Završni postupak premazivanja za PCB proizvodnja je posljednjih godina doživjela značajne promjene. 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.

Završni premaz koristi se za zaštitu površine kruga bakrene folije. Bakar (Cu) je dobra površina za zavarivanje komponenti, ali se lako oksidira; Bakrov oksid ometa vlaženje lema. Iako se zlato (Au) sada koristi za pokrivanje bakra, jer zlato ne oksidira; Zlato i bakar brzo će se raspršiti i prožimati jedno drugo. Svaki izloženi bakar brzo će stvoriti nezavarljivi bakreni oksid. Jedan od pristupa je korištenje “barijernog sloja” od nikla (Ni) koji sprječava prijenos zlata i bakra i pruža trajnu, vodljivu površinu za sastavljanje komponenti.

Zahtjevi za PCB za neelektrolitičku prevlaku od nikla

Neelektrolitička prevlaka od nikla trebala bi obavljati nekoliko funkcija:

Površina ležišta zlata

Konačna svrha kruga je uspostaviti vezu s visokom fizičkom čvrstoćom i dobrim električnim karakteristikama između PCB -a i komponenti. Ako na površini PCB -a postoji oksid ili onečišćenje, do ovog zavarenog spoja ne bi došlo pri današnjem slabom fluksu.

Zlato se prirodno taloži na niklu i ne oksidira tijekom dugog skladištenja. Međutim, zlato se ne taloži na oksidiranom niklu, pa nikal mora ostati čist između kupke nikla i otapanja zlata. 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. Ovaj sadržaj fosfora u ne-elektrolitičkoj prevlaci nikla smatra se pažljivom ravnotežom kontrole kupke, oksida te električnih i fizičkih svojstava.

tvrdoća

Površine presvučene elektrolitom bez nikla koriste se u mnogim aplikacijama koje zahtijevaju fizičku snagu, poput ležajeva za prijenos automobila. Zahtjevi za PCB su daleko manje strogi od onih za ove primjene, ali određena tvrdoća važna je za spajanje žicom, kontakte dodirne podloge, konektore rubnih konektora i održivost obrade.

Za lijepljenje olova potrebna je tvrdoća nikla. Gubitak trenja može nastati ako olovo deformira talog, što pomaže da se olovo „otopi“ u podlogu. SEM snimke nisu pokazale prodor na površinu ravnog nikla/zlata ili nikla/paladija (Pd)/zlata.

Električne karakteristike

Bakar je metal izbora za stvaranje krugova jer se lako izrađuje. Bakar provodi električnu struju bolje od gotovo svakog metala (tablica 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

Bakar 1.7 (uključujući Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Neelektrolitička prevlaka od nikla 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. Gubitak signala PCB -a u mikrovalnoj pećnici može premašiti specifikacije dizajnera. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. U mnogim primjenama električni signali mogu se vratiti u skladu s projektnom specifikacijom specificiranjem naslaga nikla manjih od 2.5 μm.

Otpornost na kontakt

Kontaktna otpornost razlikuje se od zavarivanja jer površina nikla/zlata ostaje nezavarena tijekom vijeka trajanja krajnjeg proizvoda. Nikl/zlato mora ostati provodljivo za vanjski kontakt nakon duže izloženosti okolišu. 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, temperatura na kojoj univerzalni konektori moraju raditi, često navedena za vojne primjene; 200 ° C, ta temperatura postaje sve važnija za leteću opremu. “

Za niske temperature, nikl barijere nisu potrebne. S povećanjem temperature povećava se količina nikla potrebna za sprječavanje prijenosa nikla/zlata (Tablica II).

Tablica 2. Otpornost kontakta nikla/zlata (1000 sati)

Sloj pregrade od nikla zadovoljavajući kontakt na 65 ° C zadovoljavajući kontakt na 125 ° C zadovoljavajući kontakt na 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%

Nikl upotrijebljen u Antlerovoj studiji bio je galvaniziran. Očekuje se poboljšanje neelektrolitičkog nikla, što je potvrdio Baudrand 4. Međutim, ti su rezultati za 0.5 µm zlata, gdje se ravnina obično taloži 0.2 µm. Može se zaključiti da je ravnina dovoljna za kontaktne elemente koji rade na 125 ° C, ali će elementi s višom temperaturom zahtijevati specijalizirana ispitivanja.

„Što je nikal deblji, to je barijera bolja u svim slučajevima“, kaže Antler, „ali realnost proizvodnje PCB -a potiče inženjere da deponiraju samo onoliko nikla koliko je potrebno. Ravni nikal/zlato sada se koristi u mobitelima i dojavljivačima koji koriste dodirne točke dodirne podloge. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

Priključak

Neelektrolitičko uranjanje u nikal/zlato koristi se u proizvodnji pločica sa oprugom, prešanjem, niskotlačnim kliznim i drugim zavarenim konektorima.

Utični konektori zahtijevaju dulju fizičku izdržljivost. U tim su slučajevima neelektrolitički premazi od nikla dovoljno jaki za primjenu na PCB-u, ali potapanje u zlato nije. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Kad se zlato ukloni, izloženi nikal brzo oksidira, što rezultira povećanjem otpornosti na kontakt.

Neelektrolitička prevlaka od nikla/potapanje u zlato možda nije najbolji izbor za utične konektore koji podnose više umetka tijekom vijeka trajanja proizvoda. Površine od nikla/paladija/zlata preporučuju se za višenamjenske konektore.

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) Izvor nikla koji tvore intermetalni spojevi Ni3Sn4.

Difuzija bakra u nikal

Prijenos bakra kroz nikal rezultirat će razgradnjom bakra na površinsko zlato. 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. Stoga je temperatura temperature barijernog sloja manja od jedne minute ispod 250 ° C.

Turn i Owen6 proučavali su učinak različitih barijernih slojeva na bakar i zlato. Otkrili su da „… Usporedba vrijednosti propusnosti bakra na 400 ° C i 550 ° C pokazuje da su šestovalentni krom i nikal sa 8-10% sadržaja fosfora najučinkovitiji proučavani slojevi barijera “. (tablica 3).

Tablica 3. Prodor bakra kroz nikal u zlato

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 Ne-difuzijska nedifuzijska ne-difuzija

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Zanimljivo je da je u ovom pokusu ne-elektrolitički nikal bio 2 do 10 puta učinkovitiji od galvaniziranog nikla. Turn i Owen ističu da „… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Iz ovog ispitivanja ekstremne temperature, debljina nikla od najmanje 2 μm sigurna je specifikacija.

Difuzija nikla u zlato

Drugi zahtjev neelektrolitičkog nikla je da nikal ne migrira kroz “zrna” ili “fine rupe” impregnirane zlatom. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Postoji nekoliko članaka o niklu i zlatu koji se koriste kao nosači keramičkih čipova. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Uobičajen test za ove površine je 500 ° C tijekom 15 minuta.

Kako bi se procijenila sposobnost ravnih neelektrolitičkih površina impregniranih niklom/zlatom da spriječe oksidaciju nikla, proučavana je zavarljivost površina podvrgnutih temperaturi. Different heat/humidity and time conditions were tested. Ove su studije pokazale da je nikal adekvatno zaštićen ispiranjem zlata, što omogućuje dobro zavarivanje nakon dugog starenja.

Difuzija nikla u zlato može u nekim slučajevima biti ograničavajući faktor za sastavljanje, poput zlatnog termosoničnog lijepljenja. U ovoj primjeni površina nikla/zlata je manje napredna od površine nikla/paladija/zlata. 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.

Međugenerički spoj nikl -kositar

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).

Tablica 4. Difuznost PCB materijala pri zavarivanju

Temperatura metala ° C difuzivnost (µinches/ SEC.)

Zlato 450 486 117.9 167.5

Bakar 450 525 4.1 7.0

Paladij 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

U sustavima nikla/zlata i kositra/olova, zlato se odmah otapa u rastresit lim. 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.Baderova mjerenja pokazala su da za održavanje barijere nije potrebno više od 0.5 μm nikla, čak ni kroz više od šest temperaturnih ciklusa. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

porozan

Neelektrolitički nikal/zlato tek je nedavno postao uobičajeni završni premaz za PCB, pa industrijski postupci možda nisu prikladni za ovu površinu. Dostupan je postupak pare dušične kiseline za ispitivanje poroznosti elektrolitskog nikla/zlata koji se koristi kao utični konektor (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Neelektrolitički nikal/impregnacija neće proći ovaj test. Europski standard poroznosti razvijen je korištenjem kalijevog fericianida za određivanje relativne poroznosti ravnih površina, koja se daje u smislu pora po kvadratnom milimetru (greške /mm2). Dobra ravna površina trebala bi imati manje od 10 rupa po kvadratnom milimetru pri uvećanju 100 x.

zaključak

Industrija proizvodnje PCB -a zainteresirana je za smanjenje količine nikla deponiranog na ploči iz razloga troškova, vremena ciklusa i kompatibilnosti materijala. Minimalne specifikacije nikla trebale bi spriječiti širenje bakra na površinu zlata, održati dobru čvrstoću zavara i održavati nisku otpornost kontakta. Maksimalne specifikacije nikla trebale bi omogućiti fleksibilnost u proizvodnji ploča jer s debelim naslagama nikla nisu povezani ozbiljni načini kvara.

Za većinu današnjih dizajna ploča, ne-elektrolitička prevlaka od nikla od 2.0 µm (80 µ inča) minimalna je potrebna debljina nikla. U praksi će se na proizvodnoj seriji PCB -a koristiti niz debljina nikla (slika 2). Promjena debljine nikla bit će posljedica promjene svojstava kemikalija za kupanje i promjene vremena zadržavanja automatskog stroja za podizanje. Kako bi se osiguralo najmanje 2.0 μm, specifikacije krajnjih korisnika trebaju zahtijevati 3.5 μm, minimalno 2.0 μm i maksimalno 8.0 μm.

Ovaj specificirani raspon debljine nikla pokazao se prikladnim za proizvodnju milijuna pločica. Asortiman zadovoljava zahtjeve zavarivanja, trajanja i kontakta današnje elektronike. Budući da se zahtjevi za montažu razlikuju od proizvoda do proizvoda, možda će biti potrebno optimizirati površinske premaze za svaku pojedinu primjenu.