Konečný proces potahování pro PCB výroba prošla v posledních letech výraznými změnami. 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.

Konečný nátěr se používá k ochraně povrchu obvodové měděné fólie. Měď (Cu) je dobrým povrchem pro svařování součástí, ale snadno se oxiduje; Oxid mědi brání zvlhčení pájky. Ačkoli se zlato (Au) nyní používá k zakrytí mědi, protože zlato neoxiduje; Zlato a měď se navzájem rychle difundují a prostupují. Jakákoli exponovaná měď rychle vytvoří nesvařitelný oxid mědi. Jedním z přístupů je použití niklové (Ni) „bariérové ​​vrstvy“, která brání přenosu zlata a mědi a poskytuje trvanlivý, vodivý povrch pro montáž součástí.

Požadavky na desku plošných spojů pro neelektrolytický niklový povlak

The non-electrolytic nickel coating should perform several functions:

Povrch ložiska zlata

Konečným účelem obvodu je vytvořit spojení s vysokou fyzickou pevností a dobrými elektrickými vlastnostmi mezi deskou plošných spojů a součástmi. Pokud je na povrchu desky plošných spojů nějaký oxid nebo kontaminace, tento svařovaný spoj by při dnešním slabém toku nevznikl.

Zlato se přirozeně ukládá na nikl a při dlouhodobém skladování neoxiduje. Zlato se však na oxidovaném niklu neusazuje, takže nikl musí zůstat čistý mezi niklovou lázní a rozpuštěním zlata. 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.

tvrdost

Neelektrolytické poniklované povrchy se používají v mnoha aplikacích, které vyžadují fyzickou pevnost, jako jsou ložiska automobilových převodovek. Požadavky na desky plošných spojů jsou mnohem méně přísné než požadavky pro tyto aplikace, ale určitá tvrdost je důležitá pro propojení vodičů, kontakty dotykové podložky, konektory edge-connetor a udržitelnost zpracování.

Lepení olova vyžaduje tvrdost niklu. Pokud olovo deformuje sraženinu, může dojít ke ztrátě tření, což pomáhá olovu „roztavit“ se do podkladu. Obrázky SEM neukázaly žádnou penetraci na povrch plochého niklu/zlata nebo niklu/palladia (Pd)/zlata.

Elektrické vlastnosti

Měď je zvoleným kovem pro tvorbu obvodů, protože se snadno vyrábí. Měď vede elektřinu lépe než téměř každý kov (tabulka 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

Měď 1.7 (včetně Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Neelektrolytický niklový povlak 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. Ztráta signálu mikrovlnné desky plošných spojů může překročit specifikace projektanta. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. V mnoha aplikacích lze elektrické signály obnovit na konstrukční specifikaci zadáním usazenin niklu menší než 2.5 µm.

Odolnost kontaktů

Kontaktní odpor se liší od svařitelnosti, protože povrch nikl/zlato zůstává po celou dobu životnosti konečného výrobku nesvařený. Po dlouhodobém vystavení životnímu prostředí musí nikl/zlato zůstat vodivé pro vnější kontakt. 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, teplota, při které musí fungovat univerzální konektory, často specifikovaná pro vojenské aplikace; 200 ° C, tato teplota je pro létající zařízení stále důležitější. “

Pro nízké teploty nejsou niklové zábrany vyžadovány. Jak teplota stoupá, zvyšuje se množství niklu potřebné k zabránění přenosu nikl/zlato (tabulka II).

Tabulka 2. Odpor kontaktu nikl/zlato (1000 hodin)

Vrstva niklové bariéry uspokojivý kontakt při 65 ° C uspokojivý kontakt při 125 ° C uspokojivý kontakt při 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 použitý v Antlerově studii byl galvanicky pokoven. Vylepšení se očekávají od neelektrolytického niklu, jak potvrdil Baudrand 4. Tyto výsledky jsou však pro 0.5 µm zlata, kde se rovina obvykle vysráží 0.2 µm. Rovinu lze odvodit jako dostatečnou pro kontaktní prvky pracující při 125 ° C, ale prvky s vyšší teplotou budou vyžadovat specializované testování.

“Čím silnější je nikl, tím lepší je bariéra ve všech případech,” navrhuje Antler, “ale realita výroby PCB vybízí inženýry, aby ukládali pouze tolik niklu, kolik je potřeba.” Plochý nikl/zlato se nyní používá v mobilních telefonech a pagerech, které používají kontaktní body na dotykové podložce. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

Konektor

Neelektrolytické ponoření nikl/zlato se používá při výrobě obvodových desek s pružinovým, lisovaným, nízkotlakým posuvným a jiným nesvařovaným konektorem.

Zásuvné konektory vyžadují delší fyzickou odolnost. V těchto případech jsou neelektrolytické niklové povlaky dostatečně silné pro aplikace PCB, ale ponoření do zlata nikoli. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Když je zlato odstraněno, odhalený nikl rychle oxiduje, což má za následek zvýšení kontaktního odporu.

Neelektrolytický niklový povlak/zlaté ponoření nemusí být tou nejlepší volbou pro zásuvné konektory, které vydrží více vložek po celou dobu životnosti výrobku. Pro víceúčelové konektory se doporučují povrchy nikl/palladium/zlato.

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) Zdroj niklu tvořeného intermetalickými sloučeninami Ni3Sn4.

Difúze mědi na nikl

Přenos mědi přes nikl bude mít za následek rozklad mědi na povrchové zlato. 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. Proto je teplotní požadavek bariérové ​​vrstvy menší než jedna minuta pod 250 ° C.

Turn a Owen6 studovali účinek různých bariérových vrstev na měď a zlato. Zjistili, že „… Porovnání hodnot propustnosti mědi při 400 ° C a 550 ° C ukazuje, že nejúčinnější studovanou bariérovou vrstvou jsou hexavalentní chrom a nikl s obsahem 8-10% fosforu “. (tabulka 3).

Tabulka 3. Penetrace mědi přes nikl ke zlatu

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 µM 8 µm

2.00 µm Nedifúzní nedifúzní nedifúzní

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Je zajímavé, že v tomto experimentu byl neelektrolytický nikl 2 až 10krát účinnější než nikl galvanicky pokovený. Turn a Owen poukazují na to, že „… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Z tohoto extrémního teplotního testu je bezpečnou specifikací tloušťka niklu alespoň 2 µm.

Difúze niklu na zlato

Druhým požadavkem neelektrolytického niklu je, aby nikl nemigroval přes „zrna“ nebo „jemné otvory“ impregnované zlatem. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Existuje několik článků o niklu a zlatě používaných jako nosiče keramických čipů. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Běžným testem pro tyto povrchy je 500 ° C po dobu 15 minut.

Aby byla zhodnocena schopnost plochých neelektrolytických povrchů impregnovaných niklem/zlatem zabránit oxidaci niklu, byla studována svařitelnost povrchů stárnutých při teplotě. Different heat/humidity and time conditions were tested. Tyto studie ukázaly, že nikl je dostatečně chráněn vyluhováním zlata, což umožňuje dobrou svařitelnost po dlouhém stárnutí.

Difúze niklu na zlato může být v některých případech limitujícím faktorem pro montáž, jako je například zlaté termalsonické spojení drátem. V této aplikaci je povrch nikl/zlato méně pokročilý než povrch nikl/palladium/zlato. 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.

Mezigenerační sloučenina nikl -cín

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).

Tabulka 4. Difuzivita materiálů PCB při svařování

Teplota kovu ° C difuzivita (µinch/ SEC.)

Zlato 450 486 117.9 167.5

Měď 450 525 4.1 7.0

Palladium 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

V systémech nikl/zlato a cín/olovo se zlato okamžitě rozpustí na volný cín. 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.Baderova měření ukázala, že k udržení bariéry nebylo zapotřebí více než 0.5 µm niklu, a to i přes více než šest teplotních cyklů. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

porézní

Neelektrolytický nikl/zlato se teprve nedávno stal běžným konečným povrchovým nátěrem PCB, takže průmyslové postupy nemusí být pro tento povrch vhodné. K testování pórovitosti elektrolytického niklu/zlata použitého jako zásuvný konektor (IPC-TM-650 2.3.24.2) je k dispozici parní proces s kyselinou dusičnou 9. Neelektrolytický nikl/impregnace tímto testem neprojde. Pro stanovení relativní porozity plochých povrchů, která je udávána v pórech na milimetr čtvereční (ploštice /mm2), byl vyvinut evropský standard pórovitosti za použití ferricyanidu draselného. Dobrý rovný povrch by měl mít při 10násobném zvětšení méně než 100 otvorů na milimetr čtvereční.

závěr

Průmysl výroby PCB má zájem snížit množství niklu usazeného na desce z důvodu nákladů, doby cyklu a kompatibility materiálu. Minimální specifikace niklu by měla pomoci zabránit difuzi mědi na zlatý povrch, udržovat dobrou pevnost svaru a udržovat kontaktní odpor na nízké úrovni. Maximální specifikace niklu by měla umožnit flexibilitu při výrobě desek, protože s tlustými usazeninami niklu nejsou spojeny žádné závažné způsoby selhání.

Pro většinu dnešních návrhů obvodových desek je minimální požadovanou tloušťkou niklu neelektrolytický niklový povlak 2.0 µm (80 µinch). V praxi se na výrobní šarži PCB použije řada tlouštěk niklu (obrázek 2). Změna tloušťky niklu bude důsledkem změny vlastností chemikálií do koupele a změny doby setrvání automatického zvedacího stroje. Aby bylo zajištěno minimum 2.0 µm, specifikace od koncových uživatelů by měly vyžadovat 3.5 µm, minimálně 2.0 µm a maximálně 8.0 µm.

Tento specifikovaný rozsah tloušťky niklu se ukázal jako vhodný pro výrobu milionů obvodových desek. Řada splňuje požadavky na svařitelnost, trvanlivost a kontakty dnešní elektroniky. Protože se požadavky na montáž u jednotlivých produktů liší, může být nutné optimalizovat povrchové nátěry pro každou konkrétní aplikaci.