Viimeinen pinnoitusprosessi PCB valmistus on kokenut merkittäviä muutoksia viime vuosina. Nämä muutokset ovat seurausta jatkuvasta tarpeesta voittaa HASL: n (kuumailma koheesio) rajoitukset ja HASL -vaihtoehtojen kasvava määrä.

Lopullista pinnoitetta käytetään piirikuparikalvon pinnan suojaamiseen. Kupari (Cu) on hyvä pinta komponenttien hitsaamiseen, mutta se hapettuu helposti; Kuparioksidi estää juotteen kastumisen. Vaikka kultaa (Au) käytetään nyt kuparin peittämiseen, koska kulta ei hapetu; Kulta ja kupari leviävät nopeasti ja tunkeutuvat toisiinsa. Kaikki altistunut kupari muodostaa nopeasti hitsattavan kuparioksidin. Yksi tapa on käyttää nikkeli (Ni) “suojakerrosta”, joka estää kullan ja kuparin siirtymisen ja tarjoaa kestävän, johtavan pinnan komponenttien kokoamiseen.

PCB-vaatimukset ei-elektrolyyttiselle nikkelipinnoitteelle

Ei-elektrolyyttisen nikkelipinnoitteen tulisi suorittaa useita toimintoja:

Kullan talletuksen pinta

Piirin perimmäinen tarkoitus on muodostaa yhteys, jolla on korkea fyysinen lujuus ja hyvät sähköiset ominaisuudet piirilevyn ja komponenttien välille. Jos piirilevyn pinnalla on oksidia tai epäpuhtauksia, tätä hitsisaumaa ei esiinny nykypäivän heikon virtauksen yhteydessä.

Kulta kerääntyy luonnollisesti nikkelin päälle eikä hapetu pitkän varastoinnin aikana. Kulta ei kuitenkaan laskeudu hapettuneelle nikkelille, joten nikkelin on pysyttävä puhtaana nikkelikylvyn ja kullan liukenemisen välillä. Näin ollen nikkelin ensimmäinen vaatimus on pysyä hapettomana riittävän kauan, jotta kulta saostuu. Komponentit kehittivät kemiallisia liuotushauteita, jotka mahdollistavat 6-10% fosforipitoisuuden nikkelisaostuksessa. Tätä fosforipitoisuutta ei-elektrolyyttisessä nikkelipinnoitteessa pidetään kylvyn säätelyn, oksidin sekä sähköisten ja fysikaalisten ominaisuuksien huolellisena tasapainona.

kovuus

Ei-elektrolyyttisiä nikkelipinnoitettuja pintoja käytetään monissa fyysistä voimaa vaativissa sovelluksissa, kuten autojen voimansiirtolaakereissa. Piirilevyvaatimukset ovat paljon vähemmän tiukat kuin näille sovelluksille, mutta tietty kovuus on tärkeä johdinliitännälle, kosketuslevyn koskettimille, reunaliitäntöjen liittimille ja käsittelyn kestävyydelle.

Lyijyliimaus vaatii nikkelin kovuuden. Kitkaa voi esiintyä, jos lyijy muuttaa saostumaa, mikä auttaa lyijyä “sulamaan” alustaan. SEM -kuvat eivät osoittaneet tunkeutumista litteän nikkelin/kullan tai nikkelin/palladiumin (Pd)/kullan pintaan.

Sähköiset ominaisuudet

Kupari on valintametalli piirinmuodostuksessa, koska se on helppo valmistaa. Kupari johtaa sähköä paremmin kuin lähes kaikki metallit (taulukko 1) 1,2. Kullalla on myös hyvä sähkönjohtavuus, joten se on täydellinen valinta syrjäisimmälle metallille, koska elektronit pyrkivät virtaamaan johtavan reitin pinnalla (“pinnan” etu).

Taulukko 1. PCB -metallin resistanssi

Kupari 1.7 (mukaan lukien Ω cm

Kulta (mukaan lukien 2.4 Ω cm

Nikkeli (mukaan lukien 7.4 Ω cm

Ei-elektrolyyttinen nikkelipinnoite 55 ~ 90 µ ω cm

Vaikka nikkelikerros ei vaikuta useimpien tuotantolevyjen sähköisiin ominaisuuksiin, nikkeli voi vaikuttaa suurtaajuisten signaalien sähköisiin ominaisuuksiin. Mikroaaltouunin PCB -signaalin menetys voi ylittää suunnittelijan vaatimukset. Tämä ilmiö on verrannollinen nikkelin paksuuteen – piirin täytyy kulkea nikkelin läpi päästäkseen juotoskohtaan. Monissa sovelluksissa sähköiset signaalit voidaan palauttaa suunnitteluvaatimuksiin määrittämällä alle 2.5 µm: n nikkelikerrostumat.

Yhteensopivuus

Kosketuskestävyys eroaa hitsattavuudesta, koska nikkeli-/kultapinta pysyy hitsaamattomana lopputuotteen koko käyttöiän ajan. Nikkelin/kullan on oltava johtava ulkoiseen kosketukseen pitkäaikaisen ympäristölle altistumisen jälkeen. Antlerin vuonna 1970 julkaistu kirja ilmaisi nikkeli/kulta -pintakosketusvaatimukset määrällisesti. Erilaisia ​​käyttöympäristöjä on tutkittu: 3 “65 ° C, normaali maksimi lämpötila huoneenlämmössä toimiville elektronisille järjestelmille, kuten tietokoneille; 125 ° C, lämpötila, jossa yleisliittimien on toimittava, usein määritelty sotilaskäyttöön; 200 ° C, tämä lämpötila on tulossa yhä tärkeämmäksi lentäville laitteille. ”

Alhaisissa lämpötiloissa nikkeliesteitä ei tarvita. Lämpötilan noustessa nikkelin/kullan siirtymisen estämiseksi tarvittava nikkelin määrä kasvaa (taulukko II).

Taulukko 2. Nikkelin/kullan kosketuskestävyys (1000 tuntia)

Nikkeliestekerros tyydyttävä kosketus 65 ° C: ssa tyydyttävä kosketus 125 ° C: ssa tyydyttävä kosketus 200 ° C: ssa

0.0 µm 100% 40% 0%

0.5 µm 100% 90% 5%

2.0 µm 100% 100% 10%

4.0 µm 100% 100% 60%

Antlerin tutkimuksessa käytetty nikkeli galvanoitiin. Parannuksia odotetaan ei-elektrolyyttiseltä nikkeliltä, ​​kuten Baudrand 4 vahvistaa. Nämä tulokset ovat kuitenkin 0.5 µm kultaa, jossa taso yleensä saostaa 0.2 µm. Tason voidaan päätellä olevan riittävä 125 ° C: ssa toimiville kosketuselementteille, mutta korkeamman lämpötilan elementit edellyttävät erikoistestausta.

“Mitä paksumpi nikkeli, sitä parempi este kaikissa tapauksissa”, Antler ehdottaa, “mutta PCB -valmistuksen todellisuus rohkaisee insinöörejä tallettamaan vain niin paljon kuin tarvitaan. Tasaista nikkeliä/kultaa käytetään nyt matkapuhelimissa ja hakulaitteissa, jotka käyttävät kosketuslevyn kosketuspisteitä. Tämän tyyppisten elementtien spesifikaatio on vähintään 2 µm nikkeliä.

Liitin

Ei-elektrolyyttistä nikkeli/kulta-upotusta käytetään piirilevyjen valmistuksessa, joissa on jousiliitos, puristussovitus, matalapaineiset liukuliittimet ja muut hitsaamattomat liittimet.

Pistokeliittimet vaativat pidempää fyysistä kestävyyttä. Näissä tapauksissa ei-elektrolyyttiset nikkelipinnoitteet ovat riittävän vahvoja PCB-sovelluksiin, mutta kulta-upotus ei. Erittäin ohut puhdas kulta (60-90 Knoop) hankaa pois nikkelistä toistuvan kitkan aikana. Kun kulta poistetaan, paljastunut nikkeli hapettuu nopeasti, mikä lisää kosketuskestävyyttä.

Ei-elektrolyyttinen nikkelipinnoite/upotus kultaan ei ehkä ole paras valinta pistokeliittimille, jotka kestävät useita teriä tuotteen koko käyttöiän ajan. Nikkeli-/palladium-/kultapintoja suositellaan monikäyttöisille liittimille.

Sulkukerros

Ei-elektrolyyttisen nikkelin tehtävänä on kolme estokerrosta levyllä: 1) estää kuparin leviäminen kultaan; 2) estää kullan leviäminen nikkeliin; 3) Ni3Sn4 -metallien välisten yhdisteiden muodostama nikkelin lähde.

Kuparin diffuusio nikkeliksi

Kuparin siirtyminen nikkelin läpi johtaa kuparin hajoamiseen pintakultaan. Kupari hapettuu nopeasti, mikä johtaa heikkoon hitsattavuuteen kokoonpanon aikana, mikä tapahtuu nikkelivuodon sattuessa. Nikkeliä tarvitaan tyhjien levyjen kulkeutumisen ja leviämisen estämiseksi varastoinnin aikana ja asennuksen aikana, kun levyn muut alueet on hitsattu. Siksi suojakerroksen lämpötilavaatimus on alle minuutti alle 250 ° C.

Turn ja Owen6 ovat tutkineet eri suojakerrosten vaikutusta kupariin ja kultaan. He havaitsivat, että “… Kuparin läpäisevyysarvojen vertailu 400 ° C: ssa ja 550 ° C: ssa osoittaa, että kuusiarvoinen kromi ja nikkeli, joissa on 8-10% fosforipitoisuutta, ovat tehokkaimmat tutkitut suojakerrokset. (taulukko 3).

Taulukko 3. Kuparin tunkeutuminen nikkelistä kultaan

Nikkelin paksuus 400 ° C 24 tuntia 400 ° C 53 tuntia 550 ° C 12 tuntia

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 Ei-diffuusio, ei-diffuusio, ei-diffuusio

Arrhenius -yhtälön mukaan diffuusio alemmissa lämpötiloissa on eksponentiaalisesti hitaampi. Mielenkiintoista on, että tässä kokeessa ei-elektrolyyttinen nikkeli oli 2–10 kertaa tehokkaampi kuin galvanoitu nikkeli. Turn ja Owen huomauttavat, että ”… Tämän seoksen (8%) 2 µm: n (80 μinch) esto vähentää kuparin diffuusion vähäiseksi. ”

Tästä äärilämpötilatestistä vähintään 2 µm nikkelin paksuus on turvallinen eritelmä.

Nikkelin diffuusio kultaksi

Toinen ei-elektrolyyttisen nikkelin vaatimus on, että nikkeli ei kulje kullalla kyllästettyjen ”rakeiden” tai ”hienojen reikien” läpi. Jos nikkeli joutuu kosketuksiin ilman kanssa, se hapettuu. Nikkelioksidia ei voi myydä ja se on vaikea poistaa juoksevalla aineella.

On olemassa useita artikkeleita nikkelistä ja kullasta, joita käytetään keraamisten sirujen kantajina. Nämä materiaalit kestävät kokoonpanon äärimmäisiä lämpötiloja pitkään. Yleinen testi näille pinnoille on 500 ° C 15 minuutin ajan.

Jotta voitaisiin arvioida tasaisten, elektrolyyttisesti käyttämättömien nikkelillä/kullalla kyllästettyjen pintojen kykyä estää nikkelin hapettumista, tutkittiin lämpötilassa vanhentuneiden pintojen hitsattavuutta. Erilaiset lämpö/kosteus ja aikaolosuhteet testattiin. Nämä tutkimukset ovat osoittaneet, että nikkeli on riittävästi suojattu liukenevalla kullalla, mikä mahdollistaa hyvän hitsattavuuden pitkän vanhenemisen jälkeen.

Nikkelin leviäminen kultaan voi joissakin tapauksissa olla rajoittavaa tekijää kokoonpanolle, kuten kullan termoäänilangasidokselle. Tässä sovelluksessa nikkeli/kultapinta on vähemmän kehittynyt kuin nikkeli/palladium/kultapinta. Iacovangelo tutki palladiumin diffuusio -ominaisuuksia nikkelin ja kullan välisenä suojakerroksena ja havaitsi, että 0.5 µm palladium estää siirtymistä jopa äärimmäisissä lämpötiloissa. Tämä tutkimus osoitti myös, että kuparin diffuusio ei tapahtunut 2.5 µm nikkeli/palladiumin läpi Auger -spektroskopialla määritettynä 15 minuutin aikana 500 ° C: ssa.

Nikkelin tina, geneerinen yhdiste

Pinta -asennuksen tai aaltojuotostoiminnon aikana PCB -pinnan atomit sekoitetaan juotosatomien kanssa riippuen metallin diffuusio -ominaisuuksista ja kyvystä muodostaa “metallien välisiä yhdisteitä” (taulukko 4).

Taulukko 4. Piirilevyjen diffuusio hitsauksessa

Metallin lämpötila ° C diffuusio (µinches/ SEC)

Kulta 450 486

Kupari 450 525 4.1

Palladium 450 525 1.4

Nikkeli 700 1.7

Nikkeli/kulta- ja tina/lyijyjärjestelmissä kulta liukenee välittömästi löysäksi tinaksi. Juotos muodostaa vahvan kiinnityksen alla olevaan nikkeliin muodostamalla metallien välisiä Ni3Sn4 -yhdisteitä. Nikkeliä tulee kerätä riittävästi, jotta juote ei pääse kuparin alle.Baderin mittaukset osoittivat, että esteen ylläpitämiseen tarvittiin enintään 0.5 µm nikkeliä jopa yli kuuden lämpötilajakson aikana. Itse asiassa suurin havaittu metallien välinen kerroksen paksuus on alle 0.5 um (20 μinch).

huokoinen

Ei-elektrolyyttisestä nikkelistä/kullasta on vasta äskettäin tullut yleinen lopullinen PCB-pinnoite, joten teolliset menettelyt eivät ehkä sovellu tälle pinnalle. Typpihapon höyryprosessi on saatavilla pistokeliittimenä käytetyn elektrolyyttisen nikkelin/kullan huokoisuuden testaamiseen (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Ei-elektrolyyttinen nikkeli/kyllästys ei läpäise tätä testiä. Eurooppalainen huokoisuusstandardi on kehitetty käyttämällä kaliumferrisyanidia tasapintojen suhteellisen huokoisuuden määrittämiseksi, joka ilmoitetaan huokosina neliömillimetriä kohti (vikoja /mm2). Hyvällä tasaisella pinnalla pitäisi olla alle 10 reikää neliö millimetriä kohti 100 -kertaisella suurennuksella.

johtopäätös

Piirilevyjen valmistusteollisuus on kiinnostunut vähentämään levylle kerrostuneen nikkelin määrää kustannuksista, sykliajasta ja materiaalien yhteensopivuudesta johtuen. Vähimmäisnikkelin pitäisi auttaa estämään kuparin leviämistä kullan pintaan, pitämään hyvä hitsauslujuus ja pitämään kosketusvastus alhaisena. Suurimman nikkelin määrittelyn pitäisi mahdollistaa joustavuutta levyjen valmistuksessa, koska paksuihin nikkelikerrostumiin ei liity vakavia vikamuotoja.

Useimmissa nykypäivän piirilevyissä ei-elektrolyyttinen nikkelipinnoite, jonka paksuus on 2.0 µm (80 µinches), on vaadittu vähimmäispaksuus. Käytännössä PCB: n tuotantoerässä käytetään erilaisia ​​nikkelipaksuuksia (kuva 2). Nikkelin paksuuden muutos johtuu kylpykemikaalien ominaisuuksien muutoksesta ja automaattisen nostokoneen viipymisajan muutoksesta. Vähintään 2.0 µm: n varmistamiseksi loppukäyttäjien vaatimukset vaativat 3.5 µm, vähintään 2.0 µm ja enintään 8.0 µm.

Tämä määritetty nikkelin paksuusalue on osoittautunut sopivaksi miljoonien piirilevyjen valmistukseen. Valikoima täyttää nykypäivän elektroniikan hitsattavuutta, säilyvyyttä ja kosketusvaatimuksia. Koska kokoonpanovaatimukset vaihtelevat tuotteittain, pinnoitteet on ehkä optimoitava kullekin sovellukselle.