Viimane katmisprotsess PCB tootmine on viimastel aastatel oluliselt muutunud. Need muutused on tingitud pidevast vajadusest ületada HASL (kuuma õhu ühtekuuluvus) piirangud ja HASL -i alternatiivide kasvav arv.

Lõplikku katet kasutatakse ahela vaskfooliumi pinna kaitsmiseks. Vask (Cu) on hea pind komponentide keevitamiseks, kuid on kergesti oksüdeeritav; Vaskoksiid takistab joodise märgamist. Kuigi nüüd kasutatakse vase katmiseks kulda (Au), sest kuld ei oksüdeeru; Kuld ja vask hajuvad kiiresti ja läbistavad üksteist. Iga avatud vask moodustab kiiresti mittekeevitatava vaskoksiidi. Üks lähenemisviis on kasutada nikkel (Ni) „tõkkekihti”, mis takistab kulla ja vase ülekandumist ning tagab komponentide kokkupanekuks vastupidava ja juhtiva pinna.

PCB nõuded mitteelektrolüütilisele nikkelkattele

Mitteelektrolüütiline nikkelkate peaks täitma mitmeid funktsioone:

Kullahoiuse pind

Ahela lõppeesmärk on PCB ja komponentide vahel suure füüsilise tugevuse ja heade elektriliste omadustega ühenduse loomine. Kui PCB pinnal on oksiidi või saastumist, siis seda keevisliidet tänapäeva nõrga voolu korral ei esineks.

Kuld ladestub loomulikult nikli peale ja ei oksüdeeru pika ladustamise ajal. Kuld ei asu aga oksüdeerunud niklile, seega peab nikkel jääma puhtaks niklivanni ja kulla lahustumise vahel. Seega on nikli esimene nõue jääda hapnikuvabaks piisavalt kaua, et kuld saaks sadestuda. Komponendid töötasid välja keemilised leostumisvannid, mis võimaldasid nikli sadestamisel 6–10% fosforisisaldust. Seda fosforisisaldust mitteelektrolüütilises nikkelkattekihis peetakse vanni kontrolli, oksiidi ning elektriliste ja füüsikaliste omaduste hoolikaks tasakaaluks.

kõvadus

Mitteelektrolüütilisi nikliga kaetud pindu kasutatakse paljudes rakendustes, mis nõuavad füüsilist tugevust, näiteks autoülekande laagrites. PCB nõuded on palju vähem ranged kui nende rakenduste puhul, kuid teatud kõvadus on oluline juhtmete ühendamise, puuteplaadi kontaktide, servakonnektori pistikute ja töötlemise jätkusuutlikkuse jaoks.

Plii sidumine nõuab nikli karedust. Hõõrdumine võib kaduda, kui plii deformeerib sadet, mis aitab pliil aluspinna sisse sulada. SEM -kujutised ei näidanud lameda nikli/kulla või nikli/pallaadiumi (Pd)/kulla pinnale tungimist.

Elektrilised omadused

Vask on vooluahela moodustamiseks valitud metall, kuna seda on lihtne valmistada. Vask juhib elektrit paremini kui peaaegu kõik metallid (tabel 1) 1,2. Kuld on ka hea elektrijuhtivusega, mistõttu on see ideaalne valik äärepoolseima metalli jaoks, kuna elektronid kipuvad voolava juhtiva pinna pinnale voolama („pinna” eelis).

Tabel 1. PCB metalli takistus

Vask 1.7 (sh Ω cm

Kuld (sh 2.4 Ω cm

Nikkel (sh 7.4 Ω cm)

Mitteelektrolüütiline nikkelkate 55 ~ 90 µ ω cm

Kuigi enamiku tootmisplaatide elektrilisi omadusi nikkelikiht ei mõjuta, võib nikkel mõjutada kõrgsageduslike signaalide elektrilisi omadusi. Mikrolaine PCB signaali kadu võib ületada disaineri spetsifikatsioone. See nähtus on proportsionaalne nikli paksusega – vooluahel peab jootmispunkti jõudmiseks läbima nikli. Paljudes rakendustes saab elektrilised signaalid taastada kavandatud spetsifikatsioonile, määrates nikli ladestused alla 2.5 µm.

Kontakttakistus

Kontakttakistus erineb keevitatavusest, kuna nikkel/kuldpind jääb keevitamata kogu lõpptoote eluea jooksul. Pärast pikaajalist kokkupuudet keskkonnaga peab nikkel/kuld välist kontakti juhtima. Antleri 1970. aasta raamatus väljendati kvantitatiivselt nikli/kulla pinnaga kokkupuutumise nõudeid. Uuritud on erinevaid lõppkasutuskeskkondi: 3 “65 ° C, normaalne maksimaalne temperatuur toatemperatuuril töötavate elektroonikasüsteemide, näiteks arvutite jaoks; 125 ° C, temperatuur, millel universaalsed pistikud peavad töötama, sageli sõjalisteks otstarveteks; 200 ° C, muutub see temperatuur lendava varustuse jaoks üha olulisemaks. ”

Madalate temperatuuride korral pole niklitõkkeid vaja. Temperatuuri tõustes suureneb nikli/kulla ülekande vältimiseks vajalik niklikogus (tabel II).

Tabel 2. Nikli/kulla kontakttakistus (1000 tundi)

Nikkelbarjääri kiht rahuldav kontakt temperatuuril 65 ° C rahuldav kontakt temperatuuril 125 ° C rahuldav kontakt temperatuuril 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%

Antleri uuringus kasutatud nikkel galvaniseeriti. Baudrandi 4 kinnitusel on oodata paranemist mitteelektrolüütilise nikli osas. Need tulemused on aga 0.5 µm kulla kohta, kus lennuk sadeneb tavaliselt 0.2 µm. Tasapinnast võib järeldada, et see on piisav kontaktide jaoks, mis töötavad temperatuuril 125 ° C, kuid kõrgema temperatuuriga elemendid nõuavad spetsiaalset katsetamist.

“Mida paksem nikkel, seda parem barjäär on kõigil juhtudel,” soovitab Antler, “kuid PCB tootmise tegelikkus julgustab insenere ladestama vaid niipalju kui vaja. Lamedat niklit/kulda kasutatakse nüüd mobiiltelefonides ja piiparites, mis kasutavad puuteplaadi kontaktpunkte. Seda tüüpi elementide spetsifikatsioon on vähemalt 2 µm niklit.

Pistik

Mitteelektrolüütilist nikli/kullaga sukeldamist kasutatakse trükkplaatide valmistamisel, millel on vedru-, press-, madalrõhulohk- ja muud keevitamata pistikud.

Pistikühendused nõuavad pikemat füüsilist vastupidavust. Nendel juhtudel on mitteelektrolüütilised nikkelkatted PCB-rakenduste jaoks piisavalt tugevad, kuid kullaga sukeldamine mitte. Väga õhuke puhas kuld (60–90 Knoop) hõõrub korduva hõõrdumise ajal niklist eemale. Kulla eemaldamisel oksüdeerub paljastatud nikkel kiiresti, mille tulemuseks on kontakttakistuse suurenemine.

Mitteelektrolüütiline nikkelkate/kuldne keelekümblus ei pruugi olla parim valik pistikühendustele, mis peavad kogu toote eluea jooksul vastu mitut sisestust. Mitmeotstarbeliste pistikute jaoks on soovitatav kasutada nikkel/pallaadium/kuldpindu.

Tõkkekiht

Mitteelektrolüütilisel niklil on plaadil kolme tõkkekihi funktsioon: 1) vältida vase difusiooni kullaks; 2) Et vältida kulla difusiooni niklile; 3) Ni3Sn4 metallidevaheliste ühendite moodustatud nikli allikas.

Vase difusioon nikliks

Vase ülekandumine nikli kaudu põhjustab vase lagunemist pinnakullaks. Vase oksüdeerub kiiresti, mille tagajärjel keevitatakse keevitamise ajal nikli lekke korral halvasti. Niklit on vaja, et vältida tühjade plaatide migratsiooni ja levikut ladustamise ajal ja kokkupaneku ajal, kui plaadi teised alad on keevitatud. Seetõttu on tõkkekihi temperatuurinõue alla ühe minuti alla 250 ° C.

Turn ja Owen6 on uurinud erinevate tõkkekihtide mõju vasele ja kullale. Nad leidsid, et „… Vase läbilaskvuse väärtuste võrdlus 400 ° C ja 550 ° C juures näitab, et kõige tõhusamad tõkkekihid on kuuevalentne kroom ja nikkel, mille fosforisisaldus on 8–10%. (tabel 3).

Tabel 3. Vase läbitungimine niklist kullaks

Nikli paksus 400 ° C 24 tundi 400 ° C 53 tundi 550 ° C 12 tundi

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 Mitte-difusioonne mitte-difusioonne mitte-difusioon

Arrheniuse võrrandi kohaselt on madalamatel temperatuuridel difusioon eksponentsiaalselt aeglasem. Huvitav on see, et selles katses oli mitteelektrolüütiline nikkel 2 kuni 10 korda tõhusam kui galvaniseeritud nikkel. Turn ja Owen märgivad, et „… Selle sulami (8%) 2 μm (80 μinch) barjäär vähendab vase difusiooni tühisele tasemele. ”

Selle äärmusliku temperatuuri testi põhjal on nikli paksus vähemalt 2 µm ohutu spetsifikatsioon.

Nikli difusioon kullaks

Mitteelektrolüütilise nikli teine ​​nõue on see, et nikkel ei rändaks kullaga immutatud „terade” või „peenete aukude” kaudu. Kui nikkel puutub kokku õhuga, oksüdeerub see. Nikkeloksiid ei ole müüdav ja seda on raske vooluga eemaldada.

Keraamiliste kiibikandjana kasutatavate nikli ja kulla kohta on mitmeid artikleid. Need materjalid taluvad pikka aega kokkupanemise äärmuslikke temperatuure. Nende pindade tavaline test on 500 ° C 15 minutit.

Selleks, et hinnata lamedate mitteelektrolüütiliste nikli/kullaga immutatud pindade võimet vältida nikli oksüdeerumist, uuriti temperatuuril vanandatud pindade keevitatavust. Testiti erinevaid kuumuse/niiskuse ja aja tingimusi. Need uuringud on näidanud, et nikkel on kulla leostumisega piisavalt kaitstud, võimaldades pärast pikka vananemist head keevitatavust.

Nikli hajumine kullaks võib mõnel juhul olla kokkupanekut piirav tegur, näiteks kulla termoheli traadiside. Selles rakenduses on nikkel/kuldpind vähem arenenud kui nikkel/pallaadium/kuldpind. Iacovangelo uuris pallaadiumi kui nikli ja kulla vahelise tõkkekihi difusiooniomadusi ja leidis, et 0.5 µm pallaadium takistab migratsiooni isegi äärmuslikel temperatuuridel. See uuring näitas ka seda, et Augeri spektroskoopia abil määrati vase difusioon läbi 2.5 µm nikli/pallaadiumi 15 minuti jooksul 500 ° C juures.

Nikli tina geenidevaheline ühend

Pinnale paigaldamise või lainejootmise ajal segatakse trükkplaadi pinnalt aatomid jooteaatomitega, sõltuvalt metalli difusioonilistest omadustest ja „metallidevaheliste ühendite” moodustamise võimalusest (tabel 4).

Tabel 4. PCB materjalide difusioon keevitamisel

Metalli temperatuuri hajuvus ° C (µinches/ SEC)

Kuld 450 486 117.9 167.5

Vask 450 525 4.1 7.0

Pallaadium 450 525 1.4 6.2

Nikkel 700 1.7

Nikkel/kuld ja tina/pliisüsteemides lahustub kuld kohe lahtiseks tinaks. Joodis moodustab tugeva kinnituse aluse nikli külge, moodustades metallidevahelisi ühendeid Ni3Sn4. Tuleks ladestada piisavalt niklit, et tagada, et joodis ei ulatuks vase alla.Baderi mõõtmised näitasid, et barjääri säilitamiseks, isegi rohkem kui kuue temperatuuritsükli vältel, ei ole vaja rohkem kui 0.5 µm niklit. Tegelikult on täheldatud metallidevahelise kihi maksimaalne paksus alla 0.5 µm (20 µin).

poorne

Mitteelektrolüütiline nikkel/kuld on alles hiljuti muutunud tavaliseks PCB pinnakatteks, seega ei pruugi tööstuslikud protseduurid sellele pinnale sobida. Pistikühendusena kasutatava elektrolüütilise nikli/kulla poorsuse testimiseks on saadaval lämmastikhappe auruprotsess (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Mitte-elektrolüütiline nikkel/immutamine ei läbi seda testi. Lamedate pindade suhtelise poorsuse määramiseks on välja töötatud Euroopa poorsusstandard, kasutades kaalium -ferritüaniidi, mis on antud pooride ruutmillimeetri kohta (vead /mm2). Heal tasasel pinnal peaks 10 -kordse suurendusega olema vähem kui 100 auku ruutmillimeetri kohta.

järeldus

PCB tootmistööstus on huvitatud plaadile ladestatud nikli koguse vähendamisest kulude, tsükli kestuse ja materjalide ühilduvuse tõttu. Minimaalne nikli spetsifikatsioon peaks aitama vältida vase difusiooni kulla pinnale, säilitama hea keevisjõu ja hoidma kontakttakistust madalal. Maksimaalsed nikli spetsifikatsioonid peaksid võimaldama plaatide valmistamisel paindlikkust, kuna paksude nikli ladestustega ei kaasne tõsiseid rikete viise.

Enamiku tänapäevaste trükkplaatide konstruktsioonide puhul on minimaalne nõutav nikli paksus mitteelektrolüütiline nikkelkate 2.0 µm (80 µn). Praktikas kasutatakse trükkplaatide tootmispartiis erinevaid nikli paksusi (joonis 2). Nikli paksuse muutus tuleneb vannikemikaalide omaduste muutumisest ja automaatse tõsteseadme viibeaja muutumisest. Vähemalt 2.0 µm tagamiseks peaksid lõppkasutajate spetsifikatsioonid nõudma 3.5 µm, vähemalt 2.0 µm ja maksimaalselt 8.0 µm.

See täpsustatud nikli paksuse vahemik on osutunud sobivaks miljonite trükkplaatide tootmiseks. Valik vastab tänapäeva elektroonika keevitatavuse, säilivusaja ja kontaktnõuetele. Kuna monteerimisnõuded on eri toodetel erinevad, tuleb pinnakatteid iga konkreetse rakenduse jaoks optimeerida.