za višenamjenske konektore.

Barijerni sloj

Neelektrolitički nikal ima funkciju tri barijerna sloja na ploči: 1) da spriječi difuziju bakra u zlato; 2) spriječiti difuziju zlata u nikal; 3) Izvor nikla formiran od Ni3Sn4 intermetalnih spojeva.

Difuzija bakra u nikal

Prijenos bakra kroz nikal rezultirat će razgradnjom bakra na površinsko zlato. Bakar će brzo oksidirati, što rezultira lošim zavarivanjem tijekom montaže, što se događa u slučaju curenja nikla. Nikl je potreban kako bi se spriječila migracija i difuzija praznih ploča tijekom skladištenja i tijekom montaže kada su druga područja ploče zavarena. Stoga je zahtjev za temperaturom barijernog sloja manji od jedne minute ispod 250 ° C.

Turn i Owen6 proučavali su učinak različitih barijernih slojeva na bakar i zlato. Otkrili su da „… Usporedba vrijednosti propusnosti bakra na 400 ° C i 550 ° C pokazuje da su šestovalentni krom i nikal sa 8-10% sadržaja fosfora najefikasniji proučavani barijerski slojevi “. (tabela 3).

Tabela 3. Prodor bakra kroz nikal u zlato

Debljina nikla 400 ° C 24 sata 400 ° C 53 sata 550 ° C 12 sati

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 Ne-difuzna ne-difuzna ne-difuzija

Prema Arrheniusovoj jednadžbi, difuzija na nižim temperaturama eksponencijalno je sporija. Zanimljivo je da je u ovom eksperimentu neelektrolitički nikal bio 2 do 10 puta efikasniji od galvaniziranog nikla. Turn i Owen ističu da „… Barijera (8%) od 2 µm (80 µ inča) ove legure smanjuje difuziju bakra na zanemariv nivo. ”

Iz ovog ispitivanja ekstremne temperature, debljina nikla od najmanje 2µm je sigurna specifikacija.

Difuzija nikla u zlato

Drugi zahtjev neelektrolitičkog nikla je da nikal ne migrira kroz “zrna” ili “fine rupe” impregnirane zlatom. Ako nikal dođe u kontakt sa zrakom, oksidirat će. Oksid nikla se ne prodaje i teško se uklanja fluksom.

Postoji nekoliko članaka o niklu i zlatu koji se koriste kao nosači keramičkih čipova. Ovi materijali dugo podnose ekstremne temperature montaže. Uobičajen test za ove površine je 500 ° C 15 minuta.

Kako bi se procijenila sposobnost ravnih neelektrolitičkih površina impregniranih niklom/zlatom da spriječe oksidaciju nikla, proučavana je zavarljivost površina podvrgnutih temperaturi. Testirani su različiti toplinsko/vlažni i vremenski uvjeti. Ove studije su pokazale da je nikal adekvatno zaštićen ispiranjem zlata, omogućavajući dobro zavarivanje nakon dugog starenja.

Difuzija nikla u zlato može u nekim slučajevima biti ograničavajući faktor pri sastavljanju, kao što je vezivanje zlatne termosonične žice. U ovoj primjeni površina nikla/zlata je manje napredna od površine nikla/paladija/zlata. Iacovangelo je istraživao difuzijska svojstva paladija kao barijernog sloja između nikla i zlata i otkrio da paladij od 0.5 µm sprječava migraciju čak i pri ekstremnim temperaturama. Ova studija je također pokazala da nije bilo difuzije bakra kroz 2.5 μm nikla/paladija određenog Auger -ovom spektroskopijom tijekom 15 minuta na 500 ° C.

Međugeneričko jedinjenje od nikl -kalaja

Tijekom površinskog montiranja ili lemljenja valovima, atomi sa površine PCB -a će se pomiješati s atomima lemljenja, ovisno o difuzijskim svojstvima metala i sposobnosti stvaranja „intermetalnih spojeva“ (Tablica 4).

Tablica 4. Difuznost PCB materijala pri zavarivanju

Temperatura metala ° C difuzivnost (µinches/ SEC.)

Zlato 450 486 117.9 167.5

Bakar 450 525 4.1 7.0

Paladij 450 525 1.4 6.2

Nikal 700 1.7

U sistemima od nikla/zlata i kalaja/olova, zlato se odmah rastvara u rastresit lim. Lem formira snažno vezivanje za nikl ispod njega formiranjem intermetalnih spojeva Ni3Sn4. Treba nanijeti dovoljno nikla kako bi se osiguralo da lem neće doprijeti ispod bakra.Baderova mjerenja pokazala su da nije potrebno više od 0.5 µm nikla za održavanje barijere, čak ni kroz više od šest temperaturnih ciklusa. Zapravo, najveća uočena debljina intermetalnog sloja je manja od 0.5µm (20µinča).

porozno

Neelektrolitički nikal/zlato tek je nedavno postao uobičajeni završni premaz za PCB, pa industrijski postupci možda nisu prikladni za ovu površinu. Dostupan je postupak pare dušične kiseline za ispitivanje poroznosti elektrolitskog nikla/zlata koji se koristi kao utični konektor (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Neelektrolitički nikl/impregnacija neće proći ovaj test. Evropski standard poroznosti razvijen je korištenjem kalijevog fericianida za određivanje relativne poroznosti ravnih površina, koja se izražava u smislu pora po kvadratnom milimetru (greške /mm2). Dobra ravna površina trebala bi imati manje od 10 rupa po kvadratnom milimetru pri uvećanju od 100 x.

zaključak

Industrija proizvodnje PCB -a zainteresirana je za smanjenje količine nikla deponovanog na ploči iz razloga troškova, vremena ciklusa i kompatibilnosti materijala. Minimalne specifikacije nikla trebale bi spriječiti difuziju bakra na površinu zlata, održati dobru čvrstoću zavara i održavati nisku otpornost kontakta. Maksimalne specifikacije nikla trebale bi omogućiti fleksibilnost u proizvodnji ploča, jer ozbiljni načini kvara nisu povezani s debelim naslagama nikla.

Za većinu današnjih dizajna ploča, ne-elektrolitička prevlaka od nikla od 2.0 µm (80 µ inča) je minimalna potrebna debljina nikla. U praksi će se na proizvodnoj seriji PCB -a koristiti niz debljina nikla (slika 2). Promjena debljine nikla će biti posljedica promjene svojstava kemikalija za kupanje i promjene vremena zadržavanja automatske mašine za podizanje. Da bi se osiguralo najmanje 2.0 μm, specifikacije krajnjih korisnika trebaju zahtijevati 3.5 µm, minimalno 2.0 µm i maksimalno 8.0 µm.

Ovaj specificirani raspon debljine nikla pokazao se prikladnim za proizvodnju milijuna pločica. Asortiman zadovoljava zahtjeve zavarivanja, roka trajanja i kontakta današnje elektronike. Budući da se zahtjevi za montažu razlikuju od proizvoda do proizvoda, možda će biti potrebno optimizirati površinske premaze za svaku pojedinu primjenu.