תהליך הציפוי הסופי של PCB הייצור עבר שינויים משמעותיים בשנים האחרונות. 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.

הציפוי הסופי משמש להגנה על פני השטח של רדיד הנחושת של המעגל. נחושת (Cu) היא משטח טוב לריתוך רכיבים, אך היא מתחמצנת בקלות; תחמוצת נחושת מעכבת הרטבה של הלחמה. למרות שזהב (Au) משמש כיום לכיסוי נחושת, כי זהב אינו מתחמצן; זהב ונחושת יתפזרו במהירות ויחלחלו זה לזה. כל נחושת חשופה תיצור במהירות תחמוצת נחושת שאינה ניתנת לריתוך. אחת הגישות היא שימוש ב”שכבת מחסום “ניקל (Ni) המונעת מהעברת זהב ונחושת ומספקת משטח עמיד ומוליך להרכבת רכיבים.

דרישות PCB לציפוי ניקל לא אלקטרוליטי

ציפוי הניקל הלא אלקטרוליטי צריך לבצע מספר פונקציות:

פני השטח של מצבור זהב

המטרה הסופית של המעגל היא ליצור קשר בעל חוזק פיזי גבוה ומאפיינים חשמליים טובים בין PCB לרכיבים. אם יש תחמוצת או זיהום על פני ה PCB, המפרק המרותך הזה לא יתרחש עם השטף החלש של היום.

זהב מפקיד באופן טבעי על גבי ניקל ואינו מתחמצן במהלך אחסון ארוך. עם זאת, הזהב אינו מתיישב על הניקל המחומצן, ולכן הניקל חייב להישאר טהור בין אמבט הניקל לבין פירוק הזהב. 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.

קַשִׁיוּת

משטחים מצופים בניקל אלקטרוליטיים משמשים ביישומים רבים הדורשים חוזק פיזי, כגון מיסבי הילוכים לרכב. דרישות ה- PCB מחמירות בהרבה מאלו של יישומים אלה, אך קשיות מסוימת חשובה להדבקת חוטים, למגעי לוח מגע, למחברי קצה-מחבר ולעיבוד קיימות.

מליטה בעופרת דורשת קשיות ניקל. אובדן חיכוך יכול להתרחש אם העופרת מעוותת את המשקע, מה שעוזר לעופרת “להמיס” לתוך המצע. תמונות SEM לא הראו חדירה אל פני השטח של ניקל שטוח/זהב או ניקל/פלדיום (Pd)/זהב.

מאפיינים חשמליים

נחושת היא המתכת המועדפת על יצירת מעגלים מכיוון שהיא קלה להכנה. נחושת מוליכה חשמל טוב יותר מכל מתכת כמעט (טבלה 1) 1,2. לזהב יש גם מוליכות חשמלית טובה, מה שהופך אותו לבחירה מושלמת עבור המתכת החיצונית ביותר מכיוון שאלקטרונים נוטים לזרום על פני מסלול מוליך (היתרון “משטח”).

Table 1. Resistivity of PCB metal

נחושת 1.7 (כולל Ω ס”מ

Gold (including 2.4 Ω cm

ניקל (כולל 7.4 Ω ס”מ

ציפוי ניקל לא אלקטרוליטי 55 ~ 90 מיקרון סנטימטר

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. Microwave PCB signal loss can exceed designer specifications. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. ביישומים רבים, ניתן לשחזר אותות חשמליים למפרט העיצוב על ידי ציון מצבורי ניקל הנמוכים מ- 2.5 מיקרון.

התנגדות קשר

עמידות במגע שונה מריתוך מכיוון שמשטח הניקל/זהב נשאר ללא ריתוך לאורך כל חיי המוצר הסופי. ניקל/זהב חייב להישאר מוליך למגע חיצוני לאחר חשיפה סביבתית ממושכת. Antler’s 1970 book expressed nickel/gold surface contact requirements in quantitative terms. סביבות שימוש קצה שונות נחקרו: 3 “65 ° C, טמפרטורה מקסימלית רגילה למערכות אלקטרוניות הפועלות בטמפרטורת החדר, כגון מחשבים; 125 ° C, הטמפרטורה שבה מחברים אוניברסליים חייבים לפעול, המצוינים לעתים קרובות ליישומים צבאיים; 200 מעלות צלזיוס, הטמפרטורה הזו הופכת יותר ויותר חשובה לציוד מעופף. “

לטמפרטורות נמוכות, אין צורך במחסומי ניקל. ככל שהטמפרטורה עולה, כמות הניקל הנדרשת למניעת העברת ניקל/זהב עולה (טבלה II).

טבלה 2. עמידות במגע של ניקל/זהב (1000 שעות)

שכבת מחסום ניקל מגע מספק ב 65 ° C מגע מספק ב 125 ° C מגע מספק ב 200 ° C

0.0 מיקרון 100% 40% 0%

0.5 מיקרון 100% 90% 5%

2.0 מיקרון 100% 100% 10%

4.0 מיקרון 100% 100% 60%

הניקל ששימש במחקר של אנטלר היה מצופה ציפוי חשמלי. שיפורים צפויים מניקל לא אלקטרוליטי, כפי שאושר על ידי באודראנד 4. עם זאת, תוצאות אלה הן עבור זהב של 0.5 מיקרון, כאשר המטוס בדרך כלל זורם 0.2 מיקרון. The plane can be inferred to be sufficient for contact elements operating at 125°C, but higher temperature elements will require specialized testing.

“ככל שהניקל סמיך יותר, כך המחסום טוב יותר בכל המקרים”, מציעה אנטלר, “אך המציאות בייצור PCB מעודדת מהנדסים להפקיד ניקל ככל שצריך. ניקל/זהב שטוח משמש כיום בטלפונים סלולריים ובעמודים המשתמשים בנקודות מגע עם משטח מגע. המפרט לסוג זה של יסוד הוא לפחות 2 מיקרון ניקל.

המחבר

טבילה של ניקל/זהב לא אלקטרוליטי משמשת בייצור לוחות מעגלים עם התאמת קפיץ, הזזה בעיתונות, הזזה בלחץ נמוך ומחברים אחרים שאינם מרותכים.

מחברי פלאגין דורשים עמידות פיזית ארוכה יותר. במקרים אלה, ציפויי ניקל לא אלקטרוליטיים חזקים מספיק ליישומי PCB, אך טבילה בזהב אינה כזו. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. כאשר מסירים את הזהב, הניקל החשוף מתחמצן במהירות, וכתוצאה מכך עולה ההתנגדות למגע.

ציפוי ניקל לא אלקטרוליטי/טבילה בזהב עשויה להיות לא הבחירה הטובה ביותר עבור מחברי פלאגין המחזיקים מספר רב של תוספות לאורך כל חיי המוצר. משטחי ניקל/פלדיום/זהב מומלצים למחברים רב תכליתיים.

The barrier layer

לניקל לא אלקטרוליטי יש את הפונקציה של שלוש שכבות מחסום בצלחת: 1) למנוע התפשטות נחושת לזהב; 2) To prevent the diffusion of gold to nickel; 3) מקור הניקל הנוצר על ידי תרכובות בין -מתכתיות Ni3Sn4.

הפצת נחושת לניקל

העברת נחושת דרך ניקל תגרום לפירוק של נחושת לזהב פני השטח. 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. לכן, דרישת הטמפרטורה של שכבת המחסום היא פחות מדקה אחת מתחת ל -250 מעלות צלזיוס.

Turn ו- Owen6 בחנו את ההשפעה של שכבות מחסום שונות על נחושת וזהב. הם גילו כי “… השוואה בין ערכי חדירות הנחושת ב -400 מעלות צלזיוס ו -550 מעלות צלזיוס מראה שכרום וניקל משושה עם 8-10% זרחן הם שכבות המכשול היעילות ביותר שנחקרו “. (שולחן 3).

טבלה 3. חדירת נחושת דרך ניקל לזהב

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

0.25 מיקרון 1 מיקרון 12 מיקרון 18 מיקרון

0.50 מיקרון 1 מיקרון 6 מיקרון 15 מיקרון

1.00 מיקרון 1 מיקרון 1 מיקרון M 8 מיקרון

2.00 מיקרון Non-diffusion non-diffusion non-diffusion

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. מעניין שבניסוי זה, ניקל לא אלקטרוליטי היה יעיל פי 2 עד 10 מאשר ניקל מצופה. טרן ואוון מציינים כי “… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

מבדיקת טמפרטורה קיצונית זו, עובי ניקל של 2 מיקרומטר לפחות הוא מפרט בטוח.

הפצת ניקל לזהב

הדרישה השנייה של ניקל לא אלקטרוליטי היא שהניקל לא יעבור דרך “גרגרים” או “חורים דקים” ספוגים בזהב. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

There are several articles on nickel and gold used as ceramic chip carriers. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. בדיקה נפוצה למשטחים אלה היא 500 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות.

על מנת להעריך את יכולתם של משטחים ניקל/אלקטרוליטיים שטוחים לא אלקטרוליטיים למניעת חמצון ניקל, נחקרה ריתוך של משטחים בגיל הטמפרטורה. Different heat/humidity and time conditions were tested. מחקרים אלה הראו כי ניקל מוגן במידה מספקת על ידי שטיפת זהב, ומאפשר ריתוך טוב לאחר הזדקנות ממושכת.

דיפוזיה של ניקל לזהב עשויה להיות גורם מגביל להרכבה במקרים מסוימים, כגון חיבור חוט תרמוסוני מזהב. ביישום זה, משטח הניקל/זהב מתקדם פחות ממשטח הניקל/פלדיום/זהב. 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.

תרכובת בין -גנרית מפח ניקל

במהלך פעולת הרכבה על פני השטח או גל הלחמה, אטומים ממשטח ה- PCB יתערבבו עם אטומי הלחמה, בהתאם למאפייני הדיפוזיה של המתכת והיכולת ליצור “תרכובות בין -מתכתיות” (טבלה 4).

טבלה 4. דיפוזיות של חומרי PCB בריתוך

דיפוזיה של טמפרטורת מתכת ° C (µinches/ SEC.)

זהב 450 486 117.9 167.5

נחושת 450 525 4.1 7.0

פלדיום 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

במערכות ניקל/זהב ופח/עופרת, הזהב מתמוסס מיד לפח רופף. 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.מדידותיו של באדר הראו כי לא נדרש יותר מ- 0.5 מיקרון ניקל כדי לשמור על המחסום, אפילו לאורך יותר משישה מחזורי טמפרטורה. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

נַקבּוּבִי

ניקל/זהב לא אלקטרוליטי הפך רק לאחרונה לציפוי משטח PCB סופי נפוץ, ולכן יתכן והליכים תעשייתיים אינם מתאימים למשטח זה. תהליך קיטור של חומצת חנקן זמין לבדיקת נקבוביות הניקל/זהב האלקטרוליטי המשמש כמחבר פלאג-אין (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. ניקל/אלמנט לא אלקטרוליטי לא יעבור בדיקה זו. תקן נקבוביות אירופאי פותח באמצעות אשלגן ferricyanide כדי לקבוע את הנקבוביות היחסית של משטחים שטוחים, הנתון במונחים של נקבוביות למילימטר מרובע (באגים /מ”מ). משטח שטוח טוב צריך להכיל פחות מעשרה חורים למילימטר מרובע בהגדלה של 10 x.

מסקנה

תעשיית ייצור ה- PCB מעוניינת להפחית את כמות הניקל שהופקדה על הלוח מסיבות של עלות, זמן מחזור ותאימות חומרים. מפרט הניקל המינימלי אמור לסייע במניעת דיפוזיה של נחושת אל משטח הזהב, שמירה על חוזק ריתוך טוב ושמירה על התנגדות מגע נמוכה. מפרט הניקל המקסימלי אמור לאפשר גמישות בייצור צלחות, שכן אין מצבי כשל רציניים הקשורים להפקדות ניקל עבות.

עבור רוב עיצובים של הלוח המודרני של היום, ציפוי ניקל לא אלקטרוליטי של 2.0 מיקרון (80 מינצ’ים) הוא עובי הניקל המינימלי הנדרש. בפועל, מגוון עובי ניקל ישמש במגרש ייצור של ה- PCB (איור 2). השינוי בעובי הניקל יגרם כתוצאה מהשינוי במאפייני כימיקלים האמבטיה ומהשינוי בזמן השהייה של מכונת ההרמה האוטומטית. כדי להבטיח מינימום של 2.0 מיקרון, מפרטים ממשתמשי קצה צריכים לדרוש 3.5 מיקרומטר, מינימום של 2.0 מיקרומטר ומקסימום של 8.0 מיקרון.

טווח עובי ניקל זה ציין כי הוא מתאים לייצור מיליוני מעגלים. הטווח עונה על ריתוך, חיי מדף ודרישות מגע של האלקטרוניקה של היום. מכיוון שדרישות ההרכבה שונות ממוצר אחד לשני, ייתכן שיהיה צורך לבצע אופטימיזציה של ציפויי השטח לכל יישום מסוים.