Pēdējais pārklājuma process PCB ražošana pēdējos gados ir piedzīvojusi būtiskas izmaiņas. 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.

Galīgo pārklājumu izmanto, lai aizsargātu ķēdes vara folijas virsmu. Varš (Cu) ir laba virsma komponentu metināšanai, bet ir viegli oksidējama; Vara oksīds kavē lodēšanas mitrināšanu. Lai gan zeltu (Au) tagad izmanto vara pārklāšanai, jo zelts neoksidējas; Zelts un varš ātri izkliedēsies un iekļūs viens otrā. Jebkurš atklāts varš ātri veidos nemetināmu vara oksīdu. Viena pieeja ir izmantot niķeļa (Ni) “barjeras slāni”, kas novērš zelta un vara pārnešanu un nodrošina izturīgu, vadošu virsmu detaļu montāžai.

PCB prasības neelektrolītiska niķeļa pārklājumam

Neelektrolītiskajam niķeļa pārklājumam vajadzētu veikt vairākas funkcijas:

Zelta depozīta virsma

Ķēdes galvenais mērķis ir izveidot savienojumu ar augstu fizisko izturību un labām elektriskajām īpašībām starp PCB un komponentiem. Ja uz PCB virsmas ir kāds oksīds vai piesārņojums, šis metinātais savienojums nenotiek ar šodienas vāju plūsmu.

Zelts dabiski nogulsnējas virs niķeļa un ilgstošas ​​uzglabāšanas laikā neoksidējas. Tomēr zelts nenosēžas uz oksidētā niķeļa, tāpēc niķelim jāpaliek tīram starp niķeļa vannu un zelta izšķīšanu. 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 fosfora saturs neelektrolītiskajā niķeļa pārklājumā tiek uzskatīts par rūpīgu vannas kontroles, oksīda, elektrisko un fizisko īpašību līdzsvaru.

cietība

Neelektrolītiskas virsmas, kas pārklātas ar niķeli, tiek izmantotas daudzos pielietojumos, kam nepieciešama fiziska izturība, piemēram, automobiļu transmisijas gultņos. PCB prasības ir daudz mazāk stingras nekā šīm lietojumprogrammām, taču noteikta cietība ir svarīga vadu savienošanai, skārienpaliktņa kontaktiem, malu savienotāju savienotājiem un apstrādes ilgtspējai.

Svina savienošanai nepieciešama niķeļa cietība. Berzes zudums var rasties, ja svins deformē nogulsnes, kas palīdz svinam “izkausēt” pamatnē. SEM attēli neuzrādīja plakanā niķeļa/zelta vai niķeļa/pallādija (Pd)/zelta virsmu.

Elektriskās īpašības

Varš ir izvēlētais metāls ķēdes veidošanai, jo to ir viegli izgatavot. Varš vada elektrību labāk nekā gandrīz katrs metāls (1. tabula) 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

Varš 1.7 (ieskaitot Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Neelektrolītisks niķeļa pārklājums 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. Mikroviļņu PCB signāla zudums var pārsniegt dizainera specifikācijas. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. Daudzos gadījumos elektriskos signālus var atjaunot atbilstoši konstrukcijas specifikācijai, norādot niķeļa nogulsnes, kas ir mazākas par 2.5 µm.

Saskares pretestība

Kontaktu pretestība atšķiras no metināmības, jo niķeļa/zelta virsma paliek nemetināta galaprodukta kalpošanas laikā. Niķelim/zeltam pēc ilgstošas ​​vides iedarbības jāpaliek vadošam ārējam kontaktam. 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, kurā jādarbojas universālajiem savienotājiem, bieži norādīta militārām vajadzībām; 200 ° C, šī temperatūra kļūst arvien svarīgāka lidojošajam aprīkojumam. ”

Zemām temperatūrām niķeļa barjeras nav nepieciešamas. Palielinoties temperatūrai, palielinās niķeļa daudzums, kas nepieciešams, lai novērstu niķeļa/zelta pārnešanu (II tabula).

2. tabula. Niķeļa/zelta kontakta pretestība (1000 stundas)

Niķeļa barjeras slānis apmierinoši saskaras 65 ° C temperatūrā apmierinošs kontakts 125 ° C temperatūrā apmierinošs kontakts 200 ° C temperatūrā

0.0 µm 100% 40% 0%

0.5 µm 100% 90% 5%

2.0 µm 100% 100% 10%

4.0 µm 100% 100% 60%

Antlera pētījumā izmantotais niķelis tika galvanizēts. Sagaidāmi uzlabojumi no neelektrolītiskā niķeļa, kā to apstiprina Baudrand 4. Tomēr šie rezultāti attiecas uz 0.5 µm zeltu, kur plakne parasti nogulsnē 0.2 µm. Var secināt, ka plakne ir pietiekama kontakta elementiem, kas darbojas 125 ° C temperatūrā, bet augstākas temperatūras elementiem būs nepieciešama specializēta pārbaude.

“Jo biezāks niķelis, jo labāka barjera visos gadījumos,” norāda Antlers, “bet PCB ražošanas realitāte mudina inženierus noguldīt tikai tik daudz niķeļa, cik nepieciešams. Plakano niķeli/zeltu tagad izmanto mobilajos tālruņos un peidžeros, kas izmanto skārienpaliktņa kontaktpunktus. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

Savienotājs

Neelektrolītisku niķeļa/zelta iegremdēšanu izmanto shēmu plākšņu ražošanā ar atsperes, presēšanas, zema spiediena bīdāmiem un citiem nemetinātiem savienotājiem.

Plug-in savienotājiem nepieciešama ilgāka fiziskā izturība. Šajos gadījumos neelektrolītiskie niķeļa pārklājumi ir pietiekami izturīgi PCB pielietojumiem, bet zelta iegremdēšana nav. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Kad zelts tiek noņemts, atklātais niķelis ātri oksidējas, kā rezultātā palielinās kontakta pretestība.

Neelektrolītisks niķeļa pārklājums/iegremdēšana zelta krāsā var nebūt labākā izvēle spraudkontaktu savienotājiem, kas iztur vairākus ieliktņus visā izstrādājuma kalpošanas laikā. Daudzfunkcionāliem savienotājiem ieteicams izmantot niķeļa/pallādija/zelta virsmas.

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) Niķeļa avots, ko veido Ni3Sn4 starpmetālu savienojumi.

Vara difūzija uz niķeli

Vara pārnešana caur niķeli novedīs pie vara sadalīšanās virszemes zeltā. 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. Tāpēc barjeras slāņa temperatūras prasība ir mazāka par vienu minūti zem 250 ° C.

Turns un Ovens6 ir pētījuši dažādu barjeras slāņu ietekmi uz varu un zeltu. Viņi atklāja, ka “… Vara caurlaidības vērtību salīdzinājums 400 ° C un 550 ° C temperatūrā parāda, ka sešvērtīgais hroms un niķelis ar 8–10% fosfora saturu ir visefektīvākie pētītie barjeras slāņi ”. (3. tabula).

3. tabula. Vara iekļūšana caur niķeli uz zeltu

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 Nedifūzijas nedifūzijas nedifūzija

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Interesanti, ka šajā eksperimentā neelektrolītiskais niķelis bija 2 līdz 10 reizes efektīvāks nekā galvanizēts niķelis. Turns un Ouens norāda, ka “… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Veicot šo galējās temperatūras testu, niķeļa biezums vismaz 2 µm ir droša specifikācija.

Niķeļa difūzija uz zeltu

Otra neelektrolītiskā niķeļa prasība ir tāda, ka niķelis nemigrē caur “graudiem” vai “smalkiem caurumiem”, kas piesūcināti ar zeltu. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Ir vairāki raksti par niķeli un zeltu, ko izmanto kā keramikas skaidu nesējus. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Parasts šo virsmu tests ir 500 ° C 15 minūtes.

Lai novērtētu plakanu neelektrolītisku niķeļa/zelta impregnētu virsmu spēju novērst niķeļa oksidēšanos, tika pētīta temperatūrā novecojušu virsmu metināmība. Different heat/humidity and time conditions were tested. Šie pētījumi ir parādījuši, ka niķelis ir pienācīgi aizsargāts ar zelta izskalošanos, nodrošinot labu metināmību pēc ilgstošas ​​novecošanas.

Niķeļa difūzija uz zeltu dažos gadījumos var būt ierobežojošs faktors montāžai, piemēram, zelta termoskaņas stieples savienošanai. Šajā pielietojumā niķeļa/zelta virsma ir mazāk attīstīta nekā niķeļa/pallādija/zelta virsma. 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.

Starpģenēlisks niķeļa alvas savienojums

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).

Tabula 4. PCB materiālu difūzija metināšanā

Metāla temperatūras difūzija (µinches/ SEC)

Zelts 450 486 117.9 167.5

Varš 450 525 4.1 7.0

Palādijs 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

Niķeļa/zelta un alvas/svina sistēmās zelts nekavējoties izšķīst brīvā alvā. 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.Badera mērījumi parādīja, ka barjeras uzturēšanai pat vairāk nekā sešos temperatūras ciklos bija nepieciešams ne vairāk kā 0.5 µm niķeļa. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

porains

Neelektrolītiskais niķelis/zelts tikai nesen ir kļuvis par parastu galīgo PCB virsmas pārklājumu, tāpēc rūpnieciskās procedūras var nebūt piemērotas šai virsmai. Ir pieejams slāpekļskābes tvaika process, lai pārbaudītu elektrolītiskā niķeļa/zelta porainību, ko izmanto kā kontaktdakšu (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Neelektrolītisks niķelis/impregnēšana neizturēs šo testu. Eiropas porainības standarts ir izstrādāts, izmantojot kālija ferricianīdu, lai noteiktu plakano virsmu relatīvo porainību, kas norādīta porās uz kvadrātmilimetru (bugs /mm2). Labai līdzenai virsmai vajadzētu būt mazāk par 10 caurumiem uz kvadrātmilimetru pie 100x palielinājuma.

secinājums

PCB ražošanas nozare ir ieinteresēta samazināt uz plāksnes uzkrātā niķeļa daudzumu izmaksu, cikla laika un materiālu savietojamības dēļ. Minimālajai niķeļa specifikācijai vajadzētu palīdzēt novērst vara difūziju uz zelta virsmas, saglabāt labu metinājuma izturību un saglabāt zemu kontakta pretestību. Maksimālajai niķeļa specifikācijai vajadzētu nodrošināt elastību plākšņu ražošanā, jo ar biezām niķeļa nogulsnēm nav saistīti nopietni kļūmju veidi.

Lielākajai daļai mūsdienu shēmu plates konstrukciju minimālais nepieciešamais niķeļa biezums ir neelektrolītisks niķeļa pārklājums 2.0 µm (80 µinches). Praksē PCB ražošanas partijā tiks izmantots dažāds niķeļa biezums (2. attēls). Niķeļa biezuma izmaiņas radīs vannas ķimikāliju īpašību izmaiņas un automātiskās pacelšanas iekārtas aiztures laiks. Lai nodrošinātu vismaz 2.0 µm, galalietotāju specifikācijām vajadzētu pieprasīt 3.5 µm, vismaz 2.0 µm un ne vairāk kā 8.0 µm.

Šis norādītais niķeļa biezuma diapazons ir izrādījies piemērots miljoniem shēmas plates ražošanai. Diapazons atbilst mūsdienu elektronikas metināmības, glabāšanas laika un kontakta prasībām. Tā kā montāžas prasības dažādiem izstrādājumiem ir atšķirīgas, virsmas pārklājumus var būt nepieciešams optimizēt katram konkrētajam pielietojumam.