El proceso de recubrimiento final para PCB la manufactura ha experimentado cambios significativos en los últimos años. Estos cambios son el resultado de la constante necesidad de superar las limitaciones de HASL (Cohesión de aire caliente) y el creciente número de alternativas HASL.

El recubrimiento final se utiliza para proteger la superficie de la lámina de cobre del circuito. El cobre (Cu) es una buena superficie para soldar componentes, pero se oxida fácilmente; El óxido de cobre impide la humectación de la soldadura. Aunque ahora se usa oro (Au) para cubrir el cobre, porque el oro no se oxida; El oro y el cobre se difundirán e impregnarán rápidamente entre sí. Cualquier cobre expuesto formará rápidamente un óxido de cobre no soldable. Un enfoque es utilizar una “capa de barrera” de níquel (Ni) que evite que el oro y el cobre se transfieran y proporcione una superficie conductora duradera para el ensamblaje de componentes.

Requisitos de PCB para revestimiento de níquel no electrolítico

El recubrimiento de níquel no electrolítico debe realizar varias funciones:

La superficie de un depósito de oro.

El propósito final del circuito es formar una conexión con alta resistencia física y buenas características eléctricas entre PCB y componentes. Si hay algún óxido o contaminación en la superficie de la PCB, esta unión soldada no se produciría con el fundente débil actual.

El oro se deposita naturalmente sobre el níquel y no se oxida durante un almacenamiento prolongado. Sin embargo, el oro no se deposita sobre el níquel oxidado, por lo que el níquel debe permanecer puro entre el baño de níquel y la disolución del oro. Por lo tanto, el primer requisito del níquel es permanecer libre de oxígeno el tiempo suficiente para permitir que el oro se precipite. Los componentes desarrollaron baños de lixiviación química para permitir un contenido de fósforo del 6 al 10% en la precipitación del níquel. Este contenido de fósforo en el recubrimiento de níquel no electrolítico se considera un cuidadoso equilibrio entre el control del baño, el óxido y las propiedades eléctricas y físicas.

dureza

Las superficies recubiertas de níquel no electrolítico se utilizan en muchas aplicaciones que requieren resistencia física, como los cojinetes de transmisión de automóviles. Los requisitos de PCB son mucho menos estrictos que los de estas aplicaciones, pero una cierta dureza es importante para la unión de cables, los contactos del panel táctil, los conectores de borde y la sostenibilidad del procesamiento.

La unión de plomo requiere una dureza de níquel. La pérdida de fricción puede ocurrir si el plomo deforma el precipitado, lo que ayuda a que el plomo se “derrita” en el sustrato. Las imágenes SEM no mostraron penetración en la superficie de níquel / oro o níquel / paladio (Pd) / oro planos.

Características electricas

El cobre es el metal preferido para la formación de circuitos porque es fácil de fabricar. El cobre conduce la electricidad mejor que casi todos los metales (tabla 1) 1,2. El oro también tiene una buena conductividad eléctrica, lo que lo convierte en una opción perfecta para el metal más externo porque los electrones tienden a fluir en la superficie de una ruta conductora (el beneficio de la “superficie”).

Tabla 1. Resistividad del metal PCB

Cobre 1.7 (incluido Ω cm

Dorado (incluido 2.4 Ω cm

Níquel (incluido 7.4 Ω cm

Recubrimiento de níquel no electrolítico 55 ~ 90 µ ω cm

Aunque las características eléctricas de la mayoría de las placas de producción no se ven afectadas por la capa de níquel, el níquel puede afectar las características eléctricas de las señales de alta frecuencia. La pérdida de señal de la PCB de microondas puede exceder las especificaciones del diseñador. Este fenómeno es proporcional al grosor del níquel: el circuito debe atravesar el níquel para llegar al punto de soldadura. En muchas aplicaciones, las señales eléctricas se pueden restaurar a la especificación de diseño especificando depósitos de níquel de menos de 2.5 µm.

Resistencia de contacto

La resistencia al contacto es diferente de la soldabilidad porque la superficie de níquel / oro permanece sin soldar durante toda la vida útil del producto final. El níquel / oro debe seguir siendo conductor del contacto externo después de una exposición ambiental prolongada. El libro de Antler de 1970 expresó los requisitos de contacto superficial de níquel / oro en términos cuantitativos. Se han estudiado varios entornos de uso final: 3 ° C 65 ° C, una temperatura máxima normal para los sistemas electrónicos que funcionan a temperatura ambiente, como los ordenadores; 125 ° C, la temperatura a la que deben funcionar los conectores universales, a menudo especificada para aplicaciones militares; 200 ° C, esa temperatura es cada vez más importante para los equipos de vuelo “.

Para bajas temperaturas, no se requieren barreras de níquel. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la cantidad de níquel necesaria para evitar la transferencia de níquel / oro (Tabla II).

Tabla 2. Resistencia de contacto de níquel / oro (1000 horas)

Capa de barrera de níquel contacto satisfactorio a 65 ° C contacto satisfactorio a 125 ° C contacto satisfactorio a 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%

El níquel utilizado en el estudio de Antler fue galvanizado. Se esperan mejoras del níquel no electrolítico, como confirma Baudrand 4. Sin embargo, estos resultados son para oro de 0.5 µm, donde el plano suele precipitar 0.2 µm. Se puede inferir que el avión es suficiente para elementos de contacto que operan a 125 ° C, pero los elementos de temperatura más alta requerirán pruebas especializadas.

“Cuanto más grueso sea el níquel, mejor será la barrera, en todos los casos”, sugiere Antler, “pero la realidad de la fabricación de PCB alienta a los ingenieros a depositar solo la cantidad de níquel que se necesita. El níquel / oro plano ahora se usa en teléfonos celulares y buscapersonas que usan puntos de contacto con almohadillas táctiles. La especificación para este tipo de elemento es de al menos 2 µm de níquel.

El conector

La inmersión no electrolítica de níquel / oro se utiliza en la fabricación de placas de circuito con conectores de ajuste por resorte, ajuste a presión, deslizamiento de baja presión y otros conectores no soldados.

Los conectores enchufables requieren una mayor durabilidad física. En estos casos, los recubrimientos de níquel no electrolítico son lo suficientemente fuertes para aplicaciones de PCB, pero la inmersión en oro no lo es. El oro puro muy fino (60 a 90 Knoop) se desprenderá del níquel durante la fricción repetida. Cuando se elimina el oro, el níquel expuesto se oxida rápidamente, lo que aumenta la resistencia al contacto.

El recubrimiento de níquel no electrolítico / inmersión en oro puede no ser la mejor opción para conectores enchufables que soportan múltiples inserciones a lo largo de la vida útil del producto. Se recomiendan superficies de níquel / paladio / oro para conectores multipropósito.

La capa barrera

El níquel no electrolítico tiene la función de tres capas de barrera en la placa: 1) para evitar la difusión del cobre al oro; 2) Para prevenir la difusión del oro al níquel; 3) Fuente de níquel formado por compuestos intermetálicos Ni3Sn4.

Difusión de cobre a níquel

La transferencia de cobre a través del níquel dará como resultado la descomposición del cobre en oro superficial. El cobre se oxidará rápidamente, lo que dará como resultado una mala soldabilidad durante el ensamblaje, lo que ocurre en el caso de una fuga de níquel. El níquel es necesario para evitar la migración y difusión de las placas vacías durante el almacenamiento y durante el montaje cuando se han soldado otras áreas de la placa. Por lo tanto, el requisito de temperatura de la capa de barrera es menos de un minuto por debajo de 250 ° C.

Turn y Owen6 han estudiado el efecto de diferentes capas de barrera sobre el cobre y el oro. Descubrieron que “… La comparación de los valores de permeabilidad del cobre a 400 ° C y 550 ° C muestra que el cromo hexavalente y el níquel con un contenido de fósforo del 8-10% son las capas de barrera más efectivas estudiadas ”. (Tabla 3).

Cuadro 3. Penetración del cobre a través del níquel al oro

Espesor del níquel 400 ° C 24 horas 400 ° C 53 horas 550 ° C 12 horas

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 Sin difusión No difusión No difusión

Según la ecuación de Arrhenius, la difusión a temperaturas más bajas es exponencialmente más lenta. Curiosamente, en este experimento, el níquel no electrolítico fue de 2 a 10 veces más eficiente que el níquel electrodepositado. Turn y Owen señalan que “… Una barrera (8%) de 2µm (80µinch) de esta aleación reduce la difusión del cobre a un nivel insignificante ”.

A partir de esta prueba de temperatura extrema, un espesor de níquel de al menos 2 µm es una especificación segura.

Difusión de níquel a oro

El segundo requisito del níquel no electrolítico es que el níquel no migre a través de “granos” o “agujeros finos” impregnados de oro. Si el níquel entra en contacto con el aire, se oxidará. El óxido de níquel no se puede soldar y es difícil de eliminar con fundente.

Hay varios artículos sobre níquel y oro utilizados como portadores de virutas de cerámica. Estos materiales soportan las temperaturas extremas de montaje durante mucho tiempo. Una prueba común para estas superficies es 500 ° C durante 15 minutos.

Con el fin de evaluar la capacidad de las superficies planas no electrolíticas impregnadas de níquel / oro para prevenir la oxidación del níquel, se estudió la soldabilidad de las superficies envejecidas por temperatura. Se probaron diferentes condiciones de calor / humedad y tiempo. Estos estudios han demostrado que el níquel está adecuadamente protegido mediante la lixiviación del oro, lo que permite una buena soldabilidad después de un largo envejecimiento.

La difusión de níquel a oro puede ser un factor limitante para el ensamblaje en algunos casos, como la unión de alambre termo-sónico de oro. En esta aplicación, la superficie de níquel / oro está menos avanzada que la superficie de níquel / paladio / oro. Iacovangelo investigó las propiedades de difusión del paladio como capa de barrera entre el níquel y el oro y descubrió que el paladio de 0.5 µm evita la migración incluso a temperaturas extremas. Este estudio también demostró que no hubo difusión de cobre a través de 2.5 µm de níquel / paladio determinado por espectroscopía Auger durante 15 minutos a 500 ° C.

Compuesto intergenérico de níquel estaño

Durante el montaje en superficie o la operación de soldadura por ola, los átomos de la superficie de la PCB se mezclarán con los átomos de soldadura, según las propiedades de difusión del metal y la capacidad de formar “compuestos intermetálicos” (Tabla 4).

Tabla 4. Difusividad de los materiales de PCB en la soldadura

Difusividad de temperatura del metal ° C (µinches / SEC.)

Oro 450 486

Cobre 450 525 4.1

Paladio 450 525 1.4

Níquel 700 1.7

En los sistemas de níquel / oro y estaño / plomo, el oro se disuelve inmediatamente en estaño suelto. La soldadura forma una fuerte unión al níquel subyacente al formar compuestos intermetálicos de Ni3Sn4. Se debe depositar suficiente níquel para garantizar que la soldadura no llegue por debajo del cobre.Las mediciones de Bader mostraron que no se requerían más de 0.5 µm de níquel para mantener la barrera, incluso durante más de seis ciclos de temperatura. De hecho, el espesor máximo de capa intermetálica observado es inferior a 0.5 µm (20 µpulgadas).

poroso

El níquel / oro no electrolítico se ha convertido recientemente en un recubrimiento de superficie de PCB final común, por lo que los procedimientos industriales pueden no ser adecuados para esta superficie. Se encuentra disponible un proceso de vapor de ácido nítrico para probar la porosidad del níquel / oro electrolítico utilizado como conector enchufable (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. La impregnación de níquel no electrolítico no pasará esta prueba. Se ha desarrollado un estándar europeo de porosidad utilizando ferricianuro de potasio para determinar la porosidad relativa de superficies planas, que se expresa en términos de poros por milímetro cuadrado (insectos / mm2). Una buena superficie plana debe tener menos de 10 orificios por milímetro cuadrado con un aumento de 100 x.

conclusión

La industria de fabricación de PCB está interesada en reducir la cantidad de níquel depositado en la placa por razones de costo, tiempo de ciclo y compatibilidad de materiales. La especificación mínima de níquel debería ayudar a prevenir la difusión del cobre a la superficie del oro, mantener una buena resistencia de la soldadura y mantener baja la resistencia al contacto. La especificación máxima de níquel debe permitir flexibilidad en la fabricación de placas, ya que no hay modos graves de falla asociados con depósitos gruesos de níquel.

Para la mayoría de los diseños de placas de circuitos actuales, el espesor mínimo de níquel requerido es un recubrimiento de níquel no electrolítico de 2.0 µm (80 µ pulgadas). En la práctica, se utilizará una gama de espesores de níquel en un lote de producción de PCB (Figura 2). El cambio en el espesor del níquel será el resultado del cambio en las propiedades de los productos químicos del baño y el cambio en el tiempo de permanencia de la máquina elevadora automática. Para garantizar un mínimo de 2.0 µm, las especificaciones de los usuarios finales deben requerir 3.5 µm, un mínimo de 2.0 µm y un máximo de 8.0 µm.

Este rango especificado de espesor de níquel ha demostrado ser adecuado para la producción de millones de placas de circuito. La gama cumple con los requisitos de soldabilidad, vida útil y contacto de la electrónica actual. Debido a que los requisitos de ensamblaje son diferentes de un producto a otro, es posible que los recubrimientos de superficies deban optimizarse para cada aplicación en particular.