Galutinis dengimo procesas PCB pastaraisiais metais gamyba labai pasikeitė. 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.

Galutinė danga naudojama grandinės vario folijos paviršiui apsaugoti. Varis (Cu) yra geras paviršius komponentų suvirinimui, tačiau lengvai oksiduojamas; Vario oksidas trukdo lydmetaliui sušlapti. Nors auksas (Au) dabar naudojamas variui padengti, nes auksas neoksiduojasi; Auksas ir varis greitai išsisklaidys ir prasiskverbs vienas į kitą. Bet koks atviras varis greitai suformuos nesuvirinamą vario oksidą. Vienas iš būdų yra naudoti nikelio (Ni) „barjerinį sluoksnį“, kuris neleidžia auksui ir variui pernešti ir suteikia tvirtą, laidų paviršių komponentų surinkimui.

PCB reikalavimai neelektrolitinei nikelio dangai

Neelektrolitinė nikelio danga turėtų atlikti keletą funkcijų:

Aukso indėlio paviršius

Galutinis grandinės tikslas yra sujungti didelį fizinį stiprumą ir geras elektrines charakteristikas tarp PCB ir komponentų. Jei ant PCB paviršiaus yra koks nors oksidas ar užteršimas, ši suvirinta jungtis neatsirastų esant silpnam šiandieniniam srautui.

Auksas natūraliai nusėda ant nikelio ir ilgai nelaikydamas oksiduojasi. Tačiau auksas nenusėda ant oksiduoto nikelio, todėl nikelis turi likti grynas tarp nikelio vonios ir aukso ištirpimo. 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. Šis fosforo kiekis neelektrolitinėje nikelio dangoje laikomas kruopščiu vonios kontrolės, oksido, elektrinių ir fizinių savybių balansu.

kietumas

Neelektrolitiniai nikeliu padengti paviršiai naudojami daugelyje programų, kurioms reikia fizinės jėgos, pavyzdžiui, automobilių transmisijos guoliuose. PCB reikalavimai yra daug mažiau griežti nei šioms programoms, tačiau tam tikras kietumas yra svarbus laidų sujungimui, jutiklinės dalies kontaktams, krašto jungčių jungtims ir apdorojimo tvarumui.

Švino klijavimui reikalingas nikelio kietumas. Trinties praradimas gali atsirasti, jei švinas deformuoja nuosėdas, o tai padeda švinui „ištirpti“ į pagrindą. SEM vaizdai neparodė jokio plokščio nikelio/aukso arba nikelio/paladžio (Pd)/aukso paviršiaus.

Elektrinės charakteristikos

Varis yra geriausias metalas formuojant grandines, nes jį lengva pagaminti. Varis geriau nei beveik kiekvienas metalas praleidžia elektrą (1 lentelė) 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

Varis 1.7 (įskaitant Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Neelektrolitinė nikelio danga 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. Mikrobangų PCB signalo praradimas gali viršyti dizainerio specifikacijas. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. Daugelyje programų elektros signalai gali būti atkurti pagal projektinę specifikaciją, nurodant mažesnius nei 2.5 µm nikelio nuosėdas.

Kontaktinis atsparumas

Atsparumas kontaktams skiriasi nuo suvirinamumo, nes nikelio/aukso paviršius išlieka nesuvirintas visą galutinio produkto naudojimo laiką. Nikelis/auksas turi išlikti laidus išorės sąlyčiui po ilgo aplinkos poveikio. 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 – temperatūra, kurioje turi veikti universalios jungtys, dažnai nurodytos kariniams tikslams; 200 ° C, ta temperatūra tampa vis svarbesnė skraidymo įrangai “.

Esant žemai temperatūrai, nikelio barjerai nereikalingi. Kylant temperatūrai, padidėja nikelio kiekis, reikalingas nikelio/aukso perdavimui išvengti (II lentelė).

2 lentelė. Nikelio/aukso kontaktinis atsparumas (1000 valandų)

Nikelio barjerinis sluoksnis patenkinamai liečiasi 65 ° C temperatūroje patenkinamas kontaktas 125 ° C temperatūroje patenkinamas kontaktas esant 200 ° C temperatūrai

0.0 µm 100% 40% 0%

0.5 µm 100% 90% 5%

2.0 µm 100% 100% 10%

4.0 µm 100% 100% 60%

Antlerio tyrime naudojamas nikelis buvo galvanizuotas. Tikimasi, kad pagerės neelektrolitinis nikelis, kaip patvirtino Baudrand 4. Tačiau šie rezultatai yra apie 0.5 µm aukso, kur plokštuma paprastai nusėda 0.2 µm. Galima daryti išvadą, kad plokštumos pakanka kontaktiniams elementams, veikiantiems 125 ° C temperatūroje, tačiau aukštesnės temperatūros elementams reikės specialių bandymų.

„Kuo storesnis nikelis, tuo geresnis barjeras visais atvejais“, – sako Antleris, – tačiau PCB gamybos tikrovė skatina inžinierius deponuoti tik tiek nikelio, kiek reikia. Plokščias nikelis/auksas dabar naudojamas mobiliuosiuose telefonuose ir peidžeriuose, kuriuose naudojami jutikliniai kilimėliai. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

Jungtis

Neelektrolitinis nikelio/aukso panardinimas naudojamas gaminant plokštes su spyruokliniu, presuojamuoju, žemo slėgio slydimo ir kitomis nesuvirintomis jungtimis.

Įkišamos jungtys reikalauja ilgesnio fizinio patvarumo. Tokiais atvejais neelektrolitinės nikelio dangos yra pakankamai tvirtos, kad būtų galima naudoti PCB, tačiau panardinimas į auksą nėra. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Pašalinus auksą, veikiamas nikelis greitai oksiduojasi, todėl padidėja kontaktinis atsparumas.

Neelektrolitinė nikelio danga/panardinimas į auksą gali būti ne geriausias pasirinkimas kištukinėms jungtims, kurios visą gaminio tarnavimo laiką ištveria kelis įdėklus. Daugiafunkcinėms jungtims rekomenduojama naudoti nikelio/paladžio/aukso paviršius.

The barrier layer

Neelektrolitinis nikelis atlieka trijų barjerinių sluoksnių funkciją plokštelėje: 1) neleidžia variui išsiskirti į auksą; 2) To prevent the diffusion of gold to nickel; 3) Ni3Sn4 tarpmetalinių junginių suformuotas nikelio šaltinis.

Vario difuzija į nikelį

Varį pernešant per nikelį, varis suskaidomas į paviršinį auksą. 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. Todėl barjerinio sluoksnio temperatūros reikalavimas yra mažesnis nei viena minutė žemiau 250 ° C.

Turnas ir Owen6 ištyrė skirtingų barjerinių sluoksnių poveikį variui ir auksui. Jie nustatė, kad „… Palyginus vario pralaidumo vertes 400 ° C ir 550 ° C temperatūroje, matyti, kad šešiavalentis chromas ir nikelis, kuriuose yra 8–10% fosforo, yra efektyviausi tirti barjeriniai sluoksniai “. (3 lentelė).

3 lentelė. Vario įsiskverbimas per nikelį į auksą

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 Nedifuzinė nedifuzinė nedifuzinė

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Įdomu tai, kad šiame eksperimente neelektrolitinis nikelis buvo 2–10 kartų efektyvesnis nei galvanizuotas nikelis. Turnas ir Owenas pabrėžia, kad „… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Atliekant šį ekstremalios temperatūros bandymą, ne mažesnis kaip 2 µm nikelio storis yra saugi specifikacija.

Nikelio difuzija į auksą

Antrasis neelektrolitinio nikelio reikalavimas yra tas, kad nikelis nemigruoja per „grūdus“ ar „smulkias skylutes“, įmirkytas auksu. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Yra keletas straipsnių apie nikelį ir auksą, naudojamus kaip keramikos drožlių laikikliai. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Įprastas šių paviršių bandymas yra 500 ° C 15 minučių.

Siekiant įvertinti plokščių neelektrolitinių nikelio/aukso impregnuotų paviršių gebėjimą užkirsti kelią nikelio oksidacijai, buvo ištirtas temperatūroje sendintų paviršių suvirinamumas. Different heat/humidity and time conditions were tested. Šie tyrimai parodė, kad nikelis yra tinkamai apsaugotas išplaunamu auksu, todėl gerai suvirinamas po ilgo senėjimo.

Nikelio ir aukso difuzija kai kuriais atvejais gali būti ribojantis surinkimo veiksnys, pvz., Aukso termogarsinio laido sujungimas. Šioje programoje nikelio/aukso paviršius yra mažiau pažengęs nei nikelio/paladžio/aukso paviršius. 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.

Tarpgenerinis nikelio alavo junginys

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).

4 lentelė. PCB medžiagų difuzija suvirinant

Metalo temperatūros sklaida ° C (µinches/ SEC)

Auksas 450 486 117.9 167.5

Varis 450 525 4.1 7.0

Paladis 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

Nikelio/aukso ir alavo/švino sistemose auksas iš karto ištirpsta į purią alavą. 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.Baderio matavimai parodė, kad norint išlaikyti barjerą, net per daugiau nei šešis temperatūros ciklus, reikia ne daugiau kaip 0.5 µm nikelio. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

akytasis

Neelektrolitinis nikelis/auksas tik neseniai tapo įprasta galutine PCB paviršiaus danga, todėl pramoninės procedūros gali būti netinkamos šiam paviršiui. Galimas azoto rūgšties garo procesas, skirtas elektrolitinio nikelio/aukso, naudojamo kaip kištukinė jungtis, poringumui patikrinti (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Neelektrolitinis nikelis/impregnavimas šio testo neišlaikys. Europos poringumo standartas buvo sukurtas naudojant kalio fericianidą, kad būtų galima nustatyti santykinį plokščių paviršių poringumą, kuris nurodomas porų kvadratiniame milimetre (klaidos /mm2). Geras plokščias paviršius turi turėti mažiau nei 10 skylių kvadratiniam milimetrui 100 kartų padidinus.

išvada

PCB gamybos pramonė yra suinteresuota sumažinti nikelio kiekį, įterptą į plokštę dėl kaštų, ciklo trukmės ir medžiagų suderinamumo. Minimali nikelio specifikacija turėtų padėti išvengti vario difuzijos į aukso paviršių, išlaikyti gerą suvirinimo stiprumą ir išlaikyti mažą atsparumą kontaktams. Didžiausia nikelio specifikacija turėtų leisti lanksčiai gaminti plokštes, nes rimti gedimo būdai nėra susiję su storomis nikelio nuosėdomis.

Daugeliui šiuolaikinių plokščių konstrukcijų minimalus reikalingas nikelio storis yra neelektrolitinė 2.0 µm (80 µ colių) nikelio danga. Praktiškai PCB gamybos partijoje bus naudojamas įvairių storių nikelis (2 pav.). Nikelio storis pasikeis dėl to, kad pasikeis vonios cheminių medžiagų savybės ir pasikeis automatinės kėlimo mašinos laikymo trukmė. Kad būtų užtikrintas ne mažesnis kaip 2.0 µm, galutinių vartotojų specifikacijos turėtų reikalauti 3.5 µm, mažiausiai 2.0 µm ir ne daugiau kaip 8.0 µm.

Šis nurodytas nikelio storio diapazonas pasirodė tinkamas milijonams plokščių gaminti. Asortimentas atitinka šiandienos elektronikos suvirinamumo, galiojimo laiko ir kontaktų reikalavimus. Kadangi surinkimo reikalavimai įvairiuose gaminiuose skiriasi, gali prireikti optimizuoti paviršiaus dangas kiekvienai konkrečiai sričiai.