Der abschließende Beschichtungsprozess für PCB Die Herstellung hat sich in den letzten Jahren stark verändert. Diese Veränderungen sind das Ergebnis der ständigen Notwendigkeit, die Einschränkungen von HASL (Hot Air Cohesion) und der wachsenden Zahl von HASL-Alternativen zu überwinden.

Die Endbeschichtung wird verwendet, um die Oberfläche der Kupferfolie der Schaltung zu schützen. Kupfer (Cu) ist eine gute Oberfläche zum Schweißen von Bauteilen, wird jedoch leicht oxidiert; Kupferoxid erschwert die Benetzung des Lots. Obwohl Gold (Au) jetzt verwendet wird, um Kupfer zu bedecken, da Gold nicht oxidiert; Gold und Kupfer werden schnell diffundieren und sich gegenseitig durchdringen. Freiliegendes Kupfer bildet schnell ein nicht schweißbares Kupferoxid. Ein Ansatz besteht darin, eine „Barriereschicht“ aus Nickel (Ni) zu verwenden, die die Übertragung von Gold und Kupfer verhindert und eine haltbare, leitfähige Oberfläche für die Komponentenmontage bietet.

PCB-Anforderungen für nicht-elektrolytische Nickelbeschichtung

Die nicht-elektrolytische Nickelbeschichtung soll mehrere Funktionen erfüllen:

Die Oberfläche einer Goldlagerstätte

Der letztendliche Zweck der Schaltung besteht darin, eine Verbindung mit hoher physikalischer Festigkeit und guten elektrischen Eigenschaften zwischen PCB und Komponenten herzustellen. Sollten Oxide oder Verunreinigungen auf der Leiterplattenoberfläche vorhanden sein, würde diese Schweißverbindung mit dem heutigen schwachen Flussmittel nicht auftreten.

Gold lagert sich natürlich auf Nickel ab und oxidiert bei langer Lagerung nicht. Das Gold setzt sich jedoch nicht auf dem oxidierten Nickel ab, daher muss das Nickel zwischen dem Nickelbad und der Auflösung des Goldes rein bleiben. Daher besteht die erste Anforderung an Nickel darin, lange genug sauerstofffrei zu bleiben, damit Gold ausfallen kann. Components entwickelte chemische Laugungsbäder, um einen Phosphorgehalt von 6 bis 10 % in der Nickelausfällung zu ermöglichen. Dieser Phosphorgehalt in der nicht-elektrolytischen Nickelbeschichtung wird als sorgfältiges Gleichgewicht zwischen Badkontrolle, Oxid und elektrischen und physikalischen Eigenschaften angesehen.

Härte

Nicht elektrolytisch vernickelte Oberflächen werden in vielen Anwendungen verwendet, die physikalische Festigkeit erfordern, wie beispielsweise bei Getriebelagern in Kraftfahrzeugen. Die PCB-Anforderungen sind weitaus weniger streng als die für diese Anwendungen, aber eine gewisse Härte ist wichtig für Drahtbonden, Touchpad-Kontakte, Edge-Connector-Steckverbinder und die Nachhaltigkeit der Verarbeitung.

Bleibonden erfordert eine Nickelhärte. Reibungsverlust kann auftreten, wenn das Blei den Niederschlag verformt, wodurch das Blei in das Substrat „eingeschmolzen“ wird. SEM-Bilder zeigten kein Eindringen in die Oberfläche von flachem Nickel/Gold oder Nickel/Palladium (Pd)/Gold.

Elektrische Eigenschaften

Kupfer ist das Metall der Wahl für die Schaltungsbildung, da es einfach herzustellen ist. Kupfer leitet Strom besser als fast jedes Metall (Tabelle 1)1,2. Gold hat auch eine gute elektrische Leitfähigkeit, was es zu einer perfekten Wahl für das äußerste Metall macht, da Elektronen dazu neigen, auf der Oberfläche einer leitfähigen Route zu fließen (der „Oberflächenvorteil“).

Tabelle 1. Widerstand von PCB-Metall

Kupfer 1.7 (einschließlich Ω cm

Gold (einschließlich 2.4 Ω cm

Nickel (einschließlich 7.4 Ω cm

Nichtelektrolytische Nickelbeschichtung 55~90 µ ω cm

Obwohl die elektrischen Eigenschaften der meisten Produktionsplatten durch die Nickelschicht nicht beeinflusst werden, kann Nickel die elektrischen Eigenschaften von Hochfrequenzsignalen beeinflussen. Der Signalverlust auf der Mikrowellen-Leiterplatte kann die Designerspezifikationen übersteigen. Dieses Phänomen ist proportional zur Dicke des Nickels – der Schaltkreis muss das Nickel passieren, um die Lötstelle zu erreichen. In vielen Anwendungen können elektrische Signale durch die Angabe von Nickelablagerungen von weniger als 2.5 µm wieder der Designspezifikation angepasst werden.

Kontakt Widerstand

Der Kontaktwiderstand unterscheidet sich von der Schweißbarkeit, da die Nickel/Gold-Oberfläche während der gesamten Lebensdauer des Endprodukts ungeschweißt bleibt. Nickel/Gold muss nach längerer Umweltexposition für externen Kontakt leitfähig bleiben. Antlers Buch von 1970 drückte die Anforderungen an den Nickel/Gold-Oberflächenkontakt in quantitativer Hinsicht aus. Verschiedene Umgebungen für den Endverbrauch wurden untersucht: 3 „65 °C, eine normale Höchsttemperatur für elektronische Systeme, die bei Raumtemperatur betrieben werden, wie z. B. Computer; 125 °C, die Temperatur, bei der Universalsteckverbinder arbeiten müssen, oft für militärische Anwendungen spezifiziert; 200°C, diese Temperatur wird für Fluggeräte immer wichtiger.“

Bei niedrigen Temperaturen sind keine Nickelbarrieren erforderlich. Wenn die Temperatur ansteigt, nimmt die Menge an Nickel zu, die erforderlich ist, um eine Nickel/Gold-Übertragung zu verhindern (Tabelle II).

Tabelle 2. Kontaktwiderstand von Nickel/Gold (1000 Stunden)

Nickel-Sperrschicht zufriedenstellender Kontakt bei 65 °C zufriedenstellender Kontakt bei 125 °C zufriedenstellender Kontakt bei 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 %

Das in Antlers Studie verwendete Nickel wurde elektroplattiert. Verbesserungen werden von nicht-elektrolytischem Nickel erwartet, wie Baudrand 4 bestätigt. Diese Ergebnisse gelten jedoch für 0.5 µm Gold, wobei die Ebene normalerweise 0.2 µm ausfällt. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Ebene für Kontaktelemente, die bei 125 °C betrieben werden, ausreichend ist, aber Elemente mit höheren Temperaturen erfordern spezielle Tests.

„Je dicker das Nickel, desto besser ist die Barriere in allen Fällen“, schlägt Antler vor, „aber die Realität der PCB-Herstellung ermutigt Ingenieure, nur so viel Nickel wie nötig abzuscheiden. Flaches Nickel/Gold wird jetzt in Mobiltelefonen und Pagern verwendet, die Touchpad-Kontaktpunkte verwenden. Die Spezifikation für diesen Elementtyp beträgt mindestens 2 µm Nickel.

Der Stecker

Nicht-elektrolytisches Nickel/Gold-Tauchen wird bei der Herstellung von Leiterplatten mit Federsitz-, Einpress-, Niederdruck-Gleit- und anderen nicht geschweißten Steckverbindern verwendet.

Steckverbinder erfordern eine längere physikalische Haltbarkeit. In diesen Fällen sind nicht-elektrolytische Nickelbeschichtungen stark genug für PCB-Anwendungen, Goldimmersion jedoch nicht. Sehr dünnes reines Gold (60 bis 90 Knoop) reibt bei wiederholter Reibung vom Nickel ab. Wenn das Gold entfernt wird, oxidiert das freiliegende Nickel schnell, was zu einem Anstieg des Kontaktwiderstands führt.

Nicht-elektrolytische Nickelbeschichtung/Goldtauchbad ist möglicherweise nicht die beste Wahl für Steckverbinder, die während der gesamten Lebensdauer des Produkts mehreren Einsätzen standhalten. Für Mehrzwecksteckverbinder werden Nickel/Palladium/Gold-Oberflächen empfohlen.

Die Sperrschicht

Nicht-elektrolytisches Nickel hat die Funktion von drei Sperrschichten auf der Platte: 1) die Diffusion von Kupfer zu Gold zu verhindern; 2) Um die Diffusion von Gold zu Nickel zu verhindern; 3) Nickelquelle, die durch intermetallische Ni3Sn4-Verbindungen gebildet wird.

Diffusion von Kupfer zu Nickel

Die Übertragung von Kupfer durch Nickel führt zur Zersetzung von Kupfer zu Oberflächengold. Das Kupfer oxidiert schnell, was zu einer schlechten Schweißbarkeit während der Montage führt, die im Falle eines Nickellecks auftritt. Nickel wird benötigt, um die Migration und Diffusion leerer Platten während der Lagerung und während der Montage zu verhindern, wenn andere Bereiche der Platte geschweißt wurden. Daher beträgt die Temperaturanforderung der Sperrschicht weniger als eine Minute unter 250°C.

Turn und Owen6 haben die Wirkung verschiedener Barriereschichten auf Kupfer und Gold untersucht. Sie fanden heraus, dass „… Der Vergleich der Kupferpermeabilitätswerte bei 400°C und 550°C zeigt, dass sechswertiges Chrom und Nickel mit 8-10% Phosphorgehalt die effektivsten untersuchten Barriereschichten sind“. (Tisch 3).

Tabelle 3. Penetration von Kupfer durch Nickel zu Gold

Nickeldicke 400°C 24 Stunden 400°C 53 Stunden 550°C 12 Stunden

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 Nicht-Diffusion Nicht-Diffusion Nicht-Diffusion

Gemäß der Arrhenius-Gleichung ist die Diffusion bei niedrigeren Temperaturen exponentiell langsamer. Interessanterweise war in diesem Experiment nicht-elektrolytisches Nickel 2- bis 10-mal effizienter als elektroplattiertes Nickel. Turn und Owen weisen darauf hin, dass „… Eine (8%) 2 µm (80 µinch) Barriere dieser Legierung reduziert die Kupferdiffusion auf ein vernachlässigbares Niveau.“

Aus diesem Extremtemperaturtest ist eine Nickeldicke von mindestens 2 µm eine sichere Angabe.

Diffusion von Nickel zu Gold

Die zweite Anforderung an nicht-elektrolytisches Nickel ist, dass Nickel nicht durch mit Gold imprägnierte „Körner“ oder „feine Löcher“ wandert. Wenn Nickel mit Luft in Kontakt kommt, oxidiert es. Nickeloxid ist nicht lötbar und mit Flussmittel schwer zu entfernen.

Es gibt mehrere Artikel über Nickel und Gold, die als keramische Chipträger verwendet werden. Diese Materialien halten den extremen Temperaturen bei der Montage lange stand. Ein üblicher Test für diese Oberflächen ist 500°C für 15 Minuten.

Um die Fähigkeit von flachen, nicht elektrolytisch mit Nickel/Gold imprägnierten Oberflächen zu bewerten, die Nickeloxidation zu verhindern, wurde die Schweißbarkeit von temperaturgealterten Oberflächen untersucht. Es wurden verschiedene Wärme-/Feuchtigkeits- und Zeitbedingungen getestet. Diese Studien haben gezeigt, dass Nickel durch das Auslaugen von Gold ausreichend geschützt ist, was eine gute Schweißbarkeit nach langer Alterung ermöglicht.

Die Diffusion von Nickel zu Gold kann in einigen Fällen ein begrenzender Faktor für die Montage sein, wie z. B. beim Gold-Thermoschall-Drahtbonden. Bei dieser Anwendung ist die Nickel/Gold-Oberfläche weniger fortgeschritten als die Nickel/Palladium/Gold-Oberfläche. Iacovangelo untersuchte die Diffusionseigenschaften von Palladium als Barriereschicht zwischen Nickel und Gold und stellte fest, dass 0.5 µm Palladium selbst bei extremen Temperaturen die Migration verhindert. Diese Studie zeigte auch, dass es keine Diffusion von Kupfer durch 2.5 um Nickel/Palladium gab, bestimmt durch Auger-Spektroskopie während 15 Minuten bei 500 °C.

Nickel-Zinn intergenerische Verbindung

Beim Oberflächenmontage- oder Wellenlötvorgang werden Atome von der Leiterplattenoberfläche mit Lotatomen vermischt, abhängig von den Diffusionseigenschaften des Metalls und der Fähigkeit, „intermetallische Verbindungen“ zu bilden (Tabelle 4).

Tabelle 4. Diffusivität von PCB-Materialien beim Schweißen

Metalltemperatur °C Diffusivität (µinches/ SEC.)

Gold 450 486 117.9 167.5

Kupfer 450 525 4.1 7.0

Palladium 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

Bei Nickel/Gold- und Zinn/Blei-Systemen löst sich das Gold sofort in loses Zinn auf. Das Lot bildet eine starke Bindung an das darunter liegende Nickel, indem es intermetallische Ni3Sn4-Verbindungen bildet. Es sollte genügend Nickel abgeschieden werden, um sicherzustellen, dass das Lot nicht unter das Kupfer gelangt.Die Messungen von Bader zeigten, dass nicht mehr als 0.5 µm Nickel erforderlich waren, um die Barriere selbst über mehr als sechs Temperaturzyklen aufrechtzuerhalten. Tatsächlich beträgt die beobachtete maximale Dicke der intermetallischen Schicht weniger als 0.5 µm (20 µinch).

porös

Nicht-elektrolytisches Nickel/Gold ist erst seit kurzem eine übliche abschließende Oberflächenbeschichtung von Leiterplatten, sodass industrielle Verfahren für diese Oberfläche möglicherweise nicht geeignet sind. Zur Prüfung der Porosität von elektrolytischem Nickel/Gold als Steckverbinder steht ein Salpetersäure-Dampfverfahren zur Verfügung (IPC-TM-650 2.3.24.2)9. Nicht-elektrolytische Nickel/Imprägnierung besteht diesen Test nicht. Zur Bestimmung der relativen Porosität ebener Oberflächen, die in Poren pro Quadratmillimeter (Bugs/mm2) angegeben wird, wurde ein europäischer Porositätsstandard mit Kaliumferricyanid entwickelt. Eine gute ebene Oberfläche sollte bei 10-facher Vergrößerung weniger als 100 Löcher pro Quadratmillimeter aufweisen.

Abschluss

Die PCB-Herstellungsindustrie ist aus Kosten-, Zyklus- und Materialkompatibilitätsgründen daran interessiert, die auf der Leiterplatte abgeschiedene Nickelmenge zu reduzieren. Die Mindestspezifikation für Nickel sollte dazu beitragen, die Kupferdiffusion an die Goldoberfläche zu verhindern, eine gute Schweißfestigkeit aufrechtzuerhalten und den Kontaktwiderstand niedrig zu halten. Die maximale Nickelspezifikation sollte Flexibilität bei der Plattenherstellung ermöglichen, da mit dicken Nickelablagerungen keine ernsthaften Fehlerarten verbunden sind.

Für die meisten heutigen Leiterplattendesigns ist eine nicht-elektrolytische Nickelbeschichtung von 2.0 µm (80 µinch) die erforderliche Mindestnickeldicke. In der Praxis wird eine Reihe von Nickeldicken auf einem Produktionslos der Leiterplatte verwendet (Abbildung 2). Die Änderung der Nickeldicke ergibt sich aus der Änderung der Eigenschaften der Badchemikalien und der Änderung der Verweilzeit des Hebeautomaten. Um ein Minimum von 2.0 µm zu gewährleisten, sollten die Spezifikationen von Endbenutzern 3.5 µm, ein Minimum von 2.0 µm und ein Maximum von 8.0 µm verlangen.

Dieser spezifizierte Nickeldickenbereich hat sich für die Herstellung von Millionen von Leiterplatten bewährt. Das Sortiment erfüllt die Schweißbarkeits-, Haltbarkeits- und Kontaktanforderungen der heutigen Elektronik. Da die Montageanforderungen von Produkt zu Produkt unterschiedlich sind, müssen die Oberflächenbeschichtungen möglicherweise für jede spezielle Anwendung optimiert werden.