최종 코팅 공정 PCB 제조업은 최근 몇 년 동안 상당한 변화를 겪었습니다. 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.

최종 코팅은 회로 동박의 표면을 보호하는 데 사용됩니다. 구리(Cu)는 부품 용접에 좋은 표면이지만 쉽게 산화됩니다. 구리 산화물은 땜납의 젖음을 방해합니다. 금(Au)은 이제 구리를 덮는 데 사용되지만 금은 산화되지 않습니다. 금과 구리는 빠르게 확산되고 서로 침투합니다. 노출된 구리는 용접할 수 없는 구리 산화물을 빠르게 형성합니다. 한 가지 접근 방식은 금과 구리가 전달되는 것을 방지하고 부품 조립을 위한 내구성 있는 전도성 표면을 제공하는 니켈(Ni) “배리어 층”을 사용하는 것입니다.

무전해 니켈 코팅을 위한 PCB 요구 사항

The non-electrolytic nickel coating should perform several functions:

금 예금의 표면

회로의 궁극적인 목적은 PCB와 부품 사이에 높은 물리적 강도와 우수한 전기적 특성을 가진 연결을 형성하는 것입니다. PCB 표면에 산화물이나 오염이 있으면 오늘날의 약한 플럭스로는 이러한 용접 조인트가 발생하지 않습니다.

금은 니켈 위에 자연적으로 침착되며 장기간 보관하는 동안 산화되지 않습니다. 그러나 금은 산화된 니켈에 침전되지 않으므로 니켈 욕조와 금 용해 사이에 니켈이 순수하게 유지되어야 합니다. 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.

경도

무전해 니켈 코팅 표면은 자동차 변속기 베어링과 같이 물리적 강도가 필요한 많은 응용 분야에 사용됩니다. PCB 요구 사항은 이러한 애플리케이션에 대한 요구 사항보다 훨씬 덜 엄격하지만 와이어 본딩, 터치패드 접점, 에지 커넥터 커넥터 및 처리 지속 가능성을 위해서는 특정 경도가 중요합니다.

리드 본딩에는 니켈 경도가 필요합니다. 납이 침전물을 변형시키면 마찰 손실이 발생할 수 있으며, 이는 납이 기질에 “녹는” 데 도움이 됩니다. SEM 이미지는 평평한 니켈/금 또는 니켈/팔라듐(Pd)/금의 표면으로 침투하지 않는 것으로 나타났습니다.

전기적 특성

구리는 만들기 쉽기 때문에 회로 형성에 선택되는 금속입니다. 구리는 거의 모든 금속보다 전기를 잘 전도합니다(표 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

구리 1.7(Ω·cm 포함

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

무전해 니켈 코팅 55~90 µ ω cm

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. 마이크로파 PCB 신호 손실은 설계 사양을 초과할 수 있습니다. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. 많은 응용 분야에서 2.5µm 미만의 니켈 증착을 지정하여 전기 신호를 설계 사양으로 복원할 수 있습니다.

접촉 저항

접촉 저항은 니켈/금 표면이 최종 제품의 수명 동안 용접되지 않은 상태로 유지되기 때문에 용접성과 다릅니다. 니켈/금은 장기간 환경에 노출된 후에도 외부 접촉에 대해 전도성을 유지해야 합니다. 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, 범용 커넥터가 작동해야 하는 온도, 종종 군사용으로 지정됨. 200°C, 그 온도는 비행 장비에 점점 더 중요해지고 있습니다.”

저온의 경우 니켈 장벽이 필요하지 않습니다. As the temperature increases, the amount of nickel required to prevent nickel/gold transfer increases (Table II).

표 2. 니켈/금의 접촉저항(1000시간)

니켈 배리어 층 65°C에서 양호한 접촉 125°C에서 양호한 접촉 200°C에서 양호한 접촉

0.0μm 100% 40% 0%

0.5μm 100% 90% 5%

2.0μm 100% 100% 10%

4.0μm 100% 100% 60%

Antler의 연구에 사용된 니켈은 전기도금되었습니다. Baudrand 4에서 확인된 것처럼 비전해 니켈에서 개선이 예상됩니다. 그러나 이러한 결과는 평면이 일반적으로 0.5μm를 석출하는 0.2μm 금에 대한 것입니다. 평면은 125°C에서 작동하는 접촉 요소에 충분하다고 추론할 수 있지만 더 높은 온도의 요소는 특수 테스트가 필요합니다.

Antler는 “니켈이 두꺼울수록 모든 경우에 장벽이 더 좋아지지만 PCB 제조의 현실은 엔지니어가 필요한 만큼만 니켈을 증착하도록 권장합니다. 플랫 니켈/금은 이제 터치 패드 접점을 사용하는 휴대폰 및 호출기에 사용됩니다. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

커넥터

무전해 니켈/금 침수는 스프링 핏, 프레스 핏, 저압 슬라이딩 및 기타 용접되지 않은 커넥터가 있는 회로 기판 제조에 사용됩니다.

플러그인 커넥터는 더 긴 물리적 내구성이 필요합니다. 이러한 경우 무전해 니켈 코팅은 PCB 애플리케이션에 충분히 강하지만 금 침지는 그렇지 않습니다. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. 금이 제거되면 노출된 니켈이 빠르게 산화되어 접촉 저항이 증가합니다.

무전해 니켈 코팅/금 침수는 제품 수명 동안 여러 인서트를 견디는 플러그인 커넥터에 가장 적합한 선택이 아닐 수 있습니다. 다목적 커넥터에는 니켈/팔라듐/금 표면을 권장합니다.

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) Ni3Sn4 금속간 화합물에 의해 형성된 니켈 소스.

구리에서 니켈로의 확산

니켈을 통한 구리의 이동은 구리가 표면 금으로 분해되는 결과를 낳습니다. 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. 따라서 차단층의 온도 요구 사항은 250°C 미만에서 XNUMX분 미만입니다.

Turn과 Owen6은 구리와 금에 대한 다양한 장벽 층의 효과를 연구했습니다. 그들은 “… 400°C와 550°C에서 구리 투자율 값을 비교하면 인 함량이 8-10%인 XNUMX가 크롬과 니켈이 연구된 가장 효과적인 차단층인 것으로 나타났습니다. (표 3).

표 3. 니켈을 통한 금으로의 구리 침투

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

0.25μm 1μm 12μm 18μm

0.50μm 1μm 6μm 15μm

1.00μm 1μm 1μm 8μm

2.00 µm 비확산 비확산 비확산

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. 흥미롭게도 이 실험에서 무전해 니켈은 전기도금된 니켈보다 2~10배 더 효율적이었습니다. Turn과 Owen은 “… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

이 극한 온도 테스트에서 최소 2µm의 니켈 두께는 안전한 사양입니다.

니켈에서 금으로의 확산

무전해 니켈의 두 번째 요구 사항은 니켈이 금이 함침된 “입자” 또는 “미세 구멍”을 통해 이동하지 않는다는 것입니다. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

세라믹 칩 캐리어로 사용되는 니켈 및 금에 대한 여러 기사가 있습니다. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. 이러한 표면에 대한 일반적인 테스트는 500분 동안 15°C입니다.

평평한 무전해 니켈/금 함침 표면의 니켈 산화 방지 능력을 평가하기 위해 온도 노화 표면의 용접성을 연구했습니다. Different heat/humidity and time conditions were tested. 이러한 연구는 니켈이 금을 침출함으로써 적절하게 보호되어 장기간 노화 후에도 우수한 용접성을 허용한다는 것을 보여주었습니다.

금에 대한 니켈의 확산은 금 열음파 와이어 본딩과 같은 일부 경우 조립을 제한하는 요인이 될 수 있습니다. 이 응용 분야에서 니켈/금 표면은 니켈/팔라듐/금 표면보다 덜 발전되어 있습니다. 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.

니켈 주석 화합물

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).

표 4. 용접에서 PCB 재료의 확산도

금속 온도 °C 확산도(µinches/SEC.)

금 450 486 117.9 167.5

구리 450 525 4.1 7.0

팔라듐 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

니켈/금 및 주석/납 시스템에서 금은 즉시 느슨한 주석으로 용해됩니다. 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.Bader의 측정에 따르면 0.5번 이상의 온도 사이클을 통해 장벽을 유지하기 위해 XNUMXμm 이하의 니켈이 필요했습니다. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

다공성

무전해 니켈/금은 최근에야 일반적인 최종 PCB 표면 코팅이 되었기 때문에 산업 절차는 이 표면에 적합하지 않을 수 있습니다. 질산 증기 공정은 플러그인 커넥터로 사용되는 전해 니켈/금의 다공성을 테스트하는 데 사용할 수 있습니다(IPC-TM-650 2.3.24.2)9. 무전해 니켈/함침은 이 테스트를 통과하지 못합니다. 평평한 표면의 상대적 다공성을 결정하기 위해 페리시안화칼륨을 사용하여 유럽의 다공성 표준이 개발되었으며, 이는 평방 밀리미터당 구멍(버그/mm2)으로 표시됩니다. 좋은 평평한 표면은 10배 배율에서 제곱밀리미터당 100개 미만의 구멍이 있어야 합니다.

결론

PCB 제조 산업은 비용, 사이클 시간 및 재료 호환성을 이유로 기판에 증착되는 니켈의 양을 줄이는 데 관심이 있습니다. 최소 니켈 사양은 구리가 금 표면으로 확산되는 것을 방지하고 우수한 용접 강도를 유지하며 접촉 저항을 낮게 유지하는 데 도움이 되어야 합니다. 최대 니켈 사양은 두꺼운 니켈 침전물과 관련된 심각한 고장 모드가 없기 때문에 판 제조에 유연성을 허용해야 합니다.

오늘날 대부분의 회로 기판 설계에서 2.0µm(80µ인치)의 무전해 니켈 코팅이 필요한 최소 니켈 두께입니다. 실제로 PCB의 생산 로트에는 다양한 니켈 두께가 사용됩니다(그림 2). 니켈 두께의 변화는 수조 화학물질의 특성 변화와 자동 리프팅 기계의 체류 시간 변화로 인해 발생합니다. 최소 2.0µm를 보장하려면 최종 사용자의 사양에 3.5µm, 최소 2.0µm, 최대 8.0µm가 필요합니다.

이 지정된 니켈 두께 범위는 수백만 개의 회로 기판 생산에 적합한 것으로 입증되었습니다. 이 제품군은 오늘날 전자 제품의 용접성, 보관 수명 및 접촉 요구 사항을 충족합니다. 조립 요구 사항이 제품마다 다르기 때문에 표면 코팅은 각 특정 응용 분야에 최적화되어야 합니다.