Den sidste belægningsproces for PCB fremstilling har gennemgået betydelige ændringer i de seneste år. Disse ændringer er et resultat af det konstante behov for at overvinde begrænsningerne ved HASL (varmlughed) og det stigende antal HASL -alternativer.

Den endelige belægning bruges til at beskytte overfladen af ​​kredsløbets kobberfolie. Kobber (Cu) er en god overflade til svejsning af komponenter, men oxideres let; Kobberoxid hindrer vådning af loddetin. Selvom guld (Au) nu bruges til at dække kobber, fordi guld ikke oxiderer; Guld og kobber vil hurtigt diffundere og gennemsyre hinanden. Ethvert eksponeret kobber vil hurtigt danne et ikke-svejsbart kobberoxid. En tilgang er at bruge et nikkel (Ni) “barrierelag”, der forhindrer guld og kobber i at overføre og giver en holdbar, ledende overflade til komponentmontering.

PCB-krav til ikke-elektrolytisk nikkelbelægning

Den ikke-elektrolytiske nikkelbelægning skal udføre flere funktioner:

Overfladen på en guldforekomst

Kredsløbets ultimative formål er at danne en forbindelse med høj fysisk styrke og gode elektriske egenskaber mellem print og komponenter. Hvis der er oxid eller kontaminering på PCB -overfladen, ville denne svejsede samling ikke forekomme med dagens svage flux.

Guld aflejres naturligt oven på nikkel og oxiderer ikke ved lang opbevaring. Guldet sætter sig imidlertid ikke på den oxiderede nikkel, så nikkelen skal forblive ren mellem nikkelbadet og opløsningen af ​​guldet. Således er det første krav til nikkel at forblive iltfrit længe nok til, at guld kan udfælde. Komponenter udviklede kemiske udvaskningsbade for at tillade 6 ~ 10% fosforindhold i nikkeludfældning. Dette fosforindhold i den ikke-elektrolytiske nikkelbelægning betragtes som en omhyggelig balance mellem badkontrol, oxid og elektriske og fysiske egenskaber.

hårdhed

Ikke-elektrolytiske nikkelbelagte overflader bruges i mange applikationer, der kræver fysisk styrke, f.eks. Lejebiler til biler. PCB-krav er langt mindre strenge end kravene til disse applikationer, men en vis hårdhed er vigtig for wire-bonding, touchpad-kontakter, kant-connetor-stik og behandling af bæredygtighed.

Binding af bly kræver en nikkelhårdhed. Tab af friktion kan opstå, hvis blyet deformerer bundfaldet, hvilket hjælper blyet med at “smelte” ind i substratet. SEM -billeder viste ingen indtrængning i overfladen af ​​fladt nikkel/guld eller nikkel/palladium (Pd)/guld.

Elektriske egenskaber

Kobber er det foretrukne metal til kredsløbsdannelse, fordi det er let at lave. Kobber leder elektricitet bedre end næsten hvert metal (tabel 1) 1,2. Guld har også god elektrisk ledningsevne, hvilket gør det til et perfekt valg for det yderste metal, fordi elektroner har en tendens til at flyde på overfladen af ​​en ledende rute (“overflade” -fordelen).

Tabel 1. Resistivitet af PCB -metal

Kobber 1.7 (inklusive Ω cm

Guld (inklusive 2.4 Ω cm

Nikkel (inklusive 7.4 Ω cm

Ikke-elektrolytisk nikkelbelægning 55 ~ 90 µ ω cm

Selvom de fleste produktionspladers elektriske egenskaber ikke påvirkes af nikkellaget, kan nikkel påvirke de elektriske egenskaber ved højfrekvente signaler. Signaltab i mikrobølgeovn -PCB kan overstige designspecifikationer. Dette fænomen er proportional med tykkelsen af ​​nikkelen – kredsløbet skal passere gennem nikkelen for at nå loddepladsen. I mange applikationer kan elektriske signaler gendannes til designspecifikationen ved at specificere nikkelaflejringer på mindre end 2.5 um.

Kontaktmodstand

Kontaktmodstand er forskellig fra svejsbarhed, fordi nikkel/guldoverfladen forbliver usvejset i hele slutproduktets levetid. Nikkel/guld skal forblive ledende for ekstern kontakt efter langvarig miljøeksponering. Antlers bog fra 1970 udtrykte nikkel/guld overfladekontaktkrav i kvantitative termer. Forskellige slutmiljøer er blevet undersøgt: 3 “65 ° C, en normal maksimumstemperatur for elektroniske systemer, der arbejder ved stuetemperatur, f.eks. Computere; 125 ° C, temperaturen ved hvilken universalstik skal fungere, ofte specificeret til militære applikationer; 200 ° C, bliver den temperatur mere og mere vigtig for flyvende udstyr. ”

Ved lave temperaturer kræves der ikke nikkelbarrierer. Når temperaturen stiger, stiger mængden af ​​nikkel, der kræves for at forhindre nikkel/guldoverførsel (tabel II).

Tabel 2. Kontaktmodstand af nikkel/guld (1000 timer)

Nikkelbarrierelag tilfredsstillende kontakt ved 65 ° C tilfredsstillende kontakt ved 125 ° C tilfredsstillende kontakt ved 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%

Den nikkel, der blev brugt i Antlers undersøgelse, var galvaniseret. Der forventes forbedringer fra ikke-elektrolytisk nikkel, som bekræftet af Baudrand 4. Disse resultater er imidlertid for 0.5 µm guld, hvor flyet normalt udfældes 0.2 µm. Flyet kan antages at være tilstrækkeligt til kontaktelementer, der arbejder ved 125 ° C, men elementer med højere temperatur vil kræve specialiseret test.

“Jo tykkere nikkel, desto bedre er barrieren i alle tilfælde,” antyder Antler, “men realiteterne ved fremstilling af PCB tilskynder ingeniører til kun at deponere så meget nikkel, som der er behov for. Flad nikkel/guld bruges nu i mobiltelefoner og personsøgere, der bruger berøringsplade-kontaktpunkter. Specifikationen for denne type element er mindst 2 µm nikkel.

Stikket

Ikke-elektrolytisk nikkel/guld nedsænkning bruges til fremstilling af printkort med fjedertilpasning, prespasning, lavtryksglidning og andre ikke-svejsede stik.

Plug-in stik kræver længere fysisk holdbarhed. I disse tilfælde er ikke-elektrolytiske nikkelbelægninger stærke nok til PCB-applikationer, men gulddæmpning er det ikke. Meget tyndt rent guld (60 til 90 Knoop) gnider væk fra nikkelen under gentagen friktion. Når guldet fjernes, oxiderer det eksponerede nikkel hurtigt, hvilket resulterer i en stigning i kontaktmodstand.

Ikke-elektrolytisk nikkelbelægning/neddykning af guld er muligvis ikke det bedste valg for plug-in-stik, der tåler flere skær gennem produktets levetid. Nikkel/palladium/guldoverflader anbefales til multifunktionsstik.

Barrierelaget

Ikke-elektrolytisk nikkel har funktionen af ​​tre spærrelag på pladen: 1) at forhindre diffusion af kobber til guld; 2) For at forhindre diffusion af guld til nikkel; 3) Nikkelkilde dannet af Ni3Sn4 intermetalliske forbindelser.

Diffusion af kobber til nikkel

Overførsel af kobber gennem nikkel vil resultere i nedbrydning af kobber til overfladeguld. Kobberet oxiderer hurtigt, hvilket resulterer i dårlig svejseevne under samling, hvilket sker i tilfælde af nikkelækage. Nikkel er nødvendig for at forhindre migration og spredning af tomme plader under opbevaring og under samling, når andre områder af pladen er svejset. Derfor er barrierekravets temperaturbehov mindre end et minut under 250 ° C.

Turn og Owen6 har undersøgt effekten af ​​forskellige barrierelag på kobber og guld. De fandt ud af, at “… Sammenligning af kobberpermeabilitetsværdier ved 400 ° C og 550 ° C viser, at hexavalent chrom og nikkel med 8-10% fosforindhold er de mest effektive barrierelag, der er undersøgt “. (tabel 3).

Tabel 3. Penetration af kobber gennem nikkel til guld

Nikkeltykkelse 400 ° C 24 timer 400 ° C 53 timer 550 ° C 12 timer

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

Ifølge Arrhenius -ligningen er diffusion ved lavere temperaturer eksponentielt langsommere. Interessant nok var ikke-elektrolytisk nikkel i dette forsøg 2 til 10 gange mere effektivt end galvaniseret nikkel. Turn og Owen påpeger, at “… En (8%) 2 µm (80 µinch) barriere af denne legering reducerer kobberdiffusion til et ubetydeligt niveau. ”

Fra denne ekstreme temperaturtest er en nikkeltykkelse på mindst 2 µm en sikker specifikation.

Diffusion af nikkel til guld

Det andet krav for ikke-elektrolytisk nikkel er, at nikkel ikke vandrer gennem “korn” eller “fine huller” imprægneret med guld. Hvis nikkel kommer i kontakt med luft, oxiderer det. Nikkeloxid kan ikke sælges og er svært at fjerne med flux.

Der er flere artikler om nikkel og guld, der bruges som keramiske spånbærere. Disse materialer modstår de ekstreme temperaturer i montering i lang tid. En almindelig test for disse overflader er 500 ° C i 15 minutter.

For at evaluere evnen af ​​flade ikke-elektrolytiske nikkel/guldimprægnerede overflader til at forhindre nikkeloxidation blev svejseevne af temperaturlagrede overflader undersøgt. Forskellige varme/fugtigheds- og tidsforhold blev testet. Disse undersøgelser har vist, at nikkel er tilstrækkeligt beskyttet af udvaskning af guld, hvilket giver god svejseevne efter lang ældning.

Diffusion af nikkel til guld kan i nogle tilfælde være en begrænsende faktor for samling, såsom termisk lydbinding af guld. I denne ansøgning er nikkel/guld overfladen mindre avanceret end nikkel/palladium/guld overfladen. Iacovangelo undersøgte diffusionsegenskaberne af palladium som et barriererlag mellem nikkel og guld og fandt ud af, at 0.5 µm palladium forhindrer migration selv ved ekstreme temperaturer. Denne undersøgelse viste også, at der ikke var nogen diffusion af kobber gennem 2.5 µm nikkel/palladium bestemt ved Auger -spektroskopi i løbet af 15 minutter ved 500 ° C.

Nikkel tin intergenerisk forbindelse

Under overflademontering eller bølgelodning vil atomer fra PCB -overfladen blive blandet med loddeatomer afhængigt af metalets diffusionsegenskaber og evnen til at danne “intermetalliske forbindelser” (tabel 4).

Tabel 4. Diffusivitet af PCB -materialer ved svejsning

Metalltemperatur ° C diffusivitet (µinches/ SEC.)

Guld 450 486 117.9 167.5

Kobber 450 525 4.1

Palladium 450 525 1.4 6.2

Nikkel 700 1.7

I nikkel/guld og tin/bly systemer opløses guldet straks i løs tin. Loddetøjet danner en stærk fastgørelse til det underliggende nikkel ved at danne Ni3Sn4 intermetalliske forbindelser. Der bør afsættes nok nikkel til at sikre, at loddetøjet ikke når under kobberet.Baders målinger viste, at der ikke var mere end 0.5 µm nikkel påkrævet for at opretholde barrieren, selv gennem mere end seks temperaturcyklusser. Faktisk er den observerede maksimale intermetalliske lagtykkelse mindre end 0.5 µm (20 µinch).

porøs

Ikke-elektrolytisk nikkel/guld er først for nylig blevet en almindelig endelig PCB-overfladebelægning, så industrielle procedurer er muligvis ikke egnede til denne overflade. En salpetersyre-dampproces er tilgængelig til test af porøsiteten af ​​elektrolytisk nikkel/guld, der bruges som plug-in-stik (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Ikke-elektrolytisk nikkel/imprægnering vil ikke bestå denne test. En europæisk porøsitetsstandard er blevet udviklet ved hjælp af kaliumferricyanid for at bestemme den relative porøsitet af flade overflader, som er angivet i form af porer pr. Kvadratmillimeter (bugs /mm2). En god flad overflade skal have færre end 10 huller pr. Kvadratmillimeter ved 100 x forstørrelse.

konklusion

PCB -fremstillingsindustrien er interesseret i at reducere mængden af ​​nikkel, der er deponeret på tavlen af ​​hensyn til omkostninger, cyklustid og materialekompatibilitet. Den mindste nikkelspecifikation skal hjælpe med at forhindre kobberdiffusion til guldoverfladen, opretholde god svejsestyrke og holde kontaktmodstanden lav. Den maksimale nikkelspecifikation bør tillade fleksibilitet i pladefremstilling, da der ikke er alvorlige fejlmåder forbundet med tykke nikkelaflejringer.

For de fleste af nutidens printkortdesign er en ikke-elektrolytisk nikkelbelægning på 2.0 µm (80 µinches) den nødvendige nikkeltykkelse. I praksis vil en række nikkeltykkelser blive brugt på et produktionsparti af printkortet (figur 2). Ændringen i nikkeltykkelse vil skyldes ændringen i badkemikaliernes egenskaber og ændringen i den automatiske løftemaskines opholdstid. For at sikre et minimum på 2.0 µm skal specifikationer fra slutbrugere kræve 3.5 µm, minimum 2.0 µm og maksimalt 8.0 µm.

Denne specificerede nikkeltykkelse har vist sig at være egnet til produktion af millioner af printkort. Sortimentet opfylder svejsbarhed, holdbarhed og kontaktkrav fra nutidens elektronik. Fordi monteringskravene er forskellige fra et produkt til et andet, skal overfladebelægninger muligvis optimeres til hver enkelt applikation.