De leschte Beschichtungsprozess fir PCB d’Produktioun huet an de leschte Jore bedeitend Ännerunge gemaach. 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.

Déi lescht Beschichtung gëtt benotzt fir d’Uewerfläch vun der Circuit Kupferfolie ze schützen. Kupfer (Cu) ass eng gutt Uewerfläch fir Schweißkomponenten, awer gëtt liicht oxidéiert; Kupferoxid belaascht d’Waasser vum Löt. Och wann Gold (Au) elo benotzt gëtt fir Koffer ze decken, well Gold net oxydéiert; Gold a Kupfer wäerte séier diffuséieren an duerchgoen. All ausgesatem Kupfer wäert séier en net-verschweißbaren Kupferoxid bilden. Eng Approche ass eng Néckel (Ni) “Barrière Schicht” ze benotzen déi verhënnert datt Gold a Kupfer iwwerdroe ginn an eng haltbar, konduktiv Uewerfläch fir Komponentversammlung ubitt.

PCB Ufuerderunge fir net-elektrolytesch Néckelbeschichtung

The non-electrolytic nickel coating should perform several functions:

D’Uewerfläch vun enger Gold Depositioun

Den ultimativen Zweck vum Circuit ass eng Verbindung mat héijer kierperlecher Stäerkt a gudden elektresche Charakteristiken tëscht PCB a Komponenten ze bilden. Wann et Oxid oder Kontaminatioun op der PCB Uewerfläch gëtt, géif dëst geschweißte Gelenk net mat dem schwaache Flux vun haut optrieden.

Gold deposéiert natierlech uewen op Néckel an oxidéiert net wärend laang Lagerung. Wéi och ëmmer, d’Gold setzt sech net op den oxidéierten Néckel, sou datt de Néckel reng bleift tëscht dem Néckelbad an der Opléisung vum Gold. 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.

hardness

Net-elektrolytesch Néckel Beschichtete Flächen ginn a ville Uwendungen benotzt déi kierperlech Stäerkt erfuerderen, sou wéi automobil Iwwerdroungslager. PCB Ufuerderunge si vill manner streng wéi déi fir dës Uwendungen, awer eng gewësse Häertheet ass wichteg fir Drotverbindung, Touchpad Kontakter, Rand-Connetor Connectoren, an d’Veraarbechtung vun der Nohaltegkeet.

Leadverbindung erfuerdert eng Néckelhäertheet. Verloscht vu Reibung kann optrieden wann d’Blei de Nidderschlag deforméiert, wat d’Leed hëlleft “schmëlzen” an de Substrat. SEM Biller weisen keng Pénétratioun an d’Uewerfläch vum flaache Néckel/Gold oder Néckel/Palladium (Pd)/Gold.

Elektresch Charakteristiken

Kupfer ass d’Metall vun der Wiel fir Circuitbildung well et einfach ze maachen ass. Kupfer geleet Elektrizitéit besser wéi bal all Metall (Dësch 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

Kupfer 1.7 (inklusiv Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Net-elektrolytesch Néckelbeschichtung 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. Mikrowell PCB Signalverloscht kann d’Designerspezifikatioune iwwerschreiden. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. A ville Uwendungen kënnen elektresch Signaler an d’Designspezifikatioun restauréiert ginn andeems Néckelablagerunge vu manner wéi 2.5µm spezifizéiert ginn.

Kontakt Widderstänn

Kontaktresistenz ass anescht wéi d’Schweißbarkeet well d’Néckel/Gold Uewerfläch bleift wärend dem Liewe vum Ennprodukt ongeléist. Néckel/Gold muss konduktiv fir externen Kontakt bleiwen no längerer Ëmweltbelaaschtung. 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, d’Temperatur bei där Universalverbindunge musse funktionnéieren, dacks spezifizéiert fir militäresch Uwendungen; 200 ° C, gëtt dës Temperatur ëmmer méi wichteg fir Fluchausrüstung.

Fir niddreg Temperaturen sinn Néckelbarrièren net erfuerderlech. As the temperature increases, the amount of nickel required to prevent nickel/gold transfer increases (Table II).

Dësch 2. Kontaktresistenz vum Néckel/Gold (1000 Stonnen)

Néckelbarriärschicht zefriddestellend Kontakt bei 65 ° C zefriddestellendem Kontakt bei 125 ° C zefriddestellendem Kontakt bei 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%

De Néckel, deen an der Antler Studie benotzt gouf, gouf galvaniséiert. Verbesserunge ginn erwaart vum netelektrolytesche Néckel, sou wéi vum Baudrand 4 bestätegt. Wéi och ëmmer, dës Resultater si fir 0.5 µm Gold, wou de Fliger normalerweis 0.2 µm fällt. De Fliger kann ofgeleet ginn als genuch fir Kontaktelementer, déi bei 125 ° C funktionnéieren, awer méi héich Temperaturelementer erfuerderen spezialiséiert Tester.

“Wat méi déck de Néckel ass, wat besser d’Barriär, an alle Fäll,” seet Antler, “awer d’Realitéite vun der PCB Fabrikatioun encouragéieren Ingenieuren nëmmen sou vill Néckel ofzeginn wéi néideg ass. Flaach Néckel/Gold gëtt elo an Handy a Pagers benotzt déi Touch-Pad Kontaktpunkte benotzen. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

De Connector

Net-elektrolytescht Néckel/Gold Tauchung gëtt benotzt fir d’Fabrikatioun vu Circuitboards mat Fréijoerspass, Press-Fit, Drockdrockrutschen an aner net-verschweißte Stecker.

Plug-in Connectoren erfuerderen méi kierperlech Haltbarkeet. An dëse Fäll sinn net-elektrolytesch Néckelbeschichtungen staark genuch fir PCB Uwendungen, awer Gold Taucht ass net. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Wann d’Gold ewechgeholl gëtt, oxydéiert dat ausgesat Néckel séier, wat zu enger Erhéijung vum Kontaktresistenz resultéiert.

Net-elektrolytesch Néckelbeschichtung/Gold Tauchung ass vläicht net déi bescht Wiel fir Plug-In Connectoren déi verschidde Inserts am ganze Liewen vum Produkt erhalen. Néckel/Palladium/Gold Uewerfläche gi fir Multipurpose Stecker empfohlen.

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) Quell vum Néckel geformt vun Ni3Sn4 intermetallesche Verbindungen.

Diffusioun vu Kupfer op Néckel

Den Transfer vu Kupfer duerch Néckel féiert zu der Zersetzung vu Kupfer op Uewerflächegold. 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. Dofir ass d’Temperaturfuerderung vun der Barrière Schicht manner wéi eng Minutt ënner 250 ° C.

Turn an Owen6 hunn den Effekt vu verschiddene Barrière Schichten op Kupfer a Gold studéiert. Si hu festgestallt datt “… Verglach vu Kupferpermeabilitéitswäerter bei 400 ° C an 550 ° C weist datt hexavalent Chrom a Néckel mat 8-10% Phosphorgehalt déi effektivst Barrièreschichten studéiert sinn “. (Dësch 3).

Dësch 3. Penetratioun vu Kupfer duerch Néckel a Gold

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 Net-Diffusioun Net-Diffusioun Net-Diffusioun

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Interessanterweis, an dësem Experiment, war netelektrolytescht Néckel 2 bis 10 Mol méi effizient wéi galvaniséiertem Néckel. Den Turn an den Owen weisen drop hin datt “… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Vun dësem extremen Temperaturtest ass eng Néckeldicke vun op d’mannst 2µm eng sécher Spezifizéierung.

Diffusioun vum Néckel a Gold

Déi zweet Fuerderung vum netelektrolytesche Néckel ass datt de Néckel net duerch “Kären” oder “fein Lächer” migréiert mat Gold impregnéiert. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Et gi verschidde Artikelen iwwer Néckel a Gold benotzt als Keramik Chip Trägere. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. E gemeinsamen Test fir dës Uewerflächen ass 500 ° C fir 15 Minutten.

Fir d’Fäegkeet vun flaach net-elektrolytesche Néckel/Goldimprägnéierten Uewerflächen ze bewäerten fir Néckeloxidatioun ze vermeiden, gouf d’Schweißbarkeet vun Temperaturalteren Uewerflächen studéiert. Different heat/humidity and time conditions were tested. Dës Studien hu gewisen datt Néckel adäquat geschützt ass duerch Auslafe vu Gold, wat eng gutt Schweißbarkeet erlaabt no laanger Alterung.

Diffusioun vum Néckel a Gold kann e limitéierende Faktor fir d’Versammlung an e puer Fäll sinn, sou wéi Gold thermalsonesch Drotverbindung. An dëser Applikatioun ass d’Néckel/Gold Uewerfläch manner fortgeschratt wéi d’Nickel/Palladium/Gold Uewerfläch. 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.

Néckel Zinn intergeneresch Verbindung

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).

Dësch 4. Diffusivitéit vu PCB Material am Schweess

Metalltemperatur ° C Diffusivitéit (µinches/ SEC.)

Gold 450 486 117.9 167.5

Kupfer 450 525 4.1 7.0

Palladium 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

A Néckel/Gold an Zinn/Lead Systemer, opléist d’Gold direkt a locker Zinn. 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.Dem Bader seng Miessunge weisen datt net méi wéi 0.5µm Néckel gebraucht gouf fir d’Barriär z’erhalen, och duerch méi wéi sechs Temperaturzyklen. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

porous

Net-elektrolytescht Néckel/Gold ass eréischt viru kuerzem eng gemeinsam final PCB Uewerflächenbeschichtung ginn, sou datt industriell Prozedure vläicht net fir dës Uewerfläch gëeegent sinn. En Salpetersäure Dampprozess ass verfügbar fir d’Porositéit vum elektrolytesche Néckel/Gold ze testen deen als Plug-in Connector benotzt gëtt (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Net-elektrolytescht Néckel/Imprägnatioun wäert dësen Test net passéieren. En europäesche Porositéitsstandard gouf entwéckelt mat Kaliumferricyanid fir d’relativ Porositéit vu flaache Surfacen ze bestëmmen, dee gëtt a punkto Pore pro Quadrat Millimeter (Käfer /mm2) uginn. Eng gutt flaach Uewerfläch sollt manner wéi 10 Lächer pro Quadratmillimeter bei 100 x Vergréisserung hunn.

Conclusioun komm

D’PCB Fabrikatiounsindustrie ass interesséiert fir d’Quantitéit vum Néckel erofzesetzen, deen op de Board deposéiert gëtt aus Käschtegrënn, Zykluszäit, a Materialkompatibilitéit. Déi minimal Néckelspezifikatioun soll hëllefen Kupferdiffusioun op d’Gold Uewerfläch ze vermeiden, gutt Schweessstäerkt z’erhalen, an d’Kontaktresistenz niddereg ze halen. Déi maximal Néckelspezifikatioun sollt Flexibilitéit bei der Plackeproduktioun erlaben, well keng sérieux Feelermodi mat décke Néckeldepositioune verbonne sinn.

Fir déi meescht vun den haitege Circuit Board Designs ass eng net-elektrolytesch Néckelbeschichtung vun 2.0µm (80µinches) déi minimal Néckeldicke erfuerderlech. An der Praxis gëtt eng Palette vun Néckeldicken op enger Produktiounslot vum PCB benotzt (Figur 2). D’Ännerung an der Néckeldicke resultéiert aus der Verännerung vun den Eegeschafte vun de Badechemikalien an der Verännerung vun der Wunnszäit vun der automatescher Liftmaschinn. Fir e Minimum vun 2.0µm ze garantéieren, solle Spezifikatioune vun Endbenotzer 3.5µm, e Minimum vun 2.0µm, a maximal 8.0μm erfuerderen.

Dës spezifizéiert Palette vun Néckeldicke huet sech gëeegent bewisen fir d’Produktioun vu Millioune Circuitboards. D’Sortiment entsprécht der Schweessbarkeet, dem Regal Liewen an de Kontaktfuerderunge vun der heiteger Elektronik. Well d’Versammlungsufuerderunge vun engem Produkt an en anert anescht sinn, mussen Uewerflächenbeschichtungen eventuell fir all spezifesch Uwendung optimiséiert ginn.