Proses lapisan pungkasan kanggo PCB pabrikan ngalami pangowahan pinunjul ing taun-taun pungkasan. Pangowahan kasebut minangka asil saka kebutuhan tetep kanggo ngatasi watesan HASL (Kohesi udara panas) lan jumlah alternatif HASL sing saya akeh.

Lapisan pungkasan digunakake kanggo nglindhungi permukaan foil tembaga sirkuit. Tembaga (Cu) minangka permukaan sing apik kanggo komponen las, nanging gampang dioksidasi; Tembaga oksida ngalangi udan solder. Sanajan emas (Au) saiki digunakake kanggo nutupi tembaga, amarga emas ora ngoksidasi; Emas lan tembaga bakal cepet nyebar lan nembus saben liyane. Tembaga sing kapapar bakal mbentuk oksida tembaga sing ora bisa dilas. Salah sawijining cara yaiku nggunakake “lapisan penghalang” nikel (Ni) sing ngalangi emas lan tembaga saka transfer lan nyedhiyakake permukaan konduktif sing awet kanggo komponen.

Persyaratan PCB kanggo nutupi nikel non-elektrolitik

Lapisan nikel non-elektrolit kudu nindakake sawetara fungsi:

Lumahing celengan emas

Tujuan utama sirkuit kasebut yaiku nggawe sambungan kanthi kekuatan fisik sing dhuwur lan karakteristik listrik sing apik ing antarane PCB lan komponen. Yen ana oksida utawa kontaminasi ing permukaan PCB, sendi sing dilas iki ora bakal kedadeyan kanthi fluks sing ringkih saiki.

Simpenan emas alami ing ndhuwur nikel lan ora ngoksidasi sajrone disimpen dawa. Nanging, emas kasebut ora tetep ing nikel teroksidasi, mula nikel kudu tetep murni ing antarane adus nikel lan pembubaran emas. Dadi, syarat pertama nikel yaiku tetep bebas oksigen cukup dawa supaya emas bisa endhek. Komponen nggawe siram leaching kimia supaya kandungan fosfor 6 ~ 10% ing presipitasi nikel. Kandungan fosfor iki ing lapisan nikel non-elektrolitik dianggep minangka imbangan ati-ati kontrol bath, oksida, lan sifat listrik lan fisik.

atose

Permukaan dilapisi nikel elektrolisis digunakake ing pirang-pirang aplikasi sing mbutuhake kekuwatan fisik, kayata bantalan transmisi otomotif. Persyaratan PCB luwih ketat tinimbang aplikasi kasebut, nanging hardness tartamtu penting kanggo ikatan kawat, kontak touchpad, konektor ujung-konektor, lan proses keberlanjutan.

Ikatan timbal mbutuhake atose nikel. Kerugian gesekan bisa kedadeyan yen timbal deformasi endapan, sing mbantu timah “nyawiji” menyang landasan. Gambar SEM ora nuduhake penetrasi menyang permukaan nikel datar / emas utawa nikel / palladium (Pd) / emas.

Karakteristik listrik

Tembaga minangka logam pilihan kanggo pembentukan sirkuit amarga gampang digawe. Tembaga nindakake listrik luwih apik tinimbang meh kabeh logam (tabel 1) 1,2. Emas uga duwe konduktivitas listrik sing apik, dadi pilihan sing tepat kanggo logam paling njaba amarga elektron cenderung mili ing permukaan rute konduktif (mupangat “permukaan”).

Tabel 1. Resistivitas logam PCB

Tembaga 1.7 (kalebu Ω cm

Emas (kalebu 2.4 Ω cm

Nikel (kalebu 7.4 Ω cm

Lapisan nikel non elektrolit 55 ~ 90 µ ω cm

Sanajan ciri listrik piring produksi paling akeh ora kena pengaruh lapisan nikel, nikel bisa nyebabake karakteristik listrik sinyal frekuensi dhuwur. Kerugian sinyal PCB gelombang mikro bisa ngluwihi spesifikasi desainer. Fenomena kasebut sebanding karo ketebalan nikel – sirkuit kudu nembus nikel kanggo tekan titik solder. Ing pirang-pirang aplikasi, sinyal listrik bisa dipulihake menyang spesifikasi desain kanthi nemtokake celengan nikel kurang saka 2.5µm.

Resistensi kontak

Resistensi kontak beda karo daya tahan las amarga lumahing nikel / emas tetep ora kenceng sajrone urip produk pungkasan. Nikel / emas kudu tetep konduktif kanggo kontak njaba sawise paparan lingkungan sing suwe. Buku Antler taun 1970 nyebutake syarat kontak permukaan emas / nikel kanthi istilah kuantitatif. Macem-macem lingkungan panggunaan pungkasan wis ditliti: 3 “65 ° C, suhu maksimum normal kanggo sistem elektronik sing operasi ing suhu kamar, kayata komputer; 125 ° C, suhu sing kudu digunakake konektor universal, asring ditemtokake kanggo aplikasi militer; 200 ° C, suhu kasebut saya penting kanggo peralatan mabur. “

Kanggo suhu sing sithik, alangan nikel ora dibutuhake. Nalika suhu mundhak, jumlah nikel sing dibutuhake kanggo nyegah transfer nikel / emas mundhak (Tabel II).

Tabel 2. resistensi kontak saka nikel / emas (1000 jam)

Lapisan penghalang nikel kontak sing memuaskan ing 65 ° C kontak sing memuaskan ing 125 ° C kontak sing kepenak ing 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%

Nikel sing digunakake ing panliten Antler nganggo elektroplasi. Peningkatan samesthine saka nikel non-elektrolitik, kaya sing dikonfirmasi dening Baudrand 4. Nanging, asil iki kanggo emas 0.5 µm, ing endi pesawat biasane nyepetake 0.2 µm. Pesawat kasebut bisa dianggep cukup kanggo elemen kontak sing operasi ing suhu 125 ° C, nanging elemen suhu sing luwih dhuwur mbutuhake uji coba khusus.

“Nikel sing luwih kenthel, alangane luwih apik, ing kabeh kasus,” ujare Antler, “nanging kasunyatan manufaktur PCB nyengkuyung para insinyur supaya mung nikelake kaya sing dibutuhake. Nikel / emas datar saiki digunakake ing telpon seluler lan pager sing nggunakake titik kontak pad-pad. Spesifikasi jinis unsur iki paling ora 2 µm nikel.

Konektor

Pencelupan nikel / emas non-elektrolisis digunakake ing pabrik papan sirkuit kanthi pas spring, press-fit, geser tekanan rendah lan konektor non-las liyane.

Konektor plug-in mbutuhake daya tahan fisik sing luwih dawa. Ing kasus kasebut, lapisan nikel non-elektrolitik cukup kuat kanggo aplikasi PCB, nanging perendaman emas ora. Emas murni tipis (60 nganti 90 Knoop) bakal digosok nikel nalika gesekan bola-bali. Nalika emas dicopot, nikel sing kapapar dioksidasi kanthi cepet, nyebabake nambah resistensi kontak.

Lapisan nikel non-elektrolitik / perendaman emas bisa uga ora dadi pilihan sing paling apik kanggo konektor plug-in sing tahan pirang-pirang sisipan sajrone urip produk. Permukaan nikel / paladium / emas dianjurake kanggo konektor multiguna.

Lapisan alangi

Nikel non elektrolit duwe fungsi telung lapisan alangi ing piring: 1) kanggo nyegah difusi tembaga menyang emas; 2) Kanggo nyegah difusi emas dadi nikel; 3) Sumber nikel sing dibentuk dening senyawa intermetal Ni3Sn4.

Difusi tembaga dadi nikel

Transfer tembaga liwat nikel bakal nyebabake dekomposisi tembaga menyang emas permukaan. Tembaga bakal ngoksidasi kanthi cepet, nyebabake stabilitas las nalika dirakit, sing kedadeyan nalika bocor nikel. Nikel dibutuhake kanggo nyegah migrasi lan penyebaran piring kosong sajrone disimpen lan nalika dirakit nalika area piring liyane wis dilas. Mula, sarat suhu lapisan penghalang kurang saka siji menit ing sangisoré 250 ° C.

Turn lan Owen6 wis nyinaoni efek saka macem-macem lapisan penghalang tembaga lan emas. Dheweke nemokake yen “… Perbandingan nilai permeabilitas tembaga ing 400 ° C lan 550 ° C nuduhake yen kromium hexavalen lan nikel kanthi kadar fosfor 8-10% minangka lapisan penghalang sing paling efektif sing ditliti. (tabel 3).

Tabel 3. Penetrasi tembaga liwat nikel nganti emas

Kandel nikel 400 ° C 24 jam 400 ° C 53 jam 550 ° C 12 jam

0.25 1m 12 µm 18 µm XNUMX µm

0.50 1m 6 µm 15 µm XNUMX µm

1.00 1m 1 µm 8 µ M XNUMX µm

2.00 µm Non-diffusion non-diffusion non-diffusion

Miturut persamaan Arrhenius, difusi ing suhu ngisor kanthi alon luwih alon. Apike, ing eksperimen iki, nikel non-elektrolitik 2 nganti 10 kali luwih efisien tinimbang nikel listrik. Nguripake lan Owen nuduhake manawa “… Alangi (8%) 2µm (80µinch) paduan iki nyuda difusi tembaga nganti level sing bisa diabaikan. ”

Saka tes suhu ekstrem iki, kekandelan nikel paling ora 2µm minangka spesifikasi sing aman.

Difusi nikel dadi emas

Syarat kapindho nikel non-elektrolit yaiku nikel supaya ora pindhah liwat “biji-bijian” utawa “bolongan alus” sing diresiki karo emas. Yen nikel kena hawa, bakal ngoksidasi. Nikel oksida ora bisa didol lan angel dicopot kanthi fluks.

Ana sawetara artikel babagan nikel lan emas sing digunakake minangka operator chip keramik. Bahan kasebut tahan suwe banget dirakit saka bahan bakar. Tes umum kanggo permukaan kasebut yaiku 500 ° C sajrone 15 menit.

Kanggo ngevaluasi kemampuan permukaan non-elektrolitik nikel / emas kanthi impregnated kanggo nyegah oksidasi nikel, paneliten lumahing permukaan umur suhu ditliti. Panas / asor lan kahanan wektu sing beda-beda dites. Panliten kasebut nuduhake manawa nikel dilindhungi kanthi cukup kanthi nyepetake emas, saengga stabilitas sing apik sawise tuwa.

Difusi nikel karo emas bisa dadi faktor watesan kanggo nglumpukake ing sawetara kasus, kayata ikatan kawat termalonik emas. Ing aplikasi iki, permukaan nikel / emas kurang maju tinimbang permukaan nikel / paladium / emas. Iacovangelo nyelidiki sifat difusi paladium minangka lapisan alangi antarane nikel lan emas lan nemokake yen 0.5µm paladium nyegah migrasi sanajan suhu ekstrem. Panaliten iki uga nuduhake manawa ora ana difusi tembaga liwat 2.5µm nikel / paladium sing ditemtokake dening spektroskopi Auger sajrone 15 menit ing 500 ° C.

Senyawa intergenerik timah nikel

Sajrone operasi pemasangan permukaan utawa solder gelombang, atom saka permukaan PCB bakal dicampur karo atom solder, gumantung saka sifat difusi logam lan kemampuan mbentuk “senyawa intermetal” (Tabel 4).

Tabel 4. Difusivitas bahan PCB ing las

Suhu logam ° C diffusivity (µinches / SEC.)

Emas 450 486 117.9 167.5

Tembaga 450 525 4.1 7.0

Palladium 450 525 1.4 6.2

Nikel 700 1.7

Ing sistem nikel / emas lan timah / timah, emas kasebut langsung larut dadi timah sing longgar. Solder mbentuk lampiran sing kuat menyang nikel sing ndasari kanthi mbentuk senyawa intermetal Ni3Sn4. Nikel sing cukup kudu dilebokake kanggo mesthekake yen solder ora bakal tekan ngisor tembaga.Pangukuran Bader nuduhake manawa ora luwih saka 0.5µm nikel dibutuhake kanggo njaga alangan, sanajan luwih saka enem siklus suhu. Nyatane, kekandelan lapisan intermetal maksimal sing diamati kurang saka 0.5µm (20 ch inci).

keropos

Nikel / emas sing ora elektrolisis bubar dadi lapisan permukaan PCB pungkasan, mula prosedur industri bisa uga ora cocog karo permukaan iki. Proses uap asam nitrat kasedhiya kanggo nyoba porositas nikel elektrolitik / emas sing digunakake minangka konektor plug-in (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Nikel / impregnasi sing ora elektrolisis ora bakal liwati tes iki. Standar porositas Eropa wis dikembangake nggunakake kalium ferricyanide kanggo nemtokake porositas relatif permukaan sing rata, sing diwenehake kanthi pori-pori saben milimeter persegi (bug / mm2). Lumahing rata sing apik mesthine kudu kurang saka 10 bolongan saben millimeter persegi kanthi ukuran 100 x.

kesimpulan

Industri manufaktur PCB kepengin nyuda jumlah nikel sing disimpen ing papan amarga biaya, wektu siklus, lan kompatibilitas materi. Spesifikasi minimum nikel kudu mbantu nyegah difusi tembaga ing permukaan emas, njaga kekuatan las sing apik, lan tahan resistensi kontak tetep sithik. Spesifikasi nikel maksimum kudu ngidini fleksibilitas ing produksi piring, amarga ora ana mode kegagalan serius sing ana gandhengane karo celengan nikel sing kandel.

Kanggo umume desain papan sirkuit saiki, lapisan nikel non elektrolit 2.0µm (80µinches) minangka kekandelan nikel minimal sing dibutuhake. Ing prakteke, sawetara kekandelan nikel bakal digunakake ing akeh produksi PCB (Gambar 2). Pangowahan kekandelan nikel bakal diasilake saka owah-owahan sifat-sifat bahan kimia adus lan pangowahan wektu urip mesin angkat otomatis. Kanggo mesthekake minimal 2.0µm, spesifikasi saka pangguna pungkasan kudu mbutuhake 3.5µm, minimal 2.0µm, lan maksimal 8.0 m.

Ukuran kekandelan nikel sing ditemtokake iki wis kabukten cocog kanggo produksi jutaan papan sirkuit. Rentang kasebut cocog karo katup las, umur simpan lan kebutuhan kontak kanggo elektronik saiki. Amarga syarat perakitan beda-beda saka siji produk menyang produk liyane, lapisan permukaan bisa uga kudu dioptimalake kanggo saben aplikasi tartamtu.