El procés de recobriment final de PCB la fabricació ha experimentat canvis significatius en els darrers anys. Aquests canvis són el resultat de la necessitat constant de superar les limitacions de l’HASL (cohesió de l’aire calent) i el nombre creixent d’alternatives HASL.

El recobriment final s’utilitza per protegir la superfície del paper de coure del circuit. El coure (Cu) és una bona superfície per soldar components, però s’oxida fàcilment; L’òxid de coure impedeix la humitació de la soldadura. Tot i que l’or (Au) ara s’utilitza per cobrir coure, perquè l’or no s’oxida; L’or i el coure es difondran ràpidament i s’impregnaran mútuament. Qualsevol coure exposat formarà ràpidament un òxid de coure no soldable. Un enfocament és utilitzar una “capa barrera” de níquel (Ni) que impedeixi la transferència d’or i coure i proporciona una superfície conductora i duradora per al muntatge dels components.

Requisits de PCB per al recobriment de níquel no electrolític

El recobriment de níquel no electrolític hauria de realitzar diverses funcions:

La superfície d’un jaciment d’or

El propòsit final del circuit és formar una connexió amb alta força física i bones característiques elèctriques entre PCB i components. Si hi ha òxid o contaminació a la superfície del PCB, aquesta unió soldada no es produiria amb el flux feble actual.

Es deposita l’or de forma natural a sobre del níquel i no s’oxida durant un llarg emmagatzematge. No obstant això, l’or no es posa sobre el níquel oxidat, de manera que el níquel ha de romandre pur entre el bany de níquel i la dissolució de l’or. Per tant, el primer requisit de níquel és romandre lliure d’oxigen el temps suficient per permetre que l’or precipiti. Els components van desenvolupar banys de lixiviació químics per permetre un contingut de fòsfor del 6 al 10% en la precipitació de níquel. Aquest contingut de fòsfor en el recobriment de níquel no electrolític es considera un equilibri acurat entre el control del bany, l’òxid i les propietats elèctriques i físiques.

duresa

Les superfícies recobertes de níquel no electrolítiques s’utilitzen en moltes aplicacions que requereixen resistència física, com ara els coixinets de transmissió automotriu. Els requisits de PCB són molt menys estrictes que aquells per a aquestes aplicacions, però una certa duresa és important per a la connexió de cables, els contactes del touchpad, els connectors de connectors de vora i la sostenibilitat del processament.

La unió de plom requereix una duresa de níquel. La pèrdua de fricció es pot produir si el plom deforma el precipitat, cosa que ajuda a que el plom es “fon” al substrat. Les imatges SEM no van mostrar cap penetració a la superfície de níquel pla / or o níquel / pal·ladi (Pd) / or.

Característiques elèctriques

El coure és el metall escollit per a la formació de circuits perquè és fàcil de fabricar. El coure condueix l’electricitat millor que gairebé tots els metalls (taula 1) 1,2. L’or també té una bona conductivitat elèctrica, cosa que el converteix en una opció perfecta per al metall més exterior, ja que els electrons tendeixen a fluir sobre la superfície d’una ruta conductora (l’avantatge de la “superfície”).

Taula 1. Resistivitat del metall PCB

Coure 1.7 (incloent Ω cm

Daurat (incloent 2.4 Ω cm

Níquel (inclosos 7.4 Ω cm

Recobriment no electrolític de níquel de 55 ~ 90 µ ω cm

Tot i que les característiques elèctriques de la majoria de plaques de producció no es veuen afectades per la capa de níquel, el níquel pot afectar les característiques elèctriques dels senyals d’alta freqüència. La pèrdua de senyal de PCB de microones pot superar les especificacions del dissenyador. Aquest fenomen és proporcional al gruix del níquel; el circuit ha de passar a través del níquel per arribar al punt de soldadura. En moltes aplicacions, els senyals elèctrics es poden restaurar a les especificacions de disseny especificant dipòsits de níquel inferiors a 2.5 µm.

Resistència al contacte

La resistència al contacte és diferent de la soldabilitat perquè la superfície de níquel / or roman sense soldar durant tota la vida del producte final. El níquel / l’or ha de continuar sent conductor del contacte extern després d’una exposició ambiental prolongada. El llibre de Antler del 1970 expressava els requisits de contacte superficial amb níquel / or en termes quantitatius. S’han estudiat diversos entorns d’ús final: 3 “65 ° C, una temperatura màxima normal per a sistemes electrònics que funcionen a temperatura ambient, com ara ordinadors; 125 ° C, la temperatura a la qual han de funcionar els connectors universals, sovint especificada per a aplicacions militars; 200 ° C, aquesta temperatura és cada vegada més important per als equips voladors ”.

Per a temperatures baixes, no es requereixen barreres de níquel. A mesura que augmenta la temperatura, augmenta la quantitat de níquel necessària per evitar la transferència de níquel / or (taula II).

Taula 2. Resistència al contacte de níquel / or (1000 hores)

Capa barrera de níquel contacte satisfactori a 65 ° C contacte satisfactori a 125 ° C contacte satisfactori a 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%

El níquel utilitzat en l’estudi d’Antler va ser galvanitzat. S’espera una millora del níquel no electrolític, segons confirma Baudrand 4. Tanmateix, aquests resultats corresponen a 0.5 µm d’or, on el pla sol precipitar 0.2 µm. Es pot deduir que el pla és suficient per als elements de contacte que funcionen a 125 ° C, però els elements de temperatura més alta requeriran proves especialitzades.

“Com més gruixut sigui el níquel, millor serà la barrera en tots els casos”, suggereix Antler, “però les realitats de la fabricació de PCB animen els enginyers a dipositar només la quantitat de níquel necessària. El níquel pla / daurat s’utilitza ara en telèfons mòbils i telèfons mòbils que utilitzen punts de contacte amb teclat tàctil. L’especificació d’aquest tipus d’elements és d’almenys 2 µm de níquel.

El connector

La immersió no electrolítica de níquel / or s’utilitza en la fabricació de plaques de circuits amb ajust de molla, ajust a pressió, corredissa de baixa pressió i altres connectors no soldats.

Els connectors endollables requereixen una major durabilitat física. En aquests casos, els recobriments de níquel no electrolítics són prou resistents per a aplicacions de PCB, però la immersió en or no ho és. L’or pur molt fi (de 60 a 90 Knoop) s’escaparà del níquel durant la fricció repetida. Quan s’elimina l’or, el níquel exposat s’oxida ràpidament, donant lloc a un augment de la resistència al contacte.

És possible que el recobriment no electrolític de níquel / immersió en or no sigui la millor opció per a connectors endollables que suportin múltiples insercions al llarg de la vida del producte. Es recomanen superfícies de níquel / pal·ladi / or per a connectors polivalents.

La capa barrera

El níquel no electrolític té la funció de tres capes barrera a la placa: 1) per evitar la difusió del coure a l’or; 2) Per evitar la difusió de l’or a níquel; 3) Font de níquel format per compostos intermetàl·lics de Ni3Sn4.

Difusió del coure al níquel

La transferència de coure a través del níquel donarà lloc a la descomposició del coure a l’or superficial. El coure s’oxidarà ràpidament, resultant en una soldabilitat deficient durant el muntatge, que es produeix en el cas de fuites de níquel. Es necessita níquel per evitar la migració i difusió de plaques buides durant l’emmagatzematge i durant el muntatge quan s’han soldat altres zones de la placa. Per tant, el requisit de temperatura de la capa barrera és inferior a un minut per sota dels 250 ° C.

Turn i Owen6 han estudiat l’efecte de diferents capes barreres sobre el coure i l’or. Van trobar que “… La comparació dels valors de permeabilitat del coure a 400 ° C i 550 ° C mostra que el crom hexavalent i el níquel amb un contingut de fòsfor del 8-10% són les capes barreres més efectives estudiades “. (taula 3).

Taula 3. Penetració del coure a través del níquel a l’or

Gruix de níquel 400 ° C 24 hores 400 ° C 53 hores 550 ° C 12 hores

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 No difusió No difusió No difusió

Segons l’equació d’Arrhenius, la difusió a temperatures més baixes és exponencialment més lenta. Curiosament, en aquest experiment, el níquel no electrolític va ser 2 a 10 vegades més eficient que el níquel galvanitzat. Turn i Owen assenyalen que “… Una barrera (8%) de 2µm (80µinch) d’aquest aliatge redueix la difusió del coure a un nivell insignificant “.

A partir d’aquesta prova de temperatura extrema, un gruix de níquel d’almenys 2 µm és una especificació segura.

Difusió del níquel a l’or

El segon requisit del níquel no electrolític és que el níquel no migri a través de “grans” o “forats fins” impregnats d’or. Si el níquel entra en contacte amb l’aire, s’oxidarà. L’òxid de níquel no es pot vendre i és difícil d’eliminar amb flux.

Hi ha diversos articles sobre níquel i or que s’utilitzen com a portaequipatges ceràmics. Aquests materials suporten les temperatures extremes de muntatge durant molt de temps. Una prova habitual d’aquestes superfícies és de 500 ° C durant 15 minuts.

Per tal d’avaluar la capacitat de les superfícies planes no electrolítiques impregnades amb níquel / or per evitar l’oxidació amb níquel, es va estudiar la soldabilitat de les superfícies envellides per temperatura. Es van provar diferents condicions de calor / humitat i temps. Aquests estudis han demostrat que el níquel està adequadament protegit per lixiviació de l’or, cosa que permet una bona soldabilitat després d’un llarg envelliment.

La difusió del níquel a l’or pot ser un factor limitant per al muntatge en alguns casos, com ara l’enllaç termalsònic d’or. En aquesta aplicació, la superfície níquel / or és menys avançada que la superfície níquel / pal·ladi / or. Iacovangelo va investigar les propietats de difusió del pal·ladi com a capa barrera entre níquel i or i va trobar que el pal·ladi de 0.5 µm impedeix la migració fins i tot a temperatures extremes. Aquest estudi també va demostrar que no hi havia difusió de coure a través de 2.5 µm de níquel / pal·ladi determinada per espectroscòpia Auger durant 15 minuts a 500 ° C.

Compost intergenèric de níquel-estany

Durant el muntatge superficial o l’operació de soldadura per ones, els àtoms de la superfície del PCB es barrejaran amb àtoms de soldadura, depenent de les propietats de difusió del metall i de la capacitat de formar “compostos intermetàl·lics” (taula 4).

Taula 4. Difusió de materials PCB en soldadura

Difusivitat de la temperatura del metall ° C (µinches / SEC.)

Or 450 486 117.9 167.5

Coure 450 525 4.1 7.0

Pal·ladi 450 525 1.4 6.2

Níquel 700 1.7

En els sistemes de níquel / or i estany / plom, l’or es dissol immediatament en estany solt. La soldadura forma una forta fixació al níquel subjacent formant compostos intermetàl·lics de Ni3Sn4. S’ha de dipositar prou níquel per assegurar que la soldadura no arribi a sota del coure.Les mesures de Bader van mostrar que no es requeria més de 0.5 µm de níquel per mantenir la barrera, fins i tot durant més de sis cicles de temperatura. De fet, el gruix màxim de la capa intermetàl·lica observat és inferior a 0.5 µm (20 µm).

porós

El níquel / or no electrolític s’ha convertit recentment en un recobriment superficial final de PCB, de manera que és possible que els procediments industrials no siguin adequats per a aquesta superfície. Hi ha disponible un procés de vapor d’àcid nítric per provar la porositat del níquel / or electrolític que s’utilitza com a connector endollable (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. El níquel / impregnació no electrolític no superarà aquesta prova. S’ha desenvolupat un estàndard europeu de porositat amb ferricianur de potassi per determinar la porositat relativa de les superfícies planes, que es dóna en termes de porus per mil·límetre quadrat (errors / mm2). Una bona superfície plana hauria de tenir menys de 10 forats per mil·límetre quadrat a un augment de 100 x.

conclusió

La indústria manufacturera de PCB està interessada en reduir la quantitat de níquel dipositada a la placa per raons de cost, temps de cicle i compatibilitat de materials. L’especificació mínima de níquel ha d’ajudar a prevenir la difusió del coure a la superfície daurada, a mantenir una bona resistència a la soldadura i a mantenir la resistència de contacte baixa. L’especificació màxima de níquel ha de permetre la flexibilitat en la fabricació de plaques, ja que no hi ha modes greus de fallada associats amb dipòsits gruixuts de níquel.

Per a la majoria dels dissenys actuals de plaques de circuits, el recobriment no electrolític de níquel de 2.0 µm (80 µm) és el gruix mínim de níquel necessari. A la pràctica, s’utilitzarà una gamma de gruixos de níquel en un lot de producció del PCB (Figura 2). El canvi de gruix del níquel resultarà del canvi de les propietats dels productes químics del bany i del canvi del temps de permanència de la màquina elevadora automàtica. Per garantir un mínim de 2.0 µm, les especificacions dels usuaris finals haurien de requerir 3.5 µm, un mínim de 2.0 µm i un màxim de 8.0 µm.

Aquesta gamma especificada de gruix de níquel s’ha demostrat adequada per a la producció de milions de plaques de circuit. La gamma compleix els requisits de soldabilitat, vida útil i contacte de l’electrònica actual. Com que els requisits de muntatge són diferents d’un producte a un altre, és possible que hagi de ser optimitzat el recobriment de superfícies per a cada aplicació en particular.