Le processus de revêtement final pour PCB la fabrication a subi d’importants changements ces dernières années. These changes are the result of the constant need to overcome the limitations of HASL(Hot air cohesion) and the growing number of HASL alternatives.

Le revêtement final est utilisé pour protéger la surface de la feuille de cuivre du circuit. Le cuivre (Cu) est une bonne surface pour le soudage de composants, mais il s’oxyde facilement ; L’oxyde de cuivre empêche le mouillage de la soudure. Bien que l’or (Au) soit maintenant utilisé pour recouvrir le cuivre, car l’or ne s’oxyde pas ; L’or et le cuivre vont rapidement se diffuser et s’imprégner l’un de l’autre. Tout cuivre exposé formera rapidement un oxyde de cuivre non soudable. Une approche consiste à utiliser une « couche barrière » de nickel (Ni) qui empêche le transfert de l’or et du cuivre et fournit une surface conductrice durable pour l’assemblage des composants.

Exigences relatives aux PCB pour le revêtement de nickel non électrolytique

The non-electrolytic nickel coating should perform several functions:

La surface d’un gisement d’or

Le but ultime du circuit est de former une connexion avec une résistance physique élevée et de bonnes caractéristiques électriques entre le PCB et les composants. S’il y a de l’oxyde ou de la contamination sur la surface du PCB, ce joint soudé ne se produirait pas avec le faible flux d’aujourd’hui.

L’or se dépose naturellement sur le nickel et ne s’oxyde pas lors d’un stockage prolongé. Cependant, l’or ne se dépose pas sur le nickel oxydé, le nickel doit donc rester pur entre le bain de nickel et la dissolution de l’or. Thus, the first requirement of nickel is to remain oxygen-free long enough to allow gold to precipitate. Components developed chemical leaching baths to allow 6~10% phosphorus content in nickel precipitation. Cette teneur en phosphore dans le revêtement de nickel non électrolytique est considérée comme un équilibre minutieux entre le contrôle du bain, l’oxyde et les propriétés électriques et physiques.

dureté

Les surfaces revêtues de nickel non électrolytiques sont utilisées dans de nombreuses applications qui nécessitent une résistance physique, telles que les roulements de transmission automobile. Les exigences des PCB sont beaucoup moins strictes que celles de ces applications, mais une certaine dureté est importante pour la liaison des fils, les contacts du pavé tactile, les connecteurs de bord et la durabilité du traitement.

Le collage du plomb nécessite une dureté nickel. Une perte de friction peut se produire si le plomb déforme le précipité, ce qui aide le plomb à « fondre » dans le substrat. Les images SEM n’ont montré aucune pénétration dans la surface du nickel/or plat ou du nickel/palladium (Pd)/or.

Caractéristiques électriques

Le cuivre est le métal de choix pour la formation de circuits car il est facile à fabriquer. Le cuivre conduit mieux l’électricité que presque tous les métaux (tableau 1)1,2. Gold also has good electrical conductivity, making it a perfect choice for the outermost metal because electrons tend to flow on the surface of a conductive route (the “surface” benefit).

Table 1. Resistivity of PCB metal

Cuivre 1.7 (dont Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Revêtement nickel non électrolytique 55~90 µ ω cm

Although the electrical characteristics of most production plates are not affected by the nickel layer, nickel can affect the electrical characteristics of high frequency signals. La perte de signal de carte à micro-ondes peut dépasser les spécifications du concepteur. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. Dans de nombreuses applications, les signaux électriques peuvent être restaurés selon les spécifications de conception en spécifiant des dépôts de nickel inférieurs à 2.5 µm.

Résistance de contact

La résistance de contact est différente de la soudabilité car la surface nickel/or reste non soudée pendant toute la durée de vie du produit final. Le nickel/or doit rester conducteur au contact externe après une exposition environnementale prolongée. Antler’s 1970 book expressed nickel/gold surface contact requirements in quantitative terms. Various end-use environments have been studied: 3 “65°C, a normal maximum temperature for electronic systems operating at room temperature, such as computers; 125°C, température à laquelle doivent fonctionner les connecteurs universels, souvent spécifiée pour les applications militaires ; 200°C, cette température devient de plus en plus importante pour les équipements volants.

Pour les basses températures, les barrières de nickel ne sont pas nécessaires. Lorsque la température augmente, la quantité de nickel nécessaire pour empêcher le transfert nickel/or augmente (tableau II).

Tableau 2. Résistance de contact nickel/or (1000 heures)

Couche barrière de nickel contact satisfaisant à 65°C contact satisfaisant à 125°C contact satisfaisant à 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 %

Le nickel utilisé dans l’étude d’Antler était électroplaqué. Des améliorations sont attendues du nickel non électrolytique, comme le confirme Baudrand 4. Cependant, ces résultats sont pour l’or de 0.5 µm, où l’avion précipite habituellement 0.2 µm. Le plan peut être considéré comme suffisant pour les éléments de contact fonctionnant à 125°C, mais les éléments à température plus élevée nécessiteront des tests spécialisés.

« Plus le nickel est épais, meilleure est la barrière, dans tous les cas », suggère Antler, « mais les réalités de la fabrication des PCB encouragent les ingénieurs à ne déposer que la quantité de nickel nécessaire. Le nickel/or plat est maintenant utilisé dans les téléphones cellulaires et les téléavertisseurs qui utilisent des points de contact à pavé tactile. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

Le connecteur

L’immersion nickel/or non électrolytique est utilisée dans la fabrication de cartes de circuits imprimés avec des connecteurs à ajustement par ressort, à ajustement serré, à glissement basse pression et d’autres connecteurs non soudés.

Les connecteurs enfichables nécessitent une durabilité physique plus longue. Dans ces cas, les revêtements de nickel non électrolytiques sont suffisamment résistants pour les applications PCB, mais l’immersion dans l’or ne l’est pas. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Lorsque l’or est retiré, le nickel exposé s’oxyde rapidement, entraînant une augmentation de la résistance de contact.

Le revêtement de nickel non électrolytique/l’immersion dans l’or peuvent ne pas être le meilleur choix pour les connecteurs enfichables qui supportent plusieurs inserts tout au long de la durée de vie du produit. Les surfaces nickel/palladium/or sont recommandées pour les connecteurs polyvalents.

The barrier layer

Non-electrolytic nickel has the function of three barrier layers on the plate: 1) to prevent the diffusion of copper to gold; 2) To prevent the diffusion of gold to nickel; 3) Source de nickel formée par les composés intermétalliques Ni3Sn4.

Diffusion du cuivre au nickel

Le transfert du cuivre à travers le nickel entraînera la décomposition du cuivre en or de surface. The copper will oxidize quickly, resulting in poor weldability during assembly, which occurs in the case of nickel leakage. Nickel is needed to prevent migration and diffusion of empty plates during storage and during assembly when other areas of the plate have been welded. Par conséquent, l’exigence de température de la couche barrière est inférieure à une minute en dessous de 250°C.

Turn et Owen6 ont étudié l’effet de différentes couches barrières sur le cuivre et l’or. Ils ont découvert que « … La comparaison des valeurs de perméabilité du cuivre à 400°C et 550°C montre que le chrome hexavalent et le nickel à 8-10% de phosphore sont les couches barrières les plus efficaces étudiées ». (Tableau 3).

Tableau 3. Pénétration du cuivre à travers le nickel jusqu’à l’or

Nickel thickness 400°C 24 hours 400°C 53 hours 550°C 12 hours

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 Non diffusion non diffusion non diffusion

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Fait intéressant, dans cette expérience, le nickel non électrolytique était 2 à 10 fois plus efficace que le nickel électrolytique. Turn et Owen soulignent que « … A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

À partir de ce test de température extrême, une épaisseur de nickel d’au moins 2 µm est une spécification sûre.

Diffusion du nickel à l’or

La deuxième exigence du nickel non électrolytique est que le nickel ne migre pas à travers des « grains » ou des « trous fins » imprégnés d’or. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Il existe plusieurs articles sur le nickel et l’or utilisés comme supports de puces céramiques. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Un test courant pour ces surfaces est de 500°C pendant 15 minutes.

Afin d’évaluer la capacité des surfaces planes non électrolytiques imprégnées de nickel/or à empêcher l’oxydation du nickel, la soudabilité des surfaces vieillies en température a été étudiée. Different heat/humidity and time conditions were tested. Ces études ont montré que le nickel est suffisamment protégé par la lixiviation de l’or, permettant une bonne soudabilité après un long vieillissement.

La diffusion du nickel à l’or peut être un facteur limitant pour l’assemblage dans certains cas, comme la soudure par fil thermosonique de l’or. Dans cette application, la surface nickel/or est moins avancée que la surface nickel/palladium/or. Iacovangelo investigated the diffusion properties of palladium as a barrier layer between nickel and gold and found that 0.5µm palladium prevents migration even at extreme temperatures. This study also demonstrated that there was no diffusion of copper through 2.5µm of nickel/palladium determined by Auger spectroscopy during 15 minutes at 500°C.

Composé intergénérique nickel-étain

During surface mount or wave soldering operation, atoms from the PCB surface will be mixed with solder atoms, depending on the diffusion properties of the metal and the ability to form “intermetallic compounds” (Table 4).

Tableau 4. Diffusivité des matériaux PCB en soudage

Température du métal °C diffusivité (µinches/ SEC.)

Or 450 486 117.9 167.5

Cuivre 450 525 4.1 7.0

Palladium 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

Dans les systèmes nickel/or et étain/plomb, l’or se dissout immédiatement dans l’étain en vrac. The solder forms a strong attachment to the underlying nickel by forming Ni3Sn4 intermetallic compounds. Enough nickel should be deposited to ensure that the solder will not reach underneath the copper.Les mesures de Bader ont montré qu’il ne fallait pas plus de 0.5 µm de nickel pour maintenir la barrière, même pendant plus de six cycles de température. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

poreux

Le nickel/or non électrolytique n’est que récemment devenu un revêtement de surface de PCB final courant, de sorte que les procédures industrielles peuvent ne pas convenir à cette surface. Un procédé à la vapeur d’acide nitrique est disponible pour tester la porosité du nickel/or électrolytique utilisé comme connecteur enfichable (IPC-TM-650 2.3.24.2)9. Le nickel/imprégnation non électrolytique ne passera pas ce test. Une norme européenne de porosité a été développée en utilisant du ferricyanure de potassium pour déterminer la porosité relative des surfaces planes, qui est donnée en termes de pores par millimètre carré (bugs /mm2). Une bonne surface plane doit avoir moins de 10 trous par millimètre carré à un grossissement de 100 fois.

conclusion

L’industrie de fabrication de PCB souhaite réduire la quantité de nickel déposée sur la carte pour des raisons de coût, de temps de cycle et de compatibilité des matériaux. La spécification minimale du nickel devrait aider à empêcher la diffusion du cuivre à la surface de l’or, à maintenir une bonne résistance de la soudure et à maintenir une faible résistance de contact. La spécification maximale du nickel devrait permettre une flexibilité dans la fabrication des plaques, car aucun mode de défaillance grave n’est associé à des dépôts de nickel épais.

Pour la plupart des conceptions de circuits imprimés d’aujourd’hui, un revêtement de nickel non électrolytique de 2.0 µm (80 µ pouces) est l’épaisseur minimale de nickel requise. En pratique, une gamme d’épaisseurs de nickel sera utilisée sur un lot de production de PCB (Figure 2). Le changement d’épaisseur de nickel résultera du changement des propriétés des produits chimiques du bain et du changement du temps de séjour de la machine de levage automatique. Pour garantir un minimum de 2.0 µm, les spécifications des utilisateurs finaux doivent exiger 3.5 µm, un minimum de 2.0 µm et un maximum de 8.0 µm.

Cette gamme spécifiée d’épaisseur de nickel s’est avérée appropriée pour la production de millions de cartes de circuits imprimés. La gamme répond aux exigences de soudabilité, de durée de vie et de contact de l’électronique d’aujourd’hui. Les exigences d’assemblage étant différentes d’un produit à l’autre, il peut être nécessaire d’optimiser les revêtements de surface pour chaque application particulière.