فرآیند پوشش نهایی برای PCB تولید در سالهای اخیر دستخوش تغییرات مهمی شده است. این تغییرات نتیجه نیاز مداوم برای غلبه بر محدودیت های HASL (انسجام هوای گرم) و افزایش تعداد جایگزین های HASL است.

پوشش نهایی برای محافظت از سطح فویل مسی مدار استفاده می شود. مس (مس) سطح مناسبی برای اجزای جوش است ، اما به راحتی اکسید می شود. اکسید مس مانع مرطوب شدن لحیم کاری می شود. اگرچه طلا (Au) در حال حاضر برای پوشش مس استفاده می شود ، زیرا طلا اکسید نمی شود. طلا و مس به سرعت در یکدیگر پخش و نفوذ می کنند. هر مس در معرض اکسید مس به سرعت جوش داده می شود. یک رویکرد استفاده از “لایه مانع” نیکل (Ni) است که از انتقال طلا و مس جلوگیری می کند و سطحی مقاوم و رسانا برای مونتاژ اجزا فراهم می کند.

الزامات PCB برای پوشش نیکل غیر الکترولیتی

روکش نیکل غیر الکترولیتی باید چندین کار را انجام دهد:

سطح ذخایر طلا

هدف نهایی مدار ایجاد ارتباط با قدرت فیزیکی بالا و ویژگی های الکتریکی خوب بین PCB و قطعات است. در صورت وجود هرگونه اکسید یا آلودگی در سطح PCB ، این اتصال جوش داده شده با شار ضعیف امروز ایجاد نمی شود.

طلا به طور طبیعی روی نیکل رسوب می کند و در طول ذخیره سازی طولانی اکسید نمی شود. با این حال ، طلا روی نیکل اکسید شده نمی نشیند ، بنابراین نیکل باید بین حمام نیکل و حل شدن طلا خالص بماند. بنابراین ، اولین نیاز نیکل این است که به اندازه کافی بدون اکسیژن باقی بماند تا اجازه رسوب طلا را بدهد. اجزاء حمام های شستشوی شیمیایی را توسعه داده اند تا به میزان 6 ~ 10 ph فسفر در بارش نیکل اجازه دهند. این مقدار فسفر در پوشش نیکل غیر الکترولیتی به عنوان یک تعادل دقیق در کنترل حمام ، اکسید و خواص الکتریکی و فیزیکی در نظر گرفته می شود.

سختی

سطوح غیر الکترولیتی با روکش نیکل در بسیاری از کاربردهایی که نیاز به استحکام فیزیکی دارند مانند بلبرینگ های گیربکس خودرو استفاده می شود. الزامات PCB بسیار کمتر از این برنامه ها است ، اما سختی خاصی برای اتصال سیم ، مخاطبین صفحه لمسی ، اتصالات لبه کنتوری و پایداری پردازش مهم است.

اتصال سرب نیاز به سختی نیکل دارد. در صورت تغییر شکل رسوب در رسوب ، که منجر به ذوب شدن سرب در بستر می شود ، اصطکاک از بین می رود. تصاویر SEM هیچ نفوذی به سطح نیکل مسطح/طلا یا نیکل/پالادیوم (Pd)/طلا نشان نداد.

مشخصات برق

مس فلز انتخابی برای تشکیل مدار است زیرا ساخت آن آسان است. مس برق را تقریباً از هر فلزی بهتر هدایت می کند (جدول 1) 1,2،XNUMX. طلا همچنین رسانایی الکتریکی خوبی دارد و آن را برای خارجی ترین فلز انتخابی عالی می کند ، زیرا الکترون ها روی سطح یک مسیر رسانا جریان دارند (مزیت “سطحی”).

جدول 1. مقاومت فلز PCB

مس 1.7 (شامل Ω سانتی متر)

طلا (شامل 2.4 Ω سانتی متر)

نیکل (شامل 7.4 Ω سانتیمتر

پوشش نیکل الکترولیتی 55 ~ 90 میکرومتر سانتی متر

اگرچه ویژگی های الکتریکی اکثر صفحات تولید تحت تأثیر لایه نیکل قرار نمی گیرد ، اما نیکل می تواند بر ویژگی های الکتریکی سیگنال های فرکانس بالا تأثیر بگذارد. از دست دادن سیگنال PCB مایکروویو می تواند از مشخصات طراح فراتر رود. این پدیده متناسب با ضخامت نیکل است – مدار باید از نیکل عبور کند تا به نقطه لحیم برسد. در بسیاری از کاربردها ، با تعیین رسوبات نیکل کمتر از 2.5 µm می توان سیگنال های الکتریکی را به مشخصات طراحی بازگرداند.

مقاومت در برابر تماس

مقاومت تماس با جوش پذیری متفاوت است زیرا سطح نیکل/طلا در طول عمر محصول نهایی بدون جوش باقی می ماند. نیکل/طلا پس از قرار گرفتن طولانی مدت در معرض محیط زیست باید در تماس خارجی باقی بماند. کتاب 1970 Antler نیازهای تماس سطح نیکل/طلا را به صورت کمی بیان کرد. محیطهای مختلف استفاده نهایی مورد مطالعه قرار گرفته اند: 3 “65 درجه سانتی گراد ، حداکثر دمای معمولی برای سیستم های الکترونیکی که در دمای اتاق کار می کنند ، مانند رایانه. 125 درجه سانتی گراد ، دمایی که در آن اتصالات جهانی باید کار کنند ، اغلب برای کاربردهای نظامی مشخص می شود. 200 درجه سانتی گراد ، این دما برای تجهیزات پرواز اهمیت بیشتری پیدا می کند. “

برای دمای پایین ، نیکل نیکل مورد نیاز نیست. با افزایش دما ، مقدار نیکل مورد نیاز برای جلوگیری از انتقال نیکل/طلا افزایش می یابد (جدول II).

جدول 2. مقاومت در برابر نیکل/طلا (1000 ساعت)

تماس لایه رضایت بخش نیکل در 65 درجه سانتی گراد تماس رضایت بخش در 125 درجه سانتی گراد تماس رضایت بخش در دمای 200 درجه سانتی گراد

0.0 میکرومتر 100٪ 40٪ 0٪

0.5 میکرومتر 100٪ 90٪ 5٪

2.0 میکرومتر 100٪ 100٪ 10٪

4.0 میکرومتر 100٪ 100٪ 60٪

نیکل مورد استفاده در مطالعه آنتلر آبکاری شده بود. همانطور که توسط Baudrand 4 تأیید شده است ، بهبودهایی از نیکل غیر الکترولیتی انتظار می رود. با این حال ، این نتایج برای 0.5 میکرومتر طلا هستند ، جایی که صفحه معمولاً 0.2 میکرومتر رسوب می کند. این هواپیما را می توان برای عناصر تماسی که در دمای 125 درجه سانتی گراد کار می کنند ، کافی دانست ، اما عناصر دمای بالاتر نیاز به آزمایش تخصصی دارند.

آنتلر می گوید: “هرچه نیکل ضخیم تر باشد ، مانع بهتر است ،” اما واقعیت تولید PCB مهندسان را تشویق می کند تا نیکل را به مقدار مورد نیاز ذخیره کنند. نیکل تخت/طلا در حال حاضر در تلفن های همراه و پیجرهایی که از نقاط تماس تاچ پد استفاده می کنند استفاده می شود. مشخصات این نوع عنصر حداقل 2 میکرومتر نیکل است.

کانکتور

غوطه وری غیر الکترولیتیک نیکل/طلا در ساخت تابلوهای مدار با اتصالات فنری ، پرس پرس ، کشویی با فشار کم و سایر اتصالات غیر جوش داده شده استفاده می شود.

اتصالات پلاگین به دوام فیزیکی بیشتری نیاز دارند. در این موارد ، روکش های نیکل الکترولیتی به اندازه کافی برای کاربردهای PCB قوی هستند ، اما غوطه ور شدن طلا اینطور نیست. طلای خالص بسیار نازک (60 تا 90 کنپ) در حین اصطکاک مکرر از نیکل دور می شود. هنگامی که طلا برداشته می شود ، نیکل در معرض اکسید شدن سریع قرار می گیرد و در نتیجه مقاومت تماس افزایش می یابد.

پوشش نیکل الکترولیتی/غوطه ور شدن طلا ممکن است بهترین انتخاب برای اتصال دهنده های پلاگین که در طول عمر محصول چندین بار را تحمل می کنند ، نباشد. سطوح نیکل/پالادیوم/طلا برای اتصالات چند منظوره توصیه می شود.

لایه سد

نیکل غیر الکترولیتی دارای سه لایه مانع روی صفحه است: 1) جلوگیری از انتشار مس به طلا. 2) برای جلوگیری از انتشار طلا به نیکل ؛ 3) منبع نیکل که از ترکیبات بین فلزی Ni3Sn4 تشکیل شده است.

انتشار مس به نیکل

انتقال مس از طریق نیکل منجر به تجزیه مس به طلای سطحی می شود. مس به سرعت اکسید می شود و در نتیجه مونتاژ جوش پذیری ضعیفی ایجاد می کند ، که در صورت نشت نیکل رخ می دهد. نیکل برای جلوگیری از مهاجرت و انتشار صفحات خالی در حین ذخیره سازی و هنگام مونتاژ زمانی که سایر قسمتهای صفحه جوش داده شده است ، مورد نیاز است. بنابراین ، دمای مورد نیاز لایه سد کمتر از یک دقیقه زیر 250 درجه سانتی گراد است.

Turn و Owen6 تأثیر لایه های مختلف مانع بر روی مس و طلا را مطالعه کرده اند. آنها دریافتند که «… مقایسه مقادیر نفوذپذیری مس در دمای 400 درجه سانتی گراد و 550 درجه سانتی گراد نشان می دهد که کروم و نیکل شش ظرفیتی با محتوای فسفر 8 تا 10 درصد م effectiveثرترین لایه های سدی مورد مطالعه هستند. (جدول 3).

جدول 3. نفوذ مس از طریق نیکل به طلا

ضخامت نیکل 400 ° C 24 ساعت 400 ° C 53 ساعت 550 ° C 12 ساعت

0.25 میکرومتر 1 میکرومتر 12 میکرومتر 18 میکرومتر

0.50 میکرومتر 1 میکرومتر 6 میکرومتر 15 میکرومتر

1.00 میکرومتر 1 میکرومتر 1 میکرومتر 8 میکرومتر

2.00 میکرومتر غیر انتشار غیر انتشار غیر انتشار

بر اساس معادله آرنیوس ، انتشار در دماهای پایین تر به صورت نمایی کندتر است. جالب است که در این آزمایش ، نیکل غیر الکترولیتی 2 تا 10 برابر کارآمدتر از نیکل آبکاری شده بود. ترن و اوون اشاره می کنند که “… مانع (8٪) 2µmm (80µinch) این آلیاژ باعث کاهش انتشار مس در سطح ناچیز می شود. “

از این آزمایش دمای شدید ، ضخامت نیکل حداقل 2 میکرومتر یک مشخصات ایمن است.

انتشار نیکل به طلا

نیاز دوم نیکل غیر الکترولیتی این است که نیکل از طریق “دانه ها” یا “سوراخ های ریز” آغشته به طلا مهاجرت نکند. اگر نیکل با هوا تماس پیدا کند ، اکسید می شود. اکسید نیکل قابل فروش نیست و حذف آن با شار مشکل است.

مقالات متعددی در مورد نیکل و طلا به عنوان حامل تراشه های سرامیکی استفاده می شود. این مواد دمای شدید مونتاژ را برای مدت طولانی تحمل می کنند. یک آزمایش معمول برای این سطوح دمای 500 درجه سانتی گراد به مدت 15 دقیقه است.

به منظور ارزیابی توانایی سطوح مسطح غیر الکترولیتی آغشته به نیکل/طلا برای جلوگیری از اکسیداسیون نیکل ، قابلیت جوش پذیری سطوح سن بالا مورد بررسی قرار گرفت. شرایط مختلف گرما/رطوبت و زمان مورد آزمایش قرار گرفت. این مطالعات نشان داده است که نیکل با شستشوی طلا به اندازه کافی محافظت می شود و پس از پیری طولانی جوش پذیری خوبی را امکان پذیر می کند.

انتشار نیکل به طلا ممکن است یک عامل محدود کننده برای مونتاژ در برخی موارد باشد ، مانند اتصال سیم حرارتی طلا. در این کاربرد ، سطح نیکل/طلا نسبت به سطح نیکل/پالادیوم/طلا پیشرفت کمتری دارد. Iacovangelo خواص انتشار پالادیوم را به عنوان یک لایه مانع بین نیکل و طلا بررسی کرد و دریافت که 0.5μm پالادیوم حتی در دماهای شدید از مهاجرت جلوگیری می کند. این مطالعه همچنین نشان داد که هیچ نفوذ مس از طریق 2.5 میکرومتر نیکل/پالادیوم با طیف سنجی اوگر در مدت 15 دقیقه در دمای 500 درجه سانتی گراد تعیین نشده است.

ترکیب بین ژنی قلع نیکل

در حین اتصال سطح یا موج لحیم کاری ، اتم های سطح PCB بسته به خواص انتشار فلز و توانایی تشکیل “ترکیبات بین فلزی” با اتم های لحیم کاری مخلوط می شوند (جدول 4).

جدول 4. انتشار مواد PCB در جوشکاری

انتشار درجه حرارت فلز ° C (µinches/ SEC.)

طلا 450 486 117.9 167.5

مس 450 525 4.1 7.0

پالادیوم 450 525 1.4 6.2

نیکل 700 1.7

در سیستم های نیکل/طلا و قلع/سرب ، طلا بلافاصله در قلع سست حل می شود. لحیم با ایجاد ترکیبات بین فلزی Ni3Sn4 یک پیوند قوی به نیکل زیرین ایجاد می کند. نیکل کافی باید سپرده شود تا اطمینان حاصل شود که لحیم به زیر مس نمی رسد.اندازه گیری های بادر نشان داد که بیش از 0.5 میکرومتر نیکل برای حفظ مانع حتی در بیش از شش چرخه دما لازم نیست. در حقیقت ، حداکثر ضخامت لایه بین فلزی مشاهده شده کمتر از 0.5μm (20µinch) است.

متخلخل

نیکل/طلا غیر الکترولیتی اخیراً به یک پوشش رایج نهایی PCB تبدیل شده است ، بنابراین روشهای صنعتی ممکن است برای این سطح مناسب نباشد. یک فرایند بخار اسید نیتریک برای آزمایش تخلخل نیکل الکترولیتی/طلای مورد استفاده به عنوان اتصال دهنده پلاگین (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9 وجود دارد. نیکل/اشباع غیر الکترولیتی در این آزمایش موفق نمی شود. یک استاندارد تخلخل اروپایی با استفاده از فریسیانید پتاسیم برای تعیین تخلخل نسبی سطوح مسطح ایجاد شده است که بر اساس منافذ در میلی متر مربع (اشکالات /میلی متر مربع) ارائه شده است. یک سطح صاف خوب باید کمتر از 10 سوراخ در میلی متر مربع در 100 برابر بزرگنمایی داشته باشد.

نتیجه

صنعت تولید PCB علاقمند است مقدار نیکل ذخیره شده بر روی تخته را به دلایل هزینه ، زمان چرخه و سازگاری مواد کاهش دهد. حداقل مشخصات نیکل باید از انتشار مس در سطح طلا جلوگیری کند ، استحکام جوش خوبی را حفظ کرده و مقاومت تماس را پایین نگه دارد. حداکثر مشخصات نیکل باید باعث انعطاف پذیری در تولید صفحات شود ، زیرا هیچ حالت جدی خرابی با رسوبات ضخیم نیکل همراه نیست.

برای اکثر طراحی های برد مدار امروزی ، پوشش نیکل غیر الکترولیتی 2.0 میکرومتر (80µ اینچ) حداقل ضخامت نیکل مورد نیاز است. در عمل ، طیف وسیعی از ضخامت های نیکل در قسمت تولید PCB استفاده می شود (شکل 2). تغییر در ضخامت نیکل ناشی از تغییر در خواص مواد شیمیایی حمام و تغییر در زمان ماند دستگاه بالابر اتوماتیک است. برای اطمینان از حداقل 2.0μm ، مشخصات کاربران نهایی باید 3.5μm ، حداقل 2.0µmm و حداکثر 8.0µmm نیاز داشته باشد.

این محدوده مشخص شده از ضخامت نیکل برای تولید میلیون ها تخته مدار مناسب بوده است. این محدوده دارای قابلیت جوشکاری ، عمر مفید و نیازهای تماس با قطعات الکترونیکی امروزی است. از آنجا که الزامات مونتاژ از یک محصول به محصول دیگر متفاوت است ، ممکن است لازم باشد پوشش های سطحی برای هر کاربرد خاص بهینه شود.