O proceso de revestimento final para PCB a fabricación sufriu cambios significativos nos últimos anos. 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.

O revestimento final úsase para protexer a superficie da folla de cobre do circuíto. O cobre (Cu) é unha boa superficie para soldar compoñentes, pero é facilmente oxidable; O óxido de cobre impide a humidificación da soldadura. Aínda que agora se usa o ouro (Au) para cubrir o cobre, porque o ouro non se oxida; O ouro e o cobre difundiranse rápidamente e impregnaranse mutuamente. Calquera cobre exposto formará rapidamente un óxido de cobre non soldable. Un dos enfoques é empregar unha “capa barreira” de níquel (Ni) que impida a transferencia de ouro e cobre e proporciona unha superficie condutora e duradeira para a montaxe de compoñentes.

Requisitos de PCB para recubrimento de níquel non electrolítico

O revestimento de níquel non electrolítico debería realizar varias funcións:

A superficie dun depósito de ouro

O propósito final do circuíto é formar unha conexión con alta resistencia física e boas características eléctricas entre PCB e compoñentes. Se hai algún óxido ou contaminación na superficie do PCB, esta unión soldada non se produciría co fluxo débil actual.

O ouro deposítase naturalmente sobre o níquel e non se oxida durante un longo almacenamento. Non obstante, o ouro non se asenta sobre o níquel oxidado, polo que o níquel debe permanecer puro entre o baño de níquel e a disolución do ouro. 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. Este contido de fósforo no revestimento de níquel non electrolítico considérase como un coidadoso equilibrio entre o control do baño, o óxido e as propiedades eléctricas e físicas.

dureza

As superficies recubertas de níquel non electrolíticas úsanse en moitas aplicacións que requiren resistencia física, como rodamentos de transmisión automotiva. Os requirimentos de PCB son moito menos rigorosos que os destas aplicacións, pero unha certa dureza é importante para a conexión de fíos, os contactos do panel táctil, os conectores de conectores de borde e a sustentabilidade do procesamento.

A unión con chumbo require unha dureza de níquel. A perda de fricción pode producirse se o chumbo deforma o precipitado, o que axuda a que o chumbo se “derrita” no substrato. As imaxes SEM non mostraron penetración na superficie de níquel plano / ouro ou níquel / paladio (Pd) / ouro.

Características eléctricas

O cobre é o metal escollido para a formación de circuítos porque é fácil de fabricar. O cobre conduce a electricidade mellor que case todos os metais (táboa 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

Cobre 1.7 (incluído Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Revestimento de níquel non electrolítico de 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. A perda de sinal do microondas pode superar as especificacións do deseñador. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. En moitas aplicacións, os sinais eléctricos pódense restaurar á especificación de deseño especificando depósitos de níquel de menos de 2.5 µm.

Resistencia ao contacto

A resistencia ao contacto é diferente da soldabilidade porque a superficie de níquel / ouro permanece sen soldar ao longo da vida útil do produto final. O níquel / ouro debe permanecer condutor ao contacto externo despois dunha exposición ambiental prolongada. 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, a temperatura á que deben funcionar os conectores universais, a miúdo especificada para aplicacións militares; 200 ° C, esa temperatura é cada vez máis importante para os equipos de voo. “

Para baixas temperaturas, non son necesarias barreiras de níquel. A medida que aumenta a temperatura, a cantidade de níquel necesaria para evitar a transferencia de níquel / ouro aumenta (táboa II).

Táboa 2. Resistencia ao contacto de níquel / ouro (1000 horas)

Capa barreira 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%

O níquel empregado no estudo de Antler foi galvanizado. Agárdase melloras no níquel non electrolítico, como confirmou Baudrand 4. Non obstante, estes resultados son de 0.5 µm de ouro, onde o plano normalmente precipita 0.2 µm. Pódese deducir que o plano é suficiente para os elementos de contacto que funcionan a 125 ° C, pero os elementos con temperatura máis alta requirirán probas especializadas.

“Canto máis groso é o níquel, mellor será a barreira, en todos os casos”, suxire Antler, “pero as realidades da fabricación de PCB animan aos enxeñeiros a depositar só o níquel necesario. O níquel plano / ouro úsase agora en teléfonos móbiles e buscadores que usan puntos de contacto con teclado táctil. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

O conector

A inmersión non electrolítica en níquel / ouro úsase na fabricación de placas de circuítos con axuste por resorte, axuste por presión, corrediza de baixa presión e outros conectores non soldados.

Os conectores enchufables requiren unha maior durabilidade física. Nestes casos, os recubrimentos de níquel non electrolíticos son suficientemente resistentes para aplicacións de PCB, pero a inmersión en ouro non. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Cando se elimina o ouro, o níquel exposto oxídase rapidamente, dando lugar a un aumento da resistencia ao contacto.

É posible que o revestimento de níquel non electrolítico / inmersión en ouro non sexa a mellor opción para conectores enchufables que soportan múltiples insercións ao longo da vida do produto. Recoméndanse superficies de níquel / paladio / ouro para conectores multiusos.

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) Fonte de níquel formada por compostos intermetálicos de Ni3Sn4.

Difusión do cobre ao níquel

A transferencia de cobre a través do níquel producirá a descomposición do cobre a ouro superficial. 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. Polo tanto, a temperatura requirida para a capa barreira é inferior a un minuto por debaixo dos 250 ° C.

Turn e Owen6 estudaron o efecto de diferentes capas barreira sobre o cobre e o ouro. Descubriron que “… A comparación dos valores de permeabilidade do cobre a 400 ° C e 550 ° C mostra que o cromo e o níquel hexavalentes cun contido de fósforo do 8-10% son as capas de barreira máis efectivas estudadas “. (táboa 3).

Táboa 3. Penetración do cobre a través do níquel ata o ouro

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 µ M 8 µm

2.00 µm Non difusión non difusión non difusión

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Curiosamente, neste experimento, o níquel non electrolítico foi de 2 a 10 veces máis eficiente que o níquel galvanizado. Turn e Owen sinalaron que “… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

A partir desta proba de temperatura extrema, un espesor de níquel de polo menos 2 µm é unha especificación segura.

Difusión de níquel a ouro

O segundo requisito do níquel non electrolítico é que o níquel non migre a través de “grans” ou “buratos finos” impregnados de ouro. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Hai varios artigos sobre o níquel e o ouro empregados como portadores de astillas cerámicas. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Unha proba común para estas superficies é de 500 ° C durante 15 minutos.

Co fin de avaliar a capacidade das superficies planas impregnadas de níquel / ouro non electrolíticas para evitar a oxidación do níquel, estudouse a soldabilidade das superficies envellecidas por temperatura. Different heat/humidity and time conditions were tested. Estes estudos demostraron que o níquel está adecuadamente protexido por lixiviación de ouro, o que permite unha boa soldabilidade despois dun longo envellecemento.

A difusión de níquel a ouro pode ser un factor limitante para a montaxe nalgúns casos, como o enlace de fíos termalsónicos de ouro. Nesta aplicación, a superficie de níquel / ouro está menos avanzada que a superficie de níquel / paladio / ouro. 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.

Composto interxénero de níquel-estaño

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).

Táboa 4. Difusividade dos materiais PCB na soldadura

Difusividade da temperatura do metal en ° C (µinches / SEC.)

Ouro 450 486 117.9 167.5

Cobre 450 525 4.1 7.0

Paladio 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

Nos sistemas de níquel / ouro e estaño / chumbo, o ouro disólvese inmediatamente en estaño solto. 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.As medicións de Bader mostraron que non se precisaba máis de 0.5 µm de níquel para manter a barreira, incluso a través de máis de seis ciclos de temperatura. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

poroso

O níquel / ouro non electrolítico converteuse recentemente nun recubrimento superficial final común de PCB, polo que os procedementos industriais poden non ser adecuados para esta superficie. Está dispoñible un proceso de vapor de ácido nítrico para probar a porosidade do níquel / ouro electrolítico usado como conector enchufable (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. O níquel / impregnación non electrolítico non superará esta proba. Desenvolveuse un estándar europeo de porosidade usando ferricianuro de potasio para determinar a porosidade relativa das superficies planas, que se dá en termos de poros por milímetro cadrado (errores / mm2). Unha boa superficie plana debería ter menos de 10 buratos por milímetro cadrado a un aumento de 100 x.

conclusión

A industria fabricante de PCB está interesada en reducir a cantidade de níquel depositada na tarxeta por razóns de custo, tempo de ciclo e compatibilidade de materiais. A especificación mínima de níquel debería axudar a evitar a difusión do cobre á superficie do ouro, manter unha boa resistencia á soldadura e manter baixa a resistencia ao contacto. A especificación máxima de níquel debería permitir a flexibilidade na fabricación de placas, xa que non se asocian modos graves de falla con depósitos de níquel groso.

Para a maioría dos deseños de placas de circuíto actuais, o espesor mínimo de níquel necesario é un revestimento non electrolítico de níquel de 2.0 µm (80 µm). Na práctica, empregarase unha serie de espesores de níquel nun lote de produción do PCB (Figura 2). O cambio no espesor do níquel resultará do cambio nas propiedades dos produtos químicos do baño e do cambio no tempo de permanencia da máquina de elevación automática. Para garantir un mínimo de 2.0 µm, as especificacións dos usuarios finais deberían requirir 3.5 µm, un mínimo de 2.0 µm e un máximo de 8.0 µm.

Este rango especificado de espesor de níquel demostrou ser adecuado para a produción de millóns de placas de circuíto. A gama cumpre coa soldabilidade, a vida útil e os requisitos de contacto da electrónica actual. Debido a que os requisitos de montaxe son diferentes dun produto a outro, é posible que teña que optimizarse os revestimentos superficiais para cada aplicación en particular.