დაფარვის საბოლოო პროცესი PCB წარმოება განიცადა მნიშვნელოვანი ცვლილებები ბოლო წლებში. 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.

საბოლოო საფარი გამოიყენება წრიული სპილენძის კილიტის ზედაპირის დასაცავად. სპილენძი (Cu) არის კარგი ზედაპირი შედუღების კომპონენტებისთვის, მაგრამ ადვილად იჟანგება; სპილენძის ოქსიდი აფერხებს სველ შედუღებას. მიუხედავად იმისა, რომ ოქრო (Au) ახლა გამოიყენება სპილენძის დასაფარავად, რადგან ოქრო არ იჟანგება; ოქრო და სპილენძი სწრაფად გავრცელდება და გაჟღენთილია ერთმანეთში. ნებისმიერი დაუცველი სპილენძი სწრაფად შექმნის შედუღების სპილენძის ოქსიდს. ერთი მიდგომაა ნიკელის (Ni) “ბარიერის ფენის” გამოყენება, რომელიც ხელს უშლის ოქროსა და სპილენძის გადაცემას და უზრუნველყოფს გამძლე, გამტარ ზედაპირს კომპონენტების შეკრებისთვის.

PCB მოთხოვნები არა-ელექტროლიტური ნიკელის საფარისთვის

არა-ელექტროლიტური ნიკელის საფარმა უნდა შეასრულოს რამდენიმე ფუნქცია:

ოქროს საბადო ზედაპირზე

მიკროსქემის საბოლოო მიზანია შექმნას კავშირი მაღალი ფიზიკური სიძლიერით და კარგი ელექტრული მახასიათებლებით PCB- სა და კომპონენტებს შორის. თუ PCB ზედაპირზე არის რაიმე ოქსიდი ან დაბინძურება, ეს შედუღებული სახსარი არ მოხდება დღევანდელი სუსტი ნაკადის დროს.

ოქრო ბუნებრივად დევს ნიკელის თავზე და არ იჟანგება ხანგრძლივი შენახვის დროს. თუმცა, ოქრო არ იჯდება დაჟანგულ ნიკელზე, ამიტომ ნიკელი სუფთა უნდა დარჩეს ნიკელის აბანოსა და ოქროს დაშლას შორის. 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. ფოსფორის შემცველობა არა-ელექტროლიტურ ნიკელის საფარში განიხილება, როგორც აბაზანის კონტროლის, ოქსიდის და ელექტრული და ფიზიკური თვისებების ფრთხილად ბალანსი.

სიმტკიცე

არა-ელექტროლიტური ნიკელით დაფარული ზედაპირი გამოიყენება მრავალ აპლიკაციაში, რომელიც მოითხოვს ფიზიკურ სიმტკიცეს, მაგალითად, საავტომობილო გადაცემის საკისრები. PCB მოთხოვნები ბევრად უფრო მკაცრია, ვიდრე ამ პროგრამებისთვის, მაგრამ გარკვეული სიმტკიცე მნიშვნელოვანია მავთულხლართების, სენსორული კონტაქტების, კონექტორული კონექტორებისა და მდგრადობის დამუშავებისთვის.

ტყვიის შემაკავშირებლად საჭიროა ნიკელის სიმტკიცე. ხახუნის დაკარგვა შეიძლება მოხდეს იმ შემთხვევაში, თუ ტყვია დეფორმირებს ნალექს, რაც ხელს უწყობს ტყვიის “დნობას” სუბსტრატში. SEM გამოსახულებებმა არ აჩვენა შეღწევა ბრტყელი ნიკელის/ოქროს ან ნიკელის/პალადიუმის (პდ)/ოქროს ზედაპირზე.

Ელექტრო მახასიათებლები

სპილენძი არის რკინის არჩევანი სქემის ფორმირებისთვის, რადგან მისი დამზადება ადვილია. სპილენძი უკეთესად ატარებს ელექტროენერგიას თითქმის ყველა ლითონს (ცხრილი 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

სპილენძი 1.7 (Ω სმ ჩათვლით)

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

არა-ელექტროლიტური ნიკელის საფარი 55 ~ 90 μ ω ω სმ

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. მიკროტალღოვანი PCB სიგნალის დაკარგვა შეიძლება აღემატებოდეს დიზაინერის სპეციფიკაციებს. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. ბევრ განაცხადში, ელექტრული სიგნალები შეიძლება აღდგეს დიზაინის სპეციფიკაციაში, ნიკელის საბადოების დადგენით 2.5 მიკრომეტრზე ნაკლები.

კონტაქტის წინააღმდეგობა

კონტაქტური წინააღმდეგობა განსხვავდება შედუღებისგან, რადგან ნიკელის/ოქროს ზედაპირი რჩება შედუღებული საბოლოო პროდუქტის მთელი სიცოცხლის განმავლობაში. ნიკელი/ოქრო გარეგანი გახანგრძლივების შემდეგ გარე კონტაქტის გამტარებელი უნდა დარჩეს. 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, ტემპერატურა, რომლის დროსაც უნივერსალური კონექტორები უნდა მუშაობდეს, ხშირად მითითებულია სამხედრო გამოყენებისთვის; 200 ° C, ეს ტემპერატურა სულ უფრო მნიშვნელოვანი ხდება საფრენი აპარატურისთვის. ”

დაბალი ტემპერატურისთვის ნიკელის ბარიერები არ არის საჭირო. ტემპერატურის მატებასთან ერთად იზრდება ნიკელის რაოდენობა, რომელიც საჭიროა ნიკელის/ოქროს გადაცემის თავიდან ასაცილებლად (ცხრილი II).

ცხრილი 2. ნიკელის/ოქროს კონტაქტური წინააღმდეგობა (1000 საათი)

ნიკელის ბარიერის ფენა დამაკმაყოფილებელი კონტაქტი 65 ° C დამაკმაყოფილებელი კონტაქტი 125 ° C დამაკმაყოფილებელი კონტაქტი 200 ° C ტემპერატურაზე

0.0 მკმ 100% 40% 0%

0.5 მკმ 100% 90% 5%

2.0 მკმ 100% 100% 10%

4.0 მკმ 100% 100% 60%

ანტლერის კვლევაში გამოყენებული ნიკელი ელექტროპლატირებული იყო. გაუმჯობესება მოსალოდნელია არაელექტროლიზური ნიკელისგან, რაც დადასტურებულია ბაუდრანდ 4-ით. თუმცა, ეს შედეგები არის 0.5 μm ოქროზე, სადაც სიბრტყე ჩვეულებრივ ილექება 0.2 µm. თვითმფრინავი შეიძლება ჩაითვალოს საკმარისად 125 ° C ტემპერატურაზე მოქმედი საკონტაქტო ელემენტებისთვის, მაგრამ უფრო მაღალი ტემპერატურის ელემენტები საჭიროებს სპეციალურ ტესტირებას.

”რაც უფრო სქელია ნიკელი, მით უკეთესი იქნება ბარიერი, ყველა შემთხვევაში,” ამბობს ანტლერი, ”მაგრამ PCB წარმოების რეალობა ინჟინრებს უბიძგებს შეაგროვონ მხოლოდ იმდენი ნიკელი, რამდენიც საჭიროა. ბრტყელი ნიკელი/ოქრო ახლა გამოიყენება მობილურ ტელეფონებსა და გვერდებზე, რომლებიც იყენებენ სენსორულ კონტაქტებს. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

კონექტორი

არაელექტროლიზური ნიკელის/ოქროს ჩაძირვა გამოიყენება მიკროსქემის დაფების წარმოებაში გაზაფხულის მორგებით, პრესიანი, დაბალი წნევის მოცურების და სხვა შედუღებული კონექტორებით.

დანამატიანი კონექტორები უფრო დიდ ფიზიკურ გამძლეობას მოითხოვს. ამ შემთხვევებში, არა-ელექტროლიტური ნიკელის საფარი საკმარისად ძლიერია PCB– ის გამოყენებისთვის, მაგრამ ოქროს ჩაძირვა არ არის. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. როდესაც ოქრო ამოღებულია, გამოვლენილი ნიკელი სწრაფად ჟანგავს, რის შედეგადაც იზრდება კონტაქტური წინააღმდეგობა.

არაელექტროლიზური ნიკელის საფარი/ოქროს ჩაღრმავება შეიძლება არ იყოს საუკეთესო არჩევანი დანამატ კონექტორებზე, რომლებიც გაძლებს მრავალჯერადი ჩანართს პროდუქტის სიცოცხლის განმავლობაში. ნიკელის/პალადიუმის/ოქროს ზედაპირები რეკომენდირებულია მრავალფუნქციური კონექტორებისთვის.

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) ნიკელის წყარო, რომელიც წარმოიშვა Ni3Sn4 ინტერმეტალის ნაერთებით.

სპილენძის დიფუზია ნიკელზე

ნიკელის მეშვეობით სპილენძის გადატანა გამოიწვევს სპილენძის დაშლას ზედაპირულ ოქროზე. 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. ამრიგად, ბარიერის ფენის ტემპერატურული მოთხოვნილება ერთ წუთზე ნაკლებია 250 ° C- ზე დაბლა.

ტურნმა და ოუენმა 6 შეისწავლეს სხვადასხვა ბარიერული ფენის გავლენა სპილენძსა და ოქროზე. მათ აღმოაჩინეს, რომ „… სპილენძის გამტარიანობის ღირებულებების შედარება 400 ° C და 550 ° C ტემპერატურაზე გვიჩვენებს, რომ ექვსვალენტიანი ქრომი და ნიკელი 8-10% ფოსფორის შემცველობით არის ყველაზე ეფექტური ბარიერული ფენა შესწავლილი “. (ცხრილი 3).

ცხრილი 3. სპილენძის შეღწევა ნიკელის მეშვეობით ოქროში

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 არადიფუზიური არა-დიფუზიური არა-დიფუზია

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. საინტერესოა, რომ ამ ექსპერიმენტში არაელექტროლიზური ნიკელი იყო 2-დან 10-ჯერ უფრო ეფექტური ვიდრე ელექტროპოლიტირებული ნიკელი. ტურნი და ოუენი აღნიშნავენ, რომ ”… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

ამ ექსტრემალური ტემპერატურის ტესტის შედეგად, ნიკელის სისქე მინიმუმ 2 μm არის უსაფრთხო სპეციფიკაცია.

ნიკელის გავრცელება ოქროზე

არაელექტროლიზური ნიკელის მეორე მოთხოვნაა, რომ ნიკელი არ გადავიდეს ოქროთი გაჟღენთილი “მარცვლების” ან “წვრილი ხვრელების” გავლით. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

არსებობს რამდენიმე სტატია ნიკელზე და ოქროზე, რომლებიც გამოიყენება როგორც კერამიკული ჩიპების მატარებლები. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. ამ ზედაპირების საერთო ტესტი არის 500 ° C 15 წუთის განმავლობაში.

ბრტყელი არაელექტროლიზური ნიკელის/ოქროთი გაჟღენთილი ზედაპირების უნარის შესაფასებლად ნიკელის დაჟანგვის თავიდან ასაცილებლად, შესწავლილია ტემპერატურის ასაკის ზედაპირების შედუღება. Different heat/humidity and time conditions were tested. ამ კვლევებმა აჩვენა, რომ ნიკელი სათანადოდ არის დაცული ოქროს გაჟონვით, რაც იძლევა კარგ შედუღებას ხანგრძლივი დაბერების შემდეგ.

ნიკელის დიფუზია ოქროზე შეიძლება იყოს შემზღუდველი ფაქტორი შეკრებისთვის ზოგიერთ შემთხვევაში, მაგალითად, ოქროს თერმულ ხერხემალში. ამ განაცხადში, ნიკელის/ოქროს ზედაპირი ნაკლებად მოწინავეა ვიდრე ნიკელის/პალადიუმის/ოქროს ზედაპირი. 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.

ნიკელის კალის ინტერგენერიული ნაერთი

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).

ცხრილი 4. PCB მასალების დიფუზია შედუღებისას

ლითონის ტემპერატურა ° C დიფუზურობა (µinches/ SEC.)

ოქრო 450 486 117.9 167.5

სპილენძი 450 525 4.1 7.0

პალადიუმი 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

ნიკელის/ოქროსა და კალის/ტყვიის სისტემებში ოქრო მაშინვე იხსნება ფხვიერ თუნუქში. 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.ბედერის გაზომვებმა აჩვენა, რომ ბარიერის შესანარჩუნებლად არაუმეტეს 0.5 მკმ ნიკელი იყო საჭირო, თუნდაც ექვსზე მეტი ტემპერატურის ციკლის გავლით. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

ფოროვანი

არა-ელექტროლიტური ნიკელი/ოქრო სულ ახლახანს გახდა საერთო საბოლოო PCB ზედაპირის საფარი, ამიტომ სამრეწველო პროცედურები შეიძლება არ იყოს შესაფერისი ამ ზედაპირისთვის. აზოტმჟავას ორთქლის პროცესი ხელმისაწვდომია ელექტროლიტური ნიკელის/ოქროს ფორიანობის შესამოწმებლად, რომელიც გამოიყენება დანამატის შესაერთებლად (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. არა-ელექტროლიტური ნიკელი/გაჟღენთილი არ გაივლის ამ გამოცდას. ევროპული ფორიანობის სტანდარტი შემუშავებულია კალიუმის ფერიციანიდის გამოყენებით ბრტყელი ზედაპირების ფარდობითი ფორიანობის დასადგენად, რაც მოცემულია კვადრატულ მილიმეტრზე პორების თვალსაზრისით (შეცდომები /მმ 2). კარგ ბრტყელ ზედაპირს უნდა ჰქონდეს 10 -ზე ნაკლები ხვრელი კვადრატულ მილიმეტრზე 100x გადიდებაზე.

დასკვნა

PCB წარმოების ინდუსტრია დაინტერესებულია დაფაზე დაფარული ნიკელის რაოდენობის შემცირებით ხარჯების, ციკლის დროის და მასალის თავსებადობის მიზეზების გამო. ნიკელის მინიმალური სპეციფიკაცია უნდა დაეხმაროს თავიდან აიცილოს სპილენძის გავრცელება ოქროს ზედაპირზე, შეინარჩუნოს შედუღების კარგი სიძლიერე და შეინარჩუნოს კონტაქტის წინააღმდეგობა დაბალი. ნიკელის მაქსიმალურმა სპეციფიკაციამ უნდა უზრუნველყოს მოქნილობა ფირფიტების წარმოებაში, ვინაიდან არანაირი სერიოზული უკმარისობა არ არის დაკავშირებული სქელ ნიკელის საბადოებთან.

მიკროსქემის დაფის დღევანდელი დიზაინის უმეტესობისთვის, არა-ელექტროლიტური ნიკელის საფარი 2.0μm (80µinches) არის ნიკელის მინიმალური სისქე. პრაქტიკაში, ნიკელის სისქის ასორტიმენტი გამოყენებული იქნება PCB- ის წარმოების ლოტზე (სურათი 2). ნიკელის სისქის ცვლილება გამოწვეული იქნება აბაზანის ქიმიკატების თვისებების ცვლილებით და ავტომატური ამწევი დანადგარის საცხოვრებელი დროის ცვლილებით. მინიმუმ 2.0μm უზრუნველსაყოფად, საბოლოო მომხმარებლის სპეციფიკაციებმა უნდა მოითხოვოს 3.5μm, მინიმუმ 2.0μm და მაქსიმუმ 8.0μm.

ნიკელის სისქის ეს განსაზღვრული დიაპაზონი შესაფერისია მილიონობით მიკროსქემის დაფის წარმოებისთვის. დიაპაზონი აკმაყოფილებს შედუღების, შენახვის ვადისა და დღევანდელი ელექტრონიკის საკონტაქტო მოთხოვნებს. იმის გამო, რომ შეკრების მოთხოვნები განსხვავდება ერთი პროდუქტისგან მეორეზე, ზედაპირის საფარის ოპტიმიზაცია შეიძლება საჭირო გახდეს თითოეული კონკრეტული პროგრამისთვის.