Proses pelapisan akhir untuk PCB manufaktur telah mengalami perubahan signifikan dalam beberapa tahun terakhir. 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.

Lapisan akhir digunakan untuk melindungi permukaan foil tembaga sirkuit. Tembaga (Cu) adalah permukaan yang baik untuk komponen pengelasan, tetapi mudah teroksidasi; Tembaga oksida menghambat pembasahan solder. Meskipun emas (Au) sekarang digunakan untuk menutupi tembaga, karena emas tidak teroksidasi; Emas dan tembaga akan dengan cepat menyebar dan meresap satu sama lain. Setiap tembaga yang terbuka akan dengan cepat membentuk oksida tembaga yang tidak dapat dilas. Salah satu pendekatannya adalah dengan menggunakan “lapisan penghalang” nikel (Ni) yang mencegah emas dan tembaga berpindah dan menyediakan permukaan konduktif yang tahan lama untuk perakitan komponen.

Persyaratan PCB untuk pelapisan nikel non-elektrolitik

The non-electrolytic nickel coating should perform several functions:

Permukaan deposit emas

Tujuan akhir dari rangkaian ini adalah untuk membentuk sambungan dengan kekuatan fisik yang tinggi dan karakteristik listrik yang baik antara PCB dan komponen. Jika ada oksida atau kontaminasi pada permukaan PCB, sambungan las ini tidak akan terjadi dengan fluks lemah saat ini.

Deposit emas secara alami di atas nikel dan tidak teroksidasi selama penyimpanan lama. Namun, emas tidak mengendap pada nikel yang teroksidasi, sehingga nikel harus tetap murni antara rendaman nikel dan pelarutan emas. 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.

kekerasan

Permukaan berlapis nikel non-elektrolitik digunakan dalam banyak aplikasi yang membutuhkan kekuatan fisik, seperti bantalan transmisi otomotif. Persyaratan PCB jauh lebih ketat daripada untuk aplikasi ini, tetapi kekerasan tertentu penting untuk ikatan kawat, kontak touchpad, konektor tepi-konektor, dan keberlanjutan pemrosesan.

Ikatan timbal membutuhkan kekerasan nikel. Hilangnya gesekan dapat terjadi jika timbal merusak endapan, yang membantu timbal “meleleh” ke dalam substrat. Gambar SEM menunjukkan tidak ada penetrasi ke permukaan flat nikel/emas atau nikel/paladium (Pd)/emas.

Karakteristik listrik

Tembaga adalah logam pilihan untuk pembentukan sirkuit karena mudah dibuat. Tembaga menghantarkan listrik lebih baik daripada hampir semua logam (tabel 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

Tembaga 1.7 (termasuk cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Lapisan nikel non-elektrolitik 55~90 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. Kehilangan sinyal PCB microwave dapat melebihi spesifikasi perancang. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. Dalam banyak aplikasi, sinyal listrik dapat dikembalikan ke spesifikasi desain dengan menentukan deposit nikel kurang dari 2.5µm.

Resistensi kontak

Resistansi kontak berbeda dari kemampuan las karena permukaan nikel/emas tetap tidak dilas sepanjang umur produk akhir. Nikel/emas harus tetap konduktif terhadap kontak eksternal setelah terpapar lingkungan dalam waktu lama. 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, suhu di mana konektor universal harus beroperasi, sering kali ditentukan untuk aplikasi militer; 200 °C, suhu itu menjadi semakin penting untuk peralatan terbang.”

Untuk suhu rendah, penghalang nikel tidak diperlukan. Dengan meningkatnya suhu, jumlah nikel yang dibutuhkan untuk mencegah transfer nikel/emas meningkat (Tabel II).

Tabel 2. Resistansi kontak nikel/emas (1000 jam)

Lapisan penghalang nikel kontak memuaskan pada 65 ° C kontak memuaskan pada 125 ° C kontak memuaskan pada 200 ° C

0.0 m 100% 40% 0%

0.5 m 100% 90% 5%

2.0 m 100% 100% 10%

4.0 m 100% 100% 60%

Nikel yang digunakan dalam penelitian Antler dilapisi. Perbaikan diharapkan dari nikel non-elektrolitik, seperti yang dikonfirmasi oleh Baudrand 4. Namun, hasil ini untuk emas 0.5 m, di mana bidang biasanya mengendapkan 0.2 m. Pesawat dapat disimpulkan cukup untuk elemen kontak yang beroperasi pada 125°C, tetapi elemen suhu yang lebih tinggi akan memerlukan pengujian khusus.

“Semakin tebal nikel, semakin baik penghalang, dalam semua kasus,” saran Antler, “tetapi kenyataan manufaktur PCB mendorong para insinyur untuk menyimpan nikel hanya sebanyak yang dibutuhkan. Nikel/emas datar sekarang digunakan di telepon seluler dan pager yang menggunakan titik kontak panel sentuh. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

konektor

Perendaman nikel / emas non-elektrolitik digunakan dalam pembuatan papan sirkuit dengan pegas, pas tekan, geser tekanan rendah dan konektor non-las lainnya.

Konektor plug-in membutuhkan daya tahan fisik yang lebih lama. Dalam kasus ini, pelapis nikel non-elektrolitik cukup kuat untuk aplikasi PCB, tetapi perendaman emas tidak. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Ketika emas dihilangkan, nikel yang terpapar teroksidasi dengan cepat, menghasilkan peningkatan resistansi kontak.

Lapisan nikel non-elektrolitik/perendaman emas mungkin bukan pilihan terbaik untuk konektor plug-in yang tahan terhadap banyak sisipan sepanjang masa pakai produk. Permukaan nikel/paladium/emas direkomendasikan untuk konektor multiguna.

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) Sumber nikel yang terbentuk dari senyawa intermetalik Ni3Sn4.

Difusi tembaga menjadi nikel

Pemindahan tembaga melalui nikel akan mengakibatkan penguraian tembaga ke permukaan emas. 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. Oleh karena itu, persyaratan suhu lapisan penghalang kurang dari satu menit di bawah 250 °C.

Turn dan Owen6 telah mempelajari pengaruh lapisan penghalang yang berbeda pada tembaga dan emas. Mereka menemukan bahwa “… Perbandingan nilai permeabilitas tembaga pada suhu 400 °C dan 550 °C menunjukkan bahwa kromium heksavalen dan nikel dengan kandungan fosfor 8-10% merupakan lapisan penghalang yang paling efektif dipelajari”. (tabel 3).

Tabel 3. Penetrasi tembaga melalui nikel menjadi emas

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

0.25 m 1 m 12 m 18 m

0.50 m 1 m 6 m 15 m

1.00 m 1 m 1 M 8 m

2.00 m Non-difusi non-difusi non-difusi

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Menariknya, dalam percobaan ini, nikel non-elektrolitik 2 hingga 10 kali lebih efisien daripada nikel berlapis. Turn dan Owen menunjukkan bahwa “… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Dari uji suhu ekstrim ini, ketebalan nikel minimal 2µm adalah spesifikasi yang aman.

Difusi nikel menjadi emas

Persyaratan kedua nikel non-elektrolitik adalah bahwa nikel tidak bermigrasi melalui “butir” atau “lubang halus” yang diresapi dengan emas. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Ada beberapa artikel tentang nikel dan emas yang digunakan sebagai pembawa chip keramik. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Tes umum untuk permukaan ini adalah 500 ° C selama 15 menit.

Untuk mengevaluasi kemampuan permukaan datar yang diresapi nikel/emas non-elektrolitik untuk mencegah oksidasi nikel, dipelajari kemampuan las permukaan yang berumur temperatur. Different heat/humidity and time conditions were tested. Studi-studi ini telah menunjukkan bahwa nikel cukup terlindungi oleh pelindian emas, memungkinkan kemampuan las yang baik setelah penuaan yang lama.

Difusi nikel menjadi emas mungkin menjadi faktor pembatas untuk perakitan dalam beberapa kasus, seperti ikatan kawat termalsonik emas. Dalam aplikasi ini, permukaan nikel/emas kurang maju dibandingkan permukaan nikel/paladium/emas. 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.

Senyawa intergenerik timah nikel

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).

Tabel 4. Difusivitas bahan PCB dalam pengelasan

Suhu logam °C difusivitas (µinci/ SEC.)

Emas 450 486 117.9 167.5

Tembaga 450 525 4.1 7.0

Paladium 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

Dalam sistem nikel/emas dan timah/timbal, emas segera larut menjadi timah lepas. 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.Pengukuran Bader menunjukkan bahwa tidak lebih dari 0.5µm nikel diperlukan untuk mempertahankan penghalang, bahkan melalui lebih dari enam siklus suhu. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

berpori

Nikel/emas non-elektrolitik baru-baru ini menjadi pelapis permukaan akhir PCB yang umum, sehingga prosedur industri mungkin tidak cocok untuk permukaan ini. Proses uap asam nitrat tersedia untuk menguji porositas nikel/emas elektrolitik yang digunakan sebagai konektor plug-in (IPC-TM-650 2.3.24.2)9. Nikel/impregnasi non-elektrolitik tidak akan lulus tes ini. Standar porositas Eropa telah dikembangkan menggunakan kalium ferricyanide untuk menentukan porositas relatif permukaan datar, yang diberikan dalam bentuk pori per milimeter persegi (bug /mm2). Permukaan datar yang baik harus memiliki kurang dari 10 lubang per milimeter persegi pada perbesaran 100 x.

kesimpulan

Industri manufaktur PCB tertarik untuk mengurangi jumlah nikel yang tersimpan di papan karena alasan biaya, waktu siklus, dan kompatibilitas bahan. Spesifikasi nikel minimum akan membantu mencegah difusi tembaga ke permukaan emas, mempertahankan kekuatan las yang baik, dan menjaga resistansi kontak tetap rendah. Spesifikasi nikel maksimum harus memungkinkan fleksibilitas dalam pembuatan pelat, karena tidak ada mode kegagalan serius yang terkait dengan endapan nikel yang tebal.

Untuk sebagian besar desain papan sirkuit saat ini, lapisan nikel non-elektrolitik 2.0µm (80µinci) adalah ketebalan nikel minimum yang diperlukan. Dalam praktiknya, kisaran ketebalan nikel akan digunakan pada lot produksi PCB (Gambar 2). Perubahan ketebalan nikel akan dihasilkan dari perubahan sifat bahan kimia mandi dan perubahan waktu tinggal mesin pengangkat otomatis. Untuk memastikan minimum 2.0µm, spesifikasi dari pengguna akhir harus memerlukan 3.5µm, minimum 2.0µm, dan maksimum 8.0µm.

Kisaran ketebalan nikel yang ditentukan ini terbukti cocok untuk produksi jutaan papan sirkuit. Rentang ini memenuhi kemampuan las, umur simpan, dan persyaratan kontak elektronik saat ini. Karena persyaratan perakitan berbeda dari satu produk ke produk lainnya, pelapis permukaan mungkin perlu dioptimalkan untuk setiap aplikasi tertentu.