Η τελική διαδικασία επίστρωσης για PCB η μεταποίηση έχει υποστεί σημαντικές αλλαγές τα τελευταία χρόνια. Αυτές οι αλλαγές είναι το αποτέλεσμα της συνεχούς ανάγκης να ξεπεραστούν οι περιορισμοί της HASL (συνοχή ζεστού αέρα) και του αυξανόμενου αριθμού εναλλακτικών HASL.

Η τελική επίστρωση χρησιμοποιείται για την προστασία της επιφάνειας του αλουμινόχαρτου κυκλώματος. Ο χαλκός (Cu) είναι μια καλή επιφάνεια για τη συγκόλληση εξαρτημάτων, αλλά οξειδώνεται εύκολα. Το οξείδιο του χαλκού εμποδίζει την υγρασία της συγκόλλησης. Αν και ο χρυσός (Au) χρησιμοποιείται τώρα για την κάλυψη του χαλκού, επειδή ο χρυσός δεν οξειδώνεται. Ο χρυσός και ο χαλκός θα διαχέονται γρήγορα και θα διαπερνούν ο ένας τον άλλον. Οποιοσδήποτε εκτεθειμένος χαλκός σχηματίζει γρήγορα ένα μη συγκολλητικό οξείδιο του χαλκού. Μια προσέγγιση είναι η χρήση ενός «στρώματος φραγμού» νικελίου (Ni) που εμποδίζει τη μεταφορά χρυσού και χαλκού και παρέχει μια ανθεκτική, αγώγιμη επιφάνεια για τη συναρμολόγηση εξαρτημάτων.

Απαιτήσεις PCB για μη ηλεκτρολυτική επικάλυψη νικελίου

Η μη ηλεκτρολυτική επίστρωση νικελίου πρέπει να εκτελεί διάφορες λειτουργίες:

Η επιφάνεια ενός κοιτάσματος χρυσού

Ο απώτερος σκοπός του κυκλώματος είναι να σχηματίσει μια σύνδεση με υψηλή φυσική αντοχή και καλά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μεταξύ PCB και εξαρτημάτων. Εάν υπάρχει οξείδιο ή μόλυνση στην επιφάνεια του PCB, αυτός ο συγκολλημένος σύνδεσμος δεν θα συμβεί με τη σημερινή ασθενή ροή.

Ο χρυσός εναποτίθεται φυσικά πάνω από το νικέλιο και δεν οξειδώνεται κατά τη διάρκεια μακράς αποθήκευσης. Ωστόσο, ο χρυσός δεν εγκαθίσταται στο οξειδωμένο νικέλιο, οπότε το νικέλιο πρέπει να παραμείνει καθαρό μεταξύ του λουτρού νικελίου και της διάλυσης του χρυσού. Έτσι, η πρώτη απαίτηση του νικελίου είναι να παραμείνει χωρίς οξυγόνο αρκετά για να επιτρέψει την καθίζηση του χρυσού. Τα εξαρτήματα ανέπτυξαν λουτρά χημικής έκπλυσης για να επιτρέψουν περιεκτικότητα σε ~ 6% φωσφόρου σε καθίζηση νικελίου. Αυτή η περιεκτικότητα σε φωσφόρο στη μη ηλεκτρολυτική επικάλυψη νικελίου θεωρείται ως μια προσεκτική ισορροπία ελέγχου μπάνιου, οξειδίου και ηλεκτρικών και φυσικών ιδιοτήτων.

σκληρότητα

Οι μη ηλεκτρολυτικές επιφάνειες με επικάλυψη νικελίου χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές που απαιτούν φυσική αντοχή, όπως τα ρουλεμάν μετάδοσης αυτοκινήτων. Οι απαιτήσεις για PCB είναι πολύ λιγότερο αυστηρές από αυτές για αυτές τις εφαρμογές, αλλά μια ορισμένη σκληρότητα είναι σημαντική για τη συγκόλληση καλωδίων, τις επαφές της επιφάνειας αφής, τους συνδετήρες άκρων και τη βιωσιμότητα επεξεργασίας.

Η συγκόλληση μολύβδου απαιτεί σκληρότητα νικελίου. Η απώλεια τριβής μπορεί να συμβεί εάν ο μόλυβδος παραμορφώσει το ίζημα, κάτι που βοηθά τον μόλυβδο να «λιώσει» στο υπόστρωμα. Οι εικόνες SEM δεν έδειξαν διείσδυση στην επιφάνεια επίπεδου νικελίου/χρυσού ή νικελίου/παλλαδίου (Pd)/χρυσού.

Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά

Ο χαλκός είναι το μέταλλο της επιλογής για το σχηματισμό κυκλωμάτων επειδή είναι εύκολο να γίνει. Ο χαλκός μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια καλύτερα από σχεδόν κάθε μέταλλο (πίνακας 1) 1,2. Ο χρυσός έχει επίσης καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, καθιστώντας την ιδανική επιλογή για το εξωτερικό μέταλλο επειδή τα ηλεκτρόνια τείνουν να ρέουν στην επιφάνεια μιας αγώγιμης διαδρομής (το όφελος “επιφανείας”).

Πίνακας 1. Αντοχή μεταλλικού PCB

Χαλκός 1.7 (συμπεριλαμβανομένων Ω cm)

Χρυσό (συμπεριλαμβανομένων 2.4 Ω εκ

Νικέλιο (συμπεριλαμβανομένων 7.4 Ω cm

Μη ηλεκτρολυτική επικάλυψη νικελίου 55 ~ 90 µ ω cm

Αν και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των περισσότερων πλακών παραγωγής δεν επηρεάζονται από το στρώμα νικελίου, το νικέλιο μπορεί να επηρεάσει τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των σημάτων υψηλής συχνότητας. Η απώλεια σήματος PCB μικροκυμάτων μπορεί να υπερβεί τις προδιαγραφές του σχεδιαστή. Αυτό το φαινόμενο είναι ανάλογο με το πάχος του νικελίου – το κύκλωμα πρέπει να περάσει από το νικέλιο για να φτάσει στο σημείο συγκόλλησης. Σε πολλές εφαρμογές, τα ηλεκτρικά σήματα μπορούν να αποκατασταθούν στις προδιαγραφές σχεδιασμού καθορίζοντας εναποθέσεις νικελίου μικρότερες από 2.5μm.

Αντοχή σε επαφή

Η αντίσταση επαφής διαφέρει από τη συγκολλησιμότητα επειδή η επιφάνεια νικελίου/χρυσού παραμένει ατσαλισμένη καθ ‘όλη τη διάρκεια ζωής του τελικού προϊόντος. Το νικέλιο/ο χρυσός πρέπει να παραμένουν αγώγιμοι σε εξωτερική επαφή μετά από παρατεταμένη έκθεση στο περιβάλλον. Το βιβλίο του Antler του 1970 εξέφρασε τις απαιτήσεις επαφής επιφάνειας νικελίου/χρυσού με ποσοτικούς όρους. Έχουν μελετηθεί διάφορα περιβάλλοντα τελικής χρήσης: 3 “65 ° C, μια κανονική μέγιστη θερμοκρασία για ηλεκτρονικά συστήματα που λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου, όπως υπολογιστές. 125 ° C, η θερμοκρασία στην οποία πρέπει να λειτουργούν γενικοί συνδετήρες, που συχνά καθορίζεται για στρατιωτικές εφαρμογές. 200 ° C, αυτή η θερμοκρασία γίνεται όλο και πιο σημαντική για τον εξοπλισμό πτήσης ».

Για χαμηλές θερμοκρασίες, δεν απαιτούνται φράγματα νικελίου. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, αυξάνεται η ποσότητα νικελίου που απαιτείται για την πρόληψη της μεταφοράς νικελίου/χρυσού (Πίνακας II).

Πίνακας 2. Αντοχή σε επαφή νικελίου/χρυσού (1000 ώρες)

Στρώση φραγμού νικελίου ικανοποιητική επαφή στους 65 ° C ικανοποιητική επαφή στους 125 ° C ικανοποιητική επαφή στους 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%

Το νικέλιο που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη του Άντλερ ήταν ηλεκτρολυτικό. Αναμένονται βελτιώσεις από το μη ηλεκτρολυτικό νικέλιο, όπως επιβεβαιώνεται από το Baudrand 4. Ωστόσο, αυτά τα αποτελέσματα είναι για χρυσό 0.5 μm, όπου το επίπεδο καταβυθίζει συνήθως 0.2 μm. Το επίπεδο μπορεί να συναχθεί ότι είναι επαρκές για στοιχεία επαφής που λειτουργούν στους 125 ° C, αλλά στοιχεία υψηλότερης θερμοκρασίας θα απαιτούν εξειδικευμένες δοκιμές.

«Όσο πιο παχύ είναι το νικέλιο, τόσο καλύτερο είναι το φράγμα, σε όλες τις περιπτώσεις», προτείνει ο Άντλερ, «αλλά η πραγματικότητα της κατασκευής PCB ενθαρρύνει τους μηχανικούς να εναποθέτουν μόνο όση νικέλιο χρειάζεται. Το επίπεδο νικέλιο/χρυσός χρησιμοποιείται πλέον σε κινητά τηλέφωνα και σελιδοδείκτες που χρησιμοποιούν σημεία επαφής με επιφάνεια αφής. Οι προδιαγραφές για αυτόν τον τύπο στοιχείου είναι τουλάχιστον 2 μm νικελίου.

Ο συνδετήρας

Η μη ηλεκτρολυτική εμβάπτιση νικελίου/χρυσού χρησιμοποιείται στην κατασκευή πλακών κυκλώματος με προσαρμογή ελατηρίου, προσαρμογή πίεσης, συρόμενη χαμηλής πίεσης και άλλους μη συγκολλημένους συνδετήρες.

Οι βύσματα σύνδεσης απαιτούν μεγαλύτερη φυσική αντοχή. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι μη ηλεκτρολυτικές επικαλύψεις νικελίου είναι αρκετά ισχυρές για εφαρμογές PCB, αλλά η εμβάπτιση χρυσού δεν είναι. Πολύ λεπτός καθαρός χρυσός (60 έως 90 Knoop) θα τρίβεται μακριά από το νικέλιο κατά την επανειλημμένη τριβή. Όταν αφαιρείται ο χρυσός, το εκτεθειμένο νικέλιο οξειδώνεται γρήγορα, με αποτέλεσμα την αύξηση της αντίστασης επαφής.

Η μη ηλεκτρολυτική επίστρωση νικελίου/η εμβάπτιση χρυσού μπορεί να μην είναι η καλύτερη επιλογή για βύσματα σύνδεσης που αντέχουν πολλαπλά ένθετα καθ ‘όλη τη διάρκεια ζωής του προϊόντος. Συνιστώνται επιφάνειες νικελίου/παλλαδίου/χρυσού για συνδετήρες πολλαπλών χρήσεων.

Το στρώμα φραγμού

Το μη ηλεκτρολυτικό νικέλιο έχει τη λειτουργία τριών στρώσεων φραγμού στην πλάκα: 1) για να αποτρέψει τη διάχυση του χαλκού σε χρυσό. 2) Για να αποφευχθεί η διάχυση του χρυσού στο νικέλιο. 3) Πηγή νικελίου που σχηματίζεται από διαμεταλλικές ενώσεις Ni3Sn4.

Διάχυση χαλκού σε νικέλιο

Η μεταφορά χαλκού μέσω νικελίου θα έχει ως αποτέλεσμα την αποσύνθεση του χαλκού σε επιφανειακό χρυσό. Ο χαλκός θα οξειδωθεί γρήγορα, με αποτέλεσμα την κακή συγκόλληση κατά τη συναρμολόγηση, η οποία συμβαίνει σε περίπτωση διαρροής νικελίου. Το νικέλιο χρειάζεται για να αποφευχθεί η μετανάστευση και η διάχυση των κενών πλακών κατά την αποθήκευση και κατά τη συναρμολόγηση, όταν έχουν συγκολληθεί άλλες περιοχές της πλάκας. Επομένως, η απαίτηση θερμοκρασίας του στρώματος φραγμού είναι μικρότερη από ένα λεπτό κάτω από τους 250 ° C.

Οι Turn και Owen6 έχουν μελετήσει την επίδραση διαφορετικών στρώσεων φραγμού στον χαλκό και τον χρυσό. Διαπίστωσαν ότι «… Η σύγκριση των τιμών διαπερατότητας χαλκού στους 400 ° C και 550 ° C δείχνει ότι το εξασθενές χρώμιο και νικέλιο με περιεκτικότητα σε φωσφόρο 8-10% είναι τα πιο αποτελεσματικά στρώματα φραγμού που μελετήθηκαν ». (πίνακας 3).

Πίνακας 3. Διείσδυση χαλκού μέσω νικελίου σε χρυσό

Πάχος νικελίου 400 ° C 24 ώρες 400 ° C 53 ώρες 550 ° C 12 ώρες

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 Μη διάχυση Μη διάχυση μη διάχυση

Σύμφωνα με την εξίσωση Arrhenius, η διάχυση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες είναι εκθετικά βραδύτερη. Είναι ενδιαφέρον ότι σε αυτό το πείραμα, το μη ηλεκτρολυτικό νικέλιο ήταν 2 έως 10 φορές πιο αποτελεσματικό από το ηλεκτρολυμένο νικέλιο. Ο Turn και ο Owen επισημαίνουν ότι «… Ένα (8%) 2μm (80μinch) φράγμα αυτού του κράματος μειώνει τη διάχυση του χαλκού σε αμελητέο επίπεδο ».

Από αυτήν τη δοκιμή ακραίας θερμοκρασίας, ένα πάχος νικελίου τουλάχιστον 2μm είναι μια ασφαλής προδιαγραφή.

Διάχυση νικελίου σε χρυσό

Η δεύτερη απαίτηση του μη ηλεκτρολυτικού νικελίου είναι ότι το νικέλιο δεν μεταναστεύει μέσω «κόκκων» ή «λεπτών οπών» εμποτισμένων με χρυσό. Εάν το νικέλιο έρθει σε επαφή με τον αέρα, θα οξειδωθεί. Το οξείδιο του νικελίου δεν πωλείται και είναι δύσκολο να αφαιρεθεί με ροή.

Υπάρχουν πολλά άρθρα για το νικέλιο και το χρυσό που χρησιμοποιούνται ως φορείς κεραμικών τσιπ. Αυτά τα υλικά αντέχουν στις ακραίες θερμοκρασίες συναρμολόγησης για μεγάλο χρονικό διάστημα. Μια κοινή δοκιμή για αυτές τις επιφάνειες είναι οι 500 ° C για 15 λεπτά.

Προκειμένου να αξιολογηθεί η ικανότητα των επίπεδων μη ηλεκτρολυτικών επιφανειών εμποτισμένων με νικέλιο/χρυσό να εμποδίζουν την οξείδωση του νικελίου, μελετήθηκε η ικανότητα συγκόλλησης επιφανειών ηλικίας θερμοκρασίας. Δοκιμάστηκαν διαφορετικές συνθήκες θερμότητας/υγρασίας και χρόνου. Αυτές οι μελέτες έχουν δείξει ότι το νικέλιο προστατεύεται επαρκώς με έκπλυση χρυσού, επιτρέποντας καλή συγκόλληση μετά από μακρά γήρανση.

Η διάχυση νικελίου σε χρυσό μπορεί να είναι ένας περιοριστικός παράγοντας για τη συναρμολόγηση σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως η συγκόλληση θερμικών ηχείων με χρυσό. Σε αυτήν την εφαρμογή, η επιφάνεια νικελίου/χρυσού είναι λιγότερο προηγμένη από την επιφάνεια νικελίου/παλλαδίου/χρυσού. Ο Iacovangelo διερεύνησε τις ιδιότητες διάχυσης του παλλαδίου ως στρώμα φραγμού μεταξύ νικελίου και χρυσού και διαπίστωσε ότι το 0.5μm παλλάδιο εμποδίζει τη μετανάστευση ακόμη και σε ακραίες θερμοκρασίες. Αυτή η μελέτη κατέδειξε επίσης ότι δεν υπήρχε διάχυση χαλκού μέσω 2.5μm νικελίου/παλλαδίου που προσδιορίστηκε με φασματοσκοπία Auger κατά τη διάρκεια 15 λεπτών στους 500 ° C.

Διαγονιδιακή ένωση κασσίτερου νικελίου

Κατά τη διάρκεια της συναρμογής επιφάνειας ή της συγκόλλησης κύματος, τα άτομα από την επιφάνεια του PCB θα αναμειχθούν με άτομα συγκόλλησης, ανάλογα με τις ιδιότητες διάχυσης του μετάλλου και την ικανότητα σχηματισμού “διαμεταλλικών ενώσεων” (Πίνακας 4).

Πίνακας 4. Διάχυση υλικών PCB στη συγκόλληση

Μεταλλική θερμοκρασία ° C διάχυση (μinches/ SEC.)

Χρυσός 450 486 117.9 167.5

Χαλκός 450 525 4.1 7.0

Παλλάδιο 450 525 1.4 6.2

Νικέλιο 700 1.7

Σε συστήματα νικελίου/χρυσού και κασσίτερου/μολύβδου, ο χρυσός διαλύεται αμέσως σε χαλαρό κασσίτερο. Η συγκόλληση σχηματίζει ισχυρή προσκόλληση στο υποκείμενο νικέλιο σχηματίζοντας διαμεταλλικές ενώσεις Ni3Sn4. Πρέπει να εναποτεθεί αρκετό νικέλιο για να διασφαλιστεί ότι η κόλλα δεν θα φτάσει κάτω από τον χαλκό.Οι μετρήσεις του Bader έδειξαν ότι δεν χρειάζονταν περισσότερα από 0.5μm νικελίου για να διατηρηθεί το φράγμα, ακόμη και σε περισσότερους από έξι κύκλους θερμοκρασίας. Στην πραγματικότητα, το μέγιστο διαμεταλλικό πάχος στρώματος που παρατηρείται είναι μικρότερο από 0.5μm (20μντς).

πορώδης

Το μη ηλεκτρολυτικό νικέλιο/χρυσός έγινε πρόσφατα μια κοινή τελική επίστρωση επιφάνειας PCB, επομένως οι βιομηχανικές διαδικασίες ενδέχεται να μην είναι κατάλληλες για αυτήν την επιφάνεια. Διατίθεται μια διαδικασία ατμού νιτρικού οξέος για τον έλεγχο του πορώδους ηλεκτρολυτικού νικελίου/χρυσού που χρησιμοποιείται ως συνδετήρας plug-in (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Το μη ηλεκτρολυτικό νικέλιο/ο εμποτισμός δεν θα περάσει αυτή τη δοκιμή. Ένα ευρωπαϊκό πρότυπο πορώδους έχει αναπτυχθεί χρησιμοποιώντας φερρικυανίδιο καλίου για τον προσδιορισμό του σχετικού πορώδους των επίπεδων επιφανειών, το οποίο δίνεται σε όρους πόρων ανά τετραγωνικό χιλιοστό (σφάλματα /mm2). Μια καλή επίπεδη επιφάνεια πρέπει να έχει λιγότερες από 10 οπές ανά τετραγωνικό χιλιοστό σε μεγέθυνση 100 x.

συμπέρασμα

Η βιομηχανία κατασκευής PCB ενδιαφέρεται να μειώσει την ποσότητα νικελίου που εναποτίθεται στο χαρτόνι για λόγους κόστους, χρόνου κύκλου και συμβατότητας υλικών. Οι ελάχιστες προδιαγραφές νικελίου θα βοηθήσουν στην αποφυγή διάχυσης του χαλκού στην επιφάνεια του χρυσού, στη διατήρηση της καλής αντοχής συγκόλλησης και στη διατήρηση χαμηλής αντίστασης επαφής. Η μέγιστη προδιαγραφή νικελίου θα πρέπει να επιτρέπει την ευελιξία στην κατασκευή πλακών, καθώς δεν σχετίζονται σοβαροί τρόποι αστοχίας με παχιά αποθέματα νικελίου.

Για τα περισσότερα από τα σημερινά σχέδια πλακέτας κυκλώματος, μια μη ηλεκτρολυτική επίστρωση νικελίου 2.0μm (80μντ) είναι το ελάχιστο απαιτούμενο πάχος νικελίου. Στην πράξη, μια σειρά πάχους νικελίου θα χρησιμοποιηθεί σε παρτίδα παραγωγής του PCB (Εικόνα 2). Η αλλαγή στο πάχος του νικελίου θα προκύψει από την αλλαγή των ιδιοτήτων των χημικών του λουτρού και την αλλαγή του χρόνου παραμονής της αυτόματης ανυψωτικής μηχανής. Για να διασφαλιστεί ένα ελάχιστο 2.0μm, οι προδιαγραφές από τους τελικούς χρήστες θα πρέπει να απαιτούν 3.5μm, ένα ελάχιστο 2.0μm και ένα μέγιστο 8.0μm.

Αυτό το συγκεκριμένο εύρος πάχους νικελίου αποδείχθηκε κατάλληλο για την παραγωγή εκατομμυρίων πλακέτων κυκλωμάτων. Η γκάμα πληροί τις συγκολλήσεις, τη διάρκεια ζωής και τις απαιτήσεις επαφής των σημερινών ηλεκτρονικών. Επειδή οι απαιτήσεις συναρμολόγησης διαφέρουν από το ένα προϊόν στο άλλο, οι επιχρίσεις επιφανειών μπορεί να χρειαστεί να βελτιστοποιηθούν για κάθε συγκεκριμένη εφαρμογή.