A végső bevonási folyamat PCB a gyártás jelentős változásokon ment keresztül az elmúlt években. 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.

A végső bevonatot az áramkör rézfólia felületének védelmére használják. A réz (Cu) jó felület az alkatrészek hegesztéséhez, de könnyen oxidálható; A réz -oxid gátolja a forrasztás nedvesedését. Bár ma aranyat (Au) használnak a réz bevonására, mert az arany nem oxidálódik; Az arany és a réz gyorsan diffundál és áthatja egymást. Bármely kitett réz gyorsan hegeszthetetlen réz-oxidot képez. Az egyik megközelítés egy nikkel (Ni) „gátréteg” használata, amely megakadályozza az arany és a réz átvitelét, és tartós, vezető felületet biztosít az alkatrészek összeszereléséhez.

PCB-követelmények nem elektrolitikus nikkelbevonathoz

The non-electrolytic nickel coating should perform several functions:

Aranybetét felszíne

Az áramkör végső célja nagy fizikai szilárdságú és jó elektromos jellemzőkkel rendelkező kapcsolat kialakítása a NYÁK és az alkatrészek között. Ha oxid vagy szennyeződés van a NYÁK felületén, akkor ez a hegesztett kötés a mai gyenge fluxus mellett nem fordul elő.

Az arany természetesen lerakódik a nikkel tetejére, és nem oxidálódik hosszú tárolás során. Az arany azonban nem ülepedik le az oxidált nikkelre, ezért a nikkelnek tisztának kell maradnia a nikkelfürdő és az arany feloldódása között. 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. This phosphorus content in the non-electrolytic nickel coating is considered as a careful balance of bath control, oxide, and electrical and physical properties.

keménység

A nem elektrolitikus nikkelbevonatú felületeket sok olyan alkalmazásban használják, amelyek fizikai erőt igényelnek, például az autó hajtómű csapágyai. A NYÁK-követelmények sokkal kevésbé szigorúak, mint ezeknél az alkalmazásoknál, de bizonyos keménység fontos a huzalkötés, az érintőpad érintkezői, az él-konnetor csatlakozók és a feldolgozás fenntarthatósága szempontjából.

Az ólomkötéshez nikkel keménység szükséges. Súrlódásveszteség léphet fel, ha az ólom deformálja a csapadékot, ami elősegíti az ólom „olvadását” az aljzatba. A SEM képek nem mutattak be lapos nikkel/arany vagy nikkel/palládium (Pd)/arany felületét.

Elektromos jellemzők

A réz a választott fém az áramkörök kialakításában, mivel könnyen elkészíthető. A réz szinte minden fémnél jobban vezeti az áramot (1. táblázat) 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

Réz 1.7 (Ω cm -rel együtt)

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Nem elektrolitikus nikkel bevonat 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 mikrohullámú PCB jelvesztesége meghaladhatja a tervezői előírásokat. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. Sok alkalmazásban az elektromos jeleket vissza lehet állítani a tervezési előírásokhoz, ha megadják a 2.5 µm -nél kisebb nikkellerakódásokat.

Érintkezési ellenállás

Az érintkezési ellenállás eltér a hegeszthetőségtől, mivel a nikkel/arany felület hegesztetlen marad a végtermék élettartama alatt. A nikkelnek/aranynak hosszan tartó környezeti expozíció után vezetnie kell a külső érintkezést. 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, az a hőmérséklet, amelyen az univerzális csatlakozóknak működniük kell, gyakran katonai célokra; 200 ° C, ez a hőmérséklet egyre fontosabb a repülőgépek számára. ”

Alacsony hőmérsékleten nikkel korlát nem szükséges. As the temperature increases, the amount of nickel required to prevent nickel/gold transfer increases (Table II).

2. táblázat: nikkel/arany érintkezési ellenállása (1000 óra)

Nikkel gátréteg kielégítő érintkezés 65 ° C -on kielégítő érintkezés 125 ° C -on kielégítő érintkezés 200 ° C -on

0.0 µm 100% 40% 0%

0.5 µm 100% 90% 5%

2.0 µm 100% 100% 10%

4.0 µm 100% 100% 60%

Az Antler tanulmányában használt nikkel galvanizált. Javulást várnak a nem elektrolitikus nikkeltől, ezt Baudrand 4 is megerősítette. Ezek az eredmények azonban 0.5 µm aranyra vonatkoznak, ahol a sík általában 0.2 µm -t kicsap. A síkból arra lehet következtetni, hogy elegendő a 125 ° C -on működő érintkező elemekhez, de a magasabb hőmérsékletű elemek speciális vizsgálatot igényelnek.

„Minél vastagabb a nikkel, annál jobb a gát minden esetben – javasolja Antler -, de a NYÁK -gyártás valósága arra ösztönzi a mérnököket, hogy csak annyi nikkelt rakjanak le, amennyire szükség van. A lapos nikkelt/aranyat ma már használják az érintőpados érintkezési pontokat használó mobiltelefonokban és személyhívókban. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

A csatlakozó

Nem elektrolitikus nikkel/arany merítést használnak rugós illesztésű, préselhető, alacsony nyomású csúszó és egyéb nem hegesztett csatlakozókkal ellátott áramköri lapok gyártásához.

A dugaszolható csatlakozók hosszabb fizikai tartósságot igényelnek. Ezekben az esetekben a nem elektrolitikus nikkelbevonatok elég erősek a PCB alkalmazásokhoz, de az aranyba merítés nem. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Az arany eltávolításakor a kitett nikkel gyorsan oxidálódik, ami növeli az érintkezési ellenállást.

A nem elektrolitikus nikkelbevonat/aranyba merítés nem biztos, hogy a legjobb választás azokhoz a dugaszolható csatlakozókhoz, amelyek a termék teljes élettartama alatt több betétet is kibírnak. A többcélú csatlakozókhoz nikkel/palládium/arany felület ajánlott.

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) Ni3Sn4 intermetallikus vegyületek által képzett nikkelforrás.

A réz diffúziója nikkelhez

A réz nikkelben történő átvitele a réz felszíni aranyra bomlását eredményezi. 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. Ezért a gátréteg hőmérsékletigénye kevesebb, mint egy perc 250 ° C alatt.

Turn és Owen6 tanulmányozták a különböző gátrétegek rézre és aranyra gyakorolt ​​hatását. Azt találták, hogy „… A réz permeabilitási értékeinek összehasonlítása 400 ° C és 550 ° C hőmérsékleten azt mutatja, hogy a hatértékű króm és a 8-10% foszfortartalmú nikkel a leghatékonyabb vizsgált gátrétegek. (3. táblázat).

3. táblázat: A réz áthatolása a nikkeltől az aranyig

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 Nem diffúziós nem diffúziós nem diffúzió

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Érdekes, hogy ebben a kísérletben a nem elektrolitikus nikkel 2-10-szer hatékonyabb volt, mint a galvanizált nikkel. Turn és Owen rámutatnak, hogy „… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Ebből a szélsőséges hőmérsékleti vizsgálatból a legalább 2 µm -es nikkelvastagság biztonságos előírás.

A nikkel diffúziója az aranyhoz

A nem elektrolitikus nikkel második követelménye, hogy a nikkel ne vándoroljon át arannyal átitatott „szemcséken” vagy „finom lyukakon”. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Számos cikk található a nikkelről és az aranyról, amelyeket kerámia forgácshordozóként használnak. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Ezekre a felületekre egy általános teszt 500 ° C 15 percig.

Annak érdekében, hogy felmérhessük a lapos, nem elektrolitikus nikkel/arany impregnált felületek képességét a nikkel oxidációjának megakadályozására, megvizsgáltuk a hőmérsékleten öregített felületek hegeszthetőségét. Different heat/humidity and time conditions were tested. Ezek a vizsgálatok kimutatták, hogy a nikkel megfelelően védett az arany kilúgozásával, ami lehetővé teszi a jó hegeszthetőséget hosszú érlelés után.

A nikkel aranyba történő diffúziója bizonyos esetekben korlátozó tényező lehet az összeszereléshez, például az arany termoszonos huzalkötéshez. Ebben az alkalmazásban a nikkel/arany felület kevésbé fejlett, mint a nikkel/palládium/arany felület. 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.

Nikkel -ón intergenerikus vegyület

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).

4. táblázat. PCB -anyagok diffúzitása hegesztésben

Fém hőmérséklet ° C diffúzivitás (µinches/ SEC)

Arany 450 486 117.9 167.5

Réz 450 525 4.1 7.0

Palladium 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

Nikkel/arany és ón/ólom rendszerekben az arany azonnal feloldódik laza ónban. 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.Bader mérései azt mutatták, hogy legfeljebb 0.5 µm nikkel szükséges a gát fenntartásához, még több mint hat hőmérsékleti cikluson keresztül. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

porózus

A nem elektrolitikus nikkel/arany csak a közelmúltban vált szokásos végleges PCB felületbevonatossá, ezért előfordulhat, hogy az ipari eljárások nem alkalmasak erre a felületre. Salétromsav-gőz eljárás áll rendelkezésre a dugaszolható csatlakozóként használt elektrolitikus nikkel/arany porozitásának ellenőrzésére (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. A nem elektrolitikus nikkel/impregnálás nem felel meg ennek a tesztnek. Kálium -ferricianid felhasználásával európai porozitási szabványt dolgoztak ki a lapos felületek relatív porozitásának meghatározására, amelyet a pórusok négyzetmilliméterenként (bogarak /mm2) adnak meg. Egy jó sík felületnek kevesebb, mint 10 lyuknak kell lennie négyzetmilliméterenként 100 -szoros nagyítással.

következtetés

A NYÁK -feldolgozóipar a költségek, a ciklusidő és az anyagkompatibilitás miatt érdekelt abban, hogy csökkentse a táblán elhelyezett nikkel mennyiségét. A minimális nikkel specifikációnak meg kell akadályoznia a réz diffúzióját az arany felületre, meg kell tartania a jó hegesztési szilárdságot és alacsonyan kell tartania az érintkezési ellenállást. A maximális nikkel specifikációnak lehetővé kell tennie a lemezgyártás rugalmasságát, mivel a vastag nikkellerakódások nem járnak súlyos meghibásodási módokkal.

A legtöbb mai áramköri lapterv esetében a nem szükséges elektrolitikus nikkelbevonat 2.0 µm (80 μ hüvelyk) a minimális szükséges nikkelvastagság. A gyakorlatban a nikkelvastagságok tartományát fogják használni a NYÁK gyártási tételén (2. ábra). A nikkelvastagság változása a fürdőkemikáliák tulajdonságainak megváltozásából és az automatikus emelőgép tartózkodási idejének változásából adódik. A minimum 2.0 µm biztosítása érdekében a végfelhasználói előírásoknak 3.5 µm, minimum 2.0 µm és legfeljebb 8.0 µm méretet kell előírniuk.

Ez a meghatározott nikkelvastagság -tartomány alkalmasnak bizonyult több millió áramköri lap gyártására. A termékcsalád megfelel a mai elektronika hegeszthetőségi, eltarthatósági és érintkezési követelményeinek. Mivel az összeszerelési követelmények termékenként eltérőek, a felületi bevonatokat minden egyes alkalmazáshoz optimalizálni kell.