U prucessu finale di revestimentu per PCB a fabricazione hà subitu cambiamenti significativi in ​​l’ultimi anni. 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.

U revestimentu finale hè adupratu per prutege a superficie di u fogliu di rame di u circuitu. U ramu (Cu) hè una bona superficia per i cumpunenti di saldatura, ma hè facilmente ossidatu; L’ossidu di ramu impedisce l’umidità di a saldatura. Ancu l’oru (Au) hè adupratu avà per copre u ramu, perchè l’oru ùn s’oxida micca; L’oru è u ramu si sparghjeranu rapidamente è si permeavanu. Ogni ramu espostu formerà prestu un ossidu di ramu micca saldabile. Un approcciu hè di aduprà un “stratu barriera” di nichel (Ni) chì impedisce u trasferimentu di l’oru è di u ramu è furnisce una superficia durevule è cunduttiva per l’assemblea di cumpunenti.

Requisiti PCB per u rivestimentu di nickel non elettroliticu

The non-electrolytic nickel coating should perform several functions:

A superficia di un depositu d’oru

U scopu finale di u circuitu hè di formà una cunnessione cù alta forza fisica è boni caratteristiche elettriche trà PCB è cumpunenti. S’ellu ci hè un ossidu o una contaminazione nantu à a superficia di u PCB, sta cumunione saldata ùn accaderia micca cù u debule flussu d’oghje.

Depositi d’oru naturalmente sopra à u nichel è ùn si ossida micca durante u longu almacenamentu. However, the gold does not settle on the oxidized nickel, so the nickel must remain pure between the nickel bath and the dissolution of the gold. 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. This phosphorus content in the non-electrolytic nickel coating is considered as a careful balance of bath control, oxide, and electrical and physical properties.

durezza

E superfici rivestite di nichel non elettroliticu sò aduprate in parechje applicazioni chì richiedenu forza fisica, cume i cuscinetti di trasmissione automobilistica. I requisiti di PCB sò assai menu stretti di quelli per queste applicazioni, ma una certa durezza hè impurtante per u legame di fili, contatti touchpad, connettori di connettori di punta, è a durabilità di a trasfurmazione.

L’incollatura di piombu richiede una durezza di nichel. A perdita di attritu pò accade se u piombu deforma u precipitatu, ciò chì aiuta u piombu à “fonde” in u substratu. L’imaghjini SEM ùn anu mostratu nisuna penetrazione in a superficia di u nichel pianu / oru o nichel / palladiu (Pd) / oru.

Caratteristiche elettriche

U ramu hè u metalu di scelta per a furmazione di circuiti perchè hè faciule da fà. U ramu cunduce l’electricità megliu cà guasi ogni metallu (tavula 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

Rame 1.7 (inclusi Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Rivestimentu in nickel non elettroliticu 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. A perdita di signale di u Microwave PCB pò superà e specificazioni di u cuncepitore. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. In parechje applicazioni, i segnali elettrichi ponu esse ripristinati à e specifiche di cuncepimentu specificendu depositi di nichel di menu di 2.5µm.

Resistenza di cuntattu

A resistenza à u cuntattu hè diversa da a saldabilità perchè a superficie di u nichel / oru ferma saldata per tutta a vita di u pruduttu finale. U nickel / oru deve esse cunduttivu à u cuntattu esternu dopu una esposizione ambientale prolungata. 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, a temperatura à chì i connettori universali devenu operà, spessu specificata per l’applicazioni militari; 200°C, that temperature is becoming more and more important for flying equipment.”

Per e basse temperature, e barriere in nichel ùn sò micca necessarie. As the temperature increases, the amount of nickel required to prevent nickel/gold transfer increases (Table II).

Tabella 2. Resistenza à u cuntattu di nichel / oru (1000 ore)

Stratu di barriera di nickel cuntattu soddisfacente à 65 ° C cuntattu soddisfacente à 125 ° C cuntattu soddisfacente à 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%

U nickel adupratu in u studiu di Antler hè statu galvanizatu. I miglioramenti sò previsti da u nickel non elettroliticu, cum’è cunfirmatu da Baudrand 4. Tuttavia, questi risultati sò per 0.5 µm d’oru, induve u pianu precipita di solitu 0.2 µm. U pianu pò esse inferitu per esse sufficiente per l’elementi di cuntattu chì operanu à 125 ° C, ma l’elementi di temperatura più alta necessitanu testi specializati.

“Più u nichel hè spissore, megliu serà a barriera, in tutti i casi”, suggerisce Antler, “ma e realità di a fabbricazione di PCB incuraghjenu l’ingegneri à deposità solu quantu nichel hè necessariu. U nickel pianu / oru hè oghji adupratu in i telefuni cellulari è i pagers chì utilizanu punti di cuntattu touch-pad. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

U connettore

L’immersione non elettrolitica in nichel / oru hè aduprata in a fabricazione di schede di circuitu cun adattamentu di primavera, press-fit, sliding à bassa pressione è altri connettori non saldati.

I connettori plug-in richiedenu una durabilità fisica più lunga. In questi casi, i rivestimenti di nickel non elettrolitichi sò abbastanza forti per l’applicazioni PCB, ma l’immersione d’oru ùn hè micca. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Quandu l’oru hè eliminatu, u nichel espostu s’oxida rapidamente, risultendu in una crescita di a resistenza à u cuntattu.

Non-electrolytic nickel coating/gold immersion may not be the best choice for plug-in connectors that endure multiple inserts throughout the life of the product. E superfici nichel / palladiu / oru sò raccomandate per connettori multiusu.

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) Fonte di nichel furmata da cumposti intermetallichi Ni3Sn4.

Diffusione di ramu à nickel

U trasferimentu di u ramu attraversu u nickel resultarà in a descomposizione di u ramu à a superficia d’oru. 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. Dunque, u requisitu di temperatura di u stratu barriera hè menu di un minutu sottu à 250 ° C.

Turn è Owen6 anu studiatu l’effettu di sfarenti strati di barriera nantu à u ramu è l’oru. Anu trovu chì “… U paragone di i valori di permeabilità di u ramu à 400 ° C è 550 ° C mostra chì u cromu esavalente è u nichel cun 8-10% di cuntenutu di fosforu sò i strati di barriera più efficaci studiati «. (tavulinu 3).

Tabella 3. Penetrazione di u ramu attraversu u nickel à l’oru

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 Non-diffusion non-diffusion non-diffusion

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Curiosamente, in questu esperimentu, u nickel non elettroliticu era 2 à 10 volte più efficiente di u nickel elettroliticu. Turn and Owen point out that “… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Da questu test di temperatura estrema, un spessore di nichel di almenu 2µm hè una specificazione sicura.

Diffusione di nickel à oru

U secondu requisitu di u nickel non elettroliticu hè chì u nickel ùn migreghja micca attraversu “granuli” o “buchi fini” impregnati d’oru. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Ci sò parechji articuli nantu à u nichel è l’oru aduprati cum’è purtatori di ceramiche. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Un test cumunu per queste superfici hè di 500 ° C per 15 minuti.

Per valutà l’abilità di e superfici piatte impregnate à u nichel / elettroliticu per impedisce l’ossidazione di u nichel, hè stata studiata a saldabilità di e superfici invecchiate à a temperatura. Different heat/humidity and time conditions were tested. Sti studii anu dimustratu chì u nichel hè adeguatamente prutettu da a lixiviazione di l’oru, permettendu una bona saldabilità dopu à un vechju invechjamentu.

A diffusione di u nichel à l’oru pò esse un fattore limitante per l’assemblea in certi casi, cum’è u ligame termale termicu oru. In questa applicazione, a superficie di nickel / or hè menu avanzata di a superficie di nickel / palladium / gold. 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.

Cumpostu intergenericu di tin nickel

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).

Tabella 4. Diffusività di i materiali PCB in saldatura

Diffusività di a temperatura di u metalu ° C (µinches / SEC.)

Oru 450 486 117.9 167.5

Rame 450 525 4.1 7.0

Paladiu 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

In i sistemi nichel / oru è stagnu / piombu, l’oru si scioglie subitu in stagnu scioltu. 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.E misurazioni di Bader anu mostratu chì micca più di 0.5µm di nichel era necessariu per mantene a barriera, ancu attraversu più di sei cicli di temperatura. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

porusu

U nichel / oru non elettroliticu hè diventatu solu pocu tempu un rivestimentu superficiale cumunu di PCB, dunque e procedure industriali ponu micca esse adatte per sta superficia. Un prucessu di vapore à l’acidu nitru hè dispunibule per testà a porosità di u nichel / oru elettroliticu adupratu cum’è connettore plug-in (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. U nickel / impregnazione non elettrolitica ùn supererà micca stu test. Un standard europeu di porosità hè statu sviluppatu aduprendu ferricianuru di potassiu per determinà a porosità relativa di e superfici piane, chì hè data in termini di pori per millimetru quadratu (bugs / mm2). Una bona superficia piatta duveria avè menu di 10 buchi per millimetru quadru à ingrandimentu 100 x.

cunclusione

L’industria di a fabbricazione di PCB hè interessata à riduce a quantità di nichel dipositu nantu à u bordu per ragioni di costu, tempu di ciclu è cumpatibilità materiale. A specificazione minima di nickel deve aiutà à prevene a diffusione di u ramu à a superficia d’oru, mantene una bona saldatura, è mantene a resistenza di cuntattu bassa. A specificazione massima di nichel deve permettere una flessibilità in a fabbricazione di placche, postu chì nisun modu seriu di fallimentu hè assuciatu cù depositi di nichel spessi.

Per a maiò parte di i disegni di circuiti d’oghje, un revestimentu di nickel non elettroliticu di 2.0µm (80µinches) hè u spessore minimu di nickel necessariu. In pratica, una gamma di spessori di nichel serà aduprata nantu à un lotu di produzzione di u PCB (Figura 2). U cambiamentu di u spessore di u nickel resulterà da u cambiamentu in e pruprietà di i chimichi di u bagnu è u cambiamentu in u tempu di permanenza di a macchina di sollevamentu automatica. Per assicurà un minimu di 2.0µm, e specifiche da l’utenti finali devenu richiede 3.5µm, un minimu di 2.0µm, è un massimu di 8.0µm.

Questa gamma specificata di spessore di nichel s’hè rivelata adatta per a produzzione di milioni di schede di circuitu. A gamma risponde à a saldabilità, a vita di scaffale è i requisiti di cuntattu di l’elettronica d’oghje. Perchè i requisiti di assemblea sò diversi da un pruduttu à l’altru, i rivestimenti superficiali ponu avè bisognu à esse ottimizzati per ogni applicazione particulare.