Il processo di rivestimento finale per PCB la produzione ha subito notevoli cambiamenti negli ultimi anni. Questi cambiamenti sono il risultato della costante necessità di superare i limiti dell’HASL (Coesione dell’aria calda) e del numero crescente di alternative HASL.

Il rivestimento finale viene utilizzato per proteggere la superficie della lamina di rame del circuito. Il rame (Cu) è una buona superficie per la saldatura di componenti, ma si ossida facilmente; L’ossido di rame impedisce la bagnatura della saldatura. Sebbene l’oro (Au) sia ora utilizzato per coprire il rame, perché l’oro non si ossida; Oro e rame si diffonderanno rapidamente e si permeeranno a vicenda. Qualsiasi rame esposto formerà rapidamente un ossido di rame non saldabile. Un approccio consiste nell’utilizzare uno “strato barriera” di nichel (Ni) che impedisce il trasferimento di oro e rame e fornisce una superficie resistente e conduttiva per l’assemblaggio dei componenti.

Requisiti PCB per il rivestimento in nichel non elettrolitico

Il rivestimento in nichel non elettrolitico dovrebbe svolgere diverse funzioni:

La superficie di un deposito d’oro

Lo scopo ultimo del circuito è quello di formare una connessione con elevata resistenza fisica e buone caratteristiche elettriche tra PCB e componenti. Se c’è ossido o contaminazione sulla superficie del PCB, questo giunto saldato non si verificherebbe con il flusso debole di oggi.

L’oro si deposita naturalmente sopra il nichel e non si ossida durante il lungo stoccaggio. Tuttavia, l’oro non si deposita sul nichel ossidato, quindi il nichel deve rimanere puro tra il bagno di nichel e la dissoluzione dell’oro. Pertanto, il primo requisito del nichel è quello di rimanere privo di ossigeno abbastanza a lungo da consentire la precipitazione dell’oro. I componenti hanno sviluppato bagni di lisciviazione chimica per consentire un contenuto di fosforo del 6~10% nella precipitazione del nichel. Questo contenuto di fosforo nel rivestimento di nichel non elettrolitico è considerato un attento equilibrio tra controllo del bagno, ossido e proprietà elettriche e fisiche.

durezza

Le superfici rivestite di nichel non elettrolitico sono utilizzate in molte applicazioni che richiedono resistenza fisica, come i cuscinetti delle trasmissioni automobilistiche. I requisiti PCB sono molto meno rigorosi di quelli per queste applicazioni, ma una certa durezza è importante per il collegamento dei cavi, i contatti del touchpad, i connettori edge-connetor e la sostenibilità dell’elaborazione.

L’incollaggio del piombo richiede una durezza di nichel. La perdita di attrito può verificarsi se il piombo deforma il precipitato, il che aiuta il piombo a “sciogliersi” nel substrato. Le immagini SEM non hanno mostrato penetrazione nella superficie di nichel/oro piatto o nichel/palladio (Pd)/oro.

Caratteristiche elettriche

Il rame è il metallo preferito per la formazione dei circuiti perché è facile da realizzare. Il rame conduce l’elettricità meglio di quasi tutti i metalli (tabella 1)1,2. L’oro ha anche una buona conduttività elettrica, che lo rende una scelta perfetta per il metallo più esterno perché gli elettroni tendono a fluire sulla superficie di un percorso conduttivo (il vantaggio della “superficie”).

Tabella 1. Resistività del metallo PCB

Rame 1.7 (incluso Ω cm

Oro (incluso 2.4 Ω cm

Nichel (incluso 7.4 Ω cm

Nichelatura non elettrolitica 55~90 µ ω cm

Sebbene le caratteristiche elettriche della maggior parte delle lastre di produzione non siano influenzate dallo strato di nichel, il nichel può influenzare le caratteristiche elettriche dei segnali ad alta frequenza. La perdita del segnale del PCB a microonde può superare le specifiche del progettista. Questo fenomeno è proporzionale allo spessore del nichel: il circuito deve passare attraverso il nichel per raggiungere il punto di saldatura. In molte applicazioni, i segnali elettrici possono essere ripristinati alle specifiche di progetto specificando depositi di nichel inferiori a 2.5 µm.

Resistenza di contatto

La resistenza al contatto è diversa dalla saldabilità perché la superficie nichel/oro rimane non saldata per tutta la vita del prodotto finale. Il nichel/oro deve rimanere conduttivo al contatto esterno dopo un’esposizione ambientale prolungata. Il libro di Antler del 1970 esprimeva i requisiti di contatto della superficie nichel/oro in termini quantitativi. Sono stati studiati diversi ambienti di utilizzo finale: 3”65°C, temperatura massima normale per i sistemi elettronici funzionanti a temperatura ambiente, come i computer; 125°C, la temperatura alla quale devono operare i connettori universali, spesso specificata per applicazioni militari; 200°C, quella temperatura sta diventando sempre più importante per le attrezzature di volo”.

Per le basse temperature non sono necessarie barriere al nichel. All’aumentare della temperatura, aumenta la quantità di nichel necessaria per impedire il trasferimento di nichel/oro (Tabella II).

Tabella 2. Resistenza di contatto nichel/oro (1000 ore)

Strato barriera di nichel contatto soddisfacente a 65°C contatto soddisfacente a 125°C contatto soddisfacente 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%

Il nichel utilizzato nello studio di Antler era elettrolitico. Sono attesi miglioramenti dal nichel non elettrolitico, come confermato da Baudrand 4. Tuttavia, questi risultati sono per l’oro da 0.5 µm, dove il piano di solito precipita di 0.2 µm. Si può dedurre che il piano sia sufficiente per elementi di contatto che operano a 125 °C, ma gli elementi a temperatura più elevata richiedono test specializzati.

“Più spesso è il nichel, migliore è la barriera, in tutti i casi”, suggerisce Antler, “ma le realtà della produzione di PCB incoraggiano gli ingegneri a depositare solo la quantità di nichel necessaria. Il nichel/oro piatto viene ora utilizzato nei telefoni cellulari e cercapersone che utilizzano punti di contatto touch-pad. La specifica per questo tipo di elemento è di almeno 2 µm di nichel.

Il connettore

L’immersione non elettrolitica di nichel/oro viene utilizzata nella produzione di circuiti stampati con connettori a molla, a pressione, scorrevoli a bassa pressione e altri connettori non saldati.

I connettori plug-in richiedono una maggiore durata fisica. In questi casi, i rivestimenti in nichel non elettrolitici sono abbastanza resistenti per le applicazioni PCB, ma l’immersione in oro non lo è. L’oro puro molto sottile (da 60 a 90 Knoop) sfregherà via dal nichel durante l’attrito ripetuto. Quando l’oro viene rimosso, il nichel esposto si ossida rapidamente, con conseguente aumento della resistenza di contatto.

Il rivestimento in nichel non elettrolitico/immersione in oro potrebbe non essere la scelta migliore per i connettori plug-in che resistono a più inserti per tutta la vita del prodotto. Superfici in nichel/palladio/oro sono consigliate per connettori multiuso.

Lo strato barriera

Il nichel non elettrolitico ha la funzione di tre strati barriera sulla lastra: 1) impedire la diffusione del rame all’oro; 2) Per impedire la diffusione dell’oro al nichel; 3) Fonte di nichel formata da composti intermetallici Ni3Sn4.

Diffusione del rame al nichel

Il trasferimento del rame attraverso il nichel provocherà la decomposizione del rame in oro superficiale. Il rame si ossiderà rapidamente, con conseguente scarsa saldabilità durante l’assemblaggio, che si verifica in caso di perdite di nichel. Il nichel è necessario per prevenire la migrazione e la diffusione delle piastre vuote durante lo stoccaggio e durante l’assemblaggio quando altre aree della piastra sono state saldate. Pertanto, il requisito di temperatura dello strato barriera è inferiore a 250°C di meno di un minuto.

Turn e Owen6 hanno studiato l’effetto di diversi strati barriera su rame e oro. Hanno scoperto che “… Il confronto dei valori di permeabilità del rame a 400°C e 550°C mostra che cromo esavalente e nichel con contenuto di fosforo 8-10% sono gli strati barriera più efficaci studiati”. (tabella 3).

Tabella 3. Penetrazione del rame attraverso il nichel fino all’oro

Spessore nichel 400°C 24 ore 400°C 53 ore 550°C 12 ore

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 diffusione non diffusione non diffusione

Secondo l’equazione di Arrhenius, la diffusione a temperature più basse è esponenzialmente più lenta. È interessante notare che in questo esperimento il nichel non elettrolitico era da 2 a 10 volte più efficiente del nichel elettrolitico. Turn e Owen sottolineano che “… Una barriera (8%) di 2 µm (80 µ pollici) di questa lega riduce la diffusione del rame a un livello trascurabile.

Da questo test a temperature estreme, uno spessore di nichel di almeno 2 µm è una specifica sicura.

Diffusione del nichel in oro

Il secondo requisito del nichel non elettrolitico è che il nichel non migri attraverso “grani” o “buchi fini” impregnati di oro. Se il nichel entra in contatto con l’aria, si ossida. L’ossido di nichel non è vendibile ed è difficile da rimuovere con il flusso.

Esistono diversi articoli sul nichel e sull’oro utilizzati come portatori di chip ceramici. Questi materiali resistono a lungo alle temperature estreme di montaggio. Un test comune per queste superfici è 500°C per 15 minuti.

Al fine di valutare la capacità di superfici piane non elettrolitiche impregnate di nichel/oro di prevenire l’ossidazione del nichel, è stata studiata la saldabilità delle superfici invecchiate a temperatura. Sono state testate diverse condizioni di calore/umidità e di tempo. Questi studi hanno dimostrato che il nichel è adeguatamente protetto dalla lisciviazione dell’oro, consentendo una buona saldabilità dopo un lungo invecchiamento.

La diffusione del nichel nell’oro può essere un fattore limitante per l’assemblaggio in alcuni casi, come l’incollaggio termico a ultrasuoni dell’oro. In questa applicazione, la superficie nichel/oro è meno avanzata della superficie nichel/palladio/oro. Iacovangelo ha studiato le proprietà di diffusione del palladio come strato barriera tra nichel e oro e ha scoperto che il palladio da 0.5 µm impedisce la migrazione anche a temperature estreme. Questo studio ha anche dimostrato che non vi era diffusione di rame attraverso 2.5 µm di nichel/palladio determinati mediante spettroscopia Auger per 15 minuti a 500°C.

Composto intergenerico di nichel e stagno

Durante l’operazione di saldatura a montaggio superficiale o ad onda, gli atomi della superficie del PCB verranno miscelati con atomi di saldatura, a seconda delle proprietà di diffusione del metallo e della capacità di formare “composti intermetallici” (Tabella 4).

Tabella 4. Diffusività dei materiali PCB nella saldatura

Temperatura del metallo °C diffusività (µinches/ SEC.)

Oro 450 486 117.9 167.5

Rame 450 525 4.1 7.0

Palladio 450 525 1.4 6.2

Nichel 700 1.7

Nei sistemi nichel/oro e stagno/piombo, l’oro si dissolve immediatamente in stagno sciolto. La saldatura forma un forte attaccamento al nichel sottostante formando composti intermetallici Ni3Sn4. Dovrebbe essere depositato abbastanza nichel per garantire che la saldatura non raggiunga sotto il rame.Le misurazioni di Bader hanno mostrato che non era necessario più di 0.5 µm di nichel per mantenere la barriera, anche attraverso più di sei cicli di temperatura. Infatti, lo spessore massimo dello strato intermetallico osservato è inferiore a 0.5 µm (20 µ pollici).

poroso

Il nichel/oro non elettrolitico è diventato solo di recente un rivestimento superficiale finale del PCB comune, quindi le procedure industriali potrebbero non essere adatte a questa superficie. È disponibile un processo a vapore con acido nitrico per testare la porosità del nichel/oro elettrolitico utilizzato come connettore plug-in (IPC-TM-650 2.3.24.2)9. Il nichel/impregnazione non elettrolitica non supererà questo test. È stato sviluppato uno standard europeo di porosità utilizzando ferricianuro di potassio per determinare la porosità relativa delle superfici piane, che è data in termini di pori per millimetro quadrato (bug/mm2). Una buona superficie piana dovrebbe avere meno di 10 fori per millimetro quadrato con un ingrandimento di 100 x.

conclusione

L’industria della produzione di PCB è interessata a ridurre la quantità di nichel depositata sulla scheda per motivi di costo, tempo di ciclo e compatibilità dei materiali. La specifica minima del nichel dovrebbe aiutare a prevenire la diffusione del rame sulla superficie dell’oro, mantenere una buona forza di saldatura e mantenere bassa la resistenza di contatto. La specifica massima del nichel dovrebbe consentire flessibilità nella produzione di lastre, poiché nessun grave modo di guasto è associato a depositi di nichel spessi.

Per la maggior parte dei progetti di circuiti stampati odierni, un rivestimento in nichel non elettrolitico di 2.0 µm (80 µ pollici) è lo spessore minimo di nichel richiesto. In pratica, su un lotto di produzione del PCB verrà utilizzata una gamma di spessori di nichel (Figura 2). La variazione dello spessore del nichel risulterà dalla variazione delle proprietà dei prodotti chimici del bagno e dalla variazione del tempo di sosta della macchina di sollevamento automatica. Per garantire un minimo di 2.0 µm, le specifiche degli utenti finali dovrebbero richiedere 3.5 µm, un minimo di 2.0 µm e un massimo di 8.0 µm.

Questa specifica gamma di spessori di nichel si è dimostrata adatta alla produzione di milioni di circuiti stampati. La gamma soddisfa i requisiti di saldabilità, durata e contatto dell’elettronica di oggi. Poiché i requisiti di assemblaggio sono diversi da un prodotto all’altro, potrebbe essere necessario ottimizzare i rivestimenti superficiali per ogni particolare applicazione.