の最終コーティングプロセス PCB 近年、製造業は大きく変化しています。 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.

最終的なコーティングは、回路の銅箔の表面を保護するために使用されます。 銅（Cu）はコンポーネントの溶接に適した表面ですが、酸化されやすいです。 酸化銅ははんだの濡れを妨げます。 金は酸化しないため、現在は銅を覆うために金（Au）が使用されています。 金と銅はすぐに拡散して浸透します。 露出した銅はすぐに溶接不可能な酸化銅を形成します。 XNUMXつのアプローチは、金と銅の移動を防ぎ、コンポーネントの組み立てに耐久性のある導電性の表面を提供するニッケル（Ni）の「バリア層」を使用することです。

非電解ニッケルコーティングのPCB要件

非電解ニッケルコーティングは、いくつかの機能を実行する必要があります。

金鉱床の表面

この回路の最終的な目的は、PCBとコンポーネントの間に高い物理的強度と優れた電気的特性を備えた接続を形成することです。 PCB表面に酸化物や汚染がある場合、この溶接継手は今日の弱いフラックスでは発生しません。

金はニッケルの上に自然に堆積し、長期間の保管中に酸化しません。 ただし、金は酸化されたニッケルに沈殿しないため、ニッケル浴と金の溶解の間、ニッケルは純粋なままでなければなりません。 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.

硬度

非電解ニッケルコーティングされた表面は、自動車のトランスミッションベアリングなど、物理的強度を必要とする多くのアプリケーションで使用されます。 PCB要件は、これらのアプリケーションの要件よりもはるかに厳しくありませんが、ワイヤボンディング、タッチパッドコンタクト、エッジコネクタコネクタ、および処理の持続可能性には、特定の硬度が重要です。

鉛の接合にはニッケル硬度が必要です。 鉛が析出物を変形させると摩擦損失が発生する可能性があり、鉛が基板に「溶ける」のを助けます。 SEM画像は、平らなニッケル/金またはニッケル/パラジウム（Pd）/金の表面への浸透を示さなかった。

電気的特性

銅は製造が容易なため、回路形成に最適な金属です。 銅は、ほとんどすべての金属よりも電気を通します（表1）1,2。 金はまた、優れた導電性を備えており、電子が導電性ルートの表面を流れる傾向があるため、最も外側の金属に最適です（「表面」の利点）。

Table 1. Resistivity of PCB metal

銅1.7（Ωcmを含む）

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

非電解ニッケルコーティング55〜90 µωcm

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. 多くのアプリケーションでは、2.5µm未満のニッケル堆積物を指定することにより、電気信号を設計仕様に復元できます。

接触抵抗

ニッケル/金の表面は最終製品の寿命を通して溶接されないままであるため、接触抵抗は溶接性とは異なります。 ニッケル/金は、長期間の環境曝露後も外部接触に対して導電性を維持する必要があります。 Antler’s 1970 book expressed nickel/gold surface contact requirements in quantitative terms. さまざまな最終用途環境が研究されてきました。3 “65°C、コンピュータなどの室温で動作する電子システムの通常の最高温度。 125°C、ユニバーサルコネクタが動作しなければならない温度。多くの場合、軍事用途向けに指定されています。 200°C、その温度は飛行装置にとってますます重要になっています。」

低温の場合、ニッケルバリアは必要ありません。 温度が上昇すると、ニッケル/金の移動を防ぐために必要なニッケルの量が増加します（表II）。

表2.ニッケル/金の接触抵抗（1000時間）

ニッケルバリア層65°Cで十分な接触125°Cで十分な接触200°Cで十分な接触

0.0 µm 100％40％0％

0.5 µm 100％90％5％

2.0 µm 100％100％10％

4.0 µm 100％100％60％

アントラーの研究で使用されたニッケルは電気メッキされていました。 Baudrand 4によって確認されたように、非電解ニッケルからの改善が期待されます。 ただし、これらの結果は0.5 µmの金の場合であり、通常、平面は0.2 µmで析出します。 The plane can be inferred to be sufficient for contact elements operating at 125°C, but higher temperature elements will require specialized testing.

「ニッケルが厚いほど、すべての場合においてバリアが向上します」とアントラーは示唆しています。「しかし、PCB製造の現実により、エンジニアは必要な量のニッケルのみを堆積するようになっています。 フラットニッケル/ゴールドは現在、タッチパッドの接点を使用する携帯電話やポケットベルで使用されています。 このタイプの要素の仕様は、少なくとも2 µmのニッケルです。

コネクタ

非電解ニッケル/金浸漬は、スプリングフィット、プレスフィット、低圧スライディング、およびその他の非溶接コネクタを備えた回路基板の製造に使用されます。

プラグインコネクタには、より長い物理的耐久性が必要です。 これらの場合、非電解ニッケルコーティングはPCBアプリケーションに十分な強度がありますが、金の浸漬はそうではありません。 Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. 金が除去されると、露出したニッケルが急速に酸化し、接触抵抗が増加します。

非電解ニッケルコーティング/金浸漬は、製品の寿命を通じて複数のインサートに耐えるプラグインコネクタには最適ではない場合があります。 多目的コネクタには、ニッケル/パラジウム/金の表面をお勧めします。

The barrier layer

非電解ニッケルには、プレート上の1つのバリア層の機能があります。XNUMX）銅の金への拡散を防ぐ。 2) To prevent the diffusion of gold to nickel; 3）Ni3Sn4金属間化合物によって形成されたニッケルの供給源。

銅のニッケルへの拡散

ニッケルを介した銅の移動は、銅の表面の金への分解をもたらします。 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. したがって、バリア層の温度要件は、250°C未満でXNUMX分未満です。

TurnとOwen6は、銅と金に対するさまざまなバリア層の影響を研究しました。 彼らは「… 400°Cと550°Cでの銅の透磁率の値を比較すると、リン含有量が8〜10％の六価クロムとニッケルが最も効果的なバリア層であることがわかります。 （表3）。

表3.ニッケルから金への銅の浸透

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 µ M 8 µm

2.00 µm非拡散非拡散非拡散

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. 興味深いことに、この実験では、非電解ニッケルは電気めっきニッケルよりも2〜10倍効率的でした。 ターンとオーウェンは次のように指摘しています。 A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

この極端な温度テストから、少なくとも2µmのニッケルの厚さが安全な仕様です。

ニッケルから金への拡散

非電解ニッケルのXNUMX番目の要件は、ニッケルが金を含浸させた「粒子」または「微細な穴」を通って移動しないことです。 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. これらの表面の一般的なテストは、500°Cで15分間です。

平らな非電解ニッケル/金含浸表面がニッケルの酸化を防ぐ能力を評価するために、温度老化した表面の溶接性を研究しました。 Different heat/humidity and time conditions were tested. これらの研究は、ニッケルが金の浸出によって適切に保護され、長時間の時効後の良好な溶接性を可能にすることを示しています。

ニッケルの金への拡散は、金の超音波熱圧着など、場合によっては組み立ての制限要因となる可能性があります。 このアプリケーションでは、ニッケル/金の表面はニッケル/パラジウム/金の表面よりも進んでいません。 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.

ニッケルスズ属間化合物

表面実装またはウェーブはんだ付け操作中に、PCB表面の原子は、金属の拡散特性と「金属間化合物」を形成する能力に応じて、はんだ原子と混合されます（表4）。

表4.溶接におけるPCB材料の拡散係数

金属温度°C拡散係数（µinches / SEC。）

ゴールド450 486

銅450 525

パラジウム450 525

Nickel 700 1.7

ニッケル/金およびスズ/鉛システムでは、金はすぐに緩いスズに溶解します。 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の測定では、0.5回を超える温度サイクルでも、バリアを維持するために必要なニッケルはXNUMXµm以下であることが示されました。 In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

多孔

非電解ニッケル/金はごく最近一般的な最終PCB表面コーティングになっているため、工業的手順はこの表面には適していない可能性があります。 プラグインコネクタとして使用される電解ニッケル/金の多孔性をテストするために、硝酸蒸気プロセスが利用可能です（IPC-TM-650 2.3.24.2）9。 非電解ニッケル/含浸はこのテストに合格しません。 フェリシアン化カリウムを使用してヨーロッパの気孔率標準が開発され、平面の相対気孔率が決定されました。これは、2平方ミリメートルあたりの気孔率（バグ/ mmXNUMX）で表されます。 良好な平坦な表面には、10倍の倍率で100平方ミリメートルあたりXNUMX個未満の穴が必要です。

結論

PCB製造業界は、コスト、サイクルタイム、および材料の適合性の理由から、ボードに堆積するニッケルの量を減らすことに関心を持っています。 最小ニッケル仕様は、金表面への銅の拡散を防ぎ、良好な溶接強度を維持し、接触抵抗を低く保つのに役立ちます。 最大ニッケル仕様は、厚いニッケル堆積物に関連する深刻な故障モードがないため、プレート製造の柔軟性を可能にするはずです。

今日の回路基板設計のほとんどでは、2.0µm（80µinches）の非電解ニッケルコーティングが必要な最小ニッケル厚です。 実際には、PCBの製造ロットでは、さまざまなニッケルの厚さが使用されます（図2）。 ニッケルの厚さの変化は、浴用薬品の特性の変化と自動リフト機の滞留時間の変化に起因します。 最小2.0µmを確保するには、エンドユーザーからの仕様で3.5µm、最小2.0µm、最大8.0µmが必要です。

この指定された範囲のニッケルの厚さは、何百万もの回路基板の製造に適していることが証明されています。 この範囲は、今日の電子機器の溶接性、貯蔵寿命、および接触要件を満たしています。 組み立て要件は製品ごとに異なるため、特定の用途ごとに表面コーティングを最適化する必要がある場合があります。