Конечниот процес на обложување за ПХБ производството претрпе значителни промени во последниве години. 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.

Конечниот слој се користи за заштита на површината на колото бакарна фолија. Бакарот (Cu) е добра површина за заварување на компоненти, но лесно се оксидира; Бакарниот оксид го попречува влажноста на лемењето. Иако златото (Ау) сега се користи за покривање на бакар, бидејќи златото не се оксидира; Златото и бакарот брзо ќе се распрснат и проникнуваат едни со други. Секој изложен бакар брзо ќе формира бакар оксид што не може да се заварува. Еден пристап е да се користи „бариерен слој“ од никел (Ni) кој спречува пренесување на златото и бакарот и обезбедува издржлива, проводна површина за склопување на компонентите.

Барања за ПХБ за не-електролитски никел слој

The non-electrolytic nickel coating should perform several functions:

Површина на депозит на злато

Крајната цел на колото е да се формира врска со висока физичка сила и добри електрични карактеристики помеѓу ПХБ и компонентите. Ако има било каков оксид или контаминација на површината на ПХБ, овој заварен спој не би се појавил со денешниот слаб флукс.

Златото се депонира природно на никел и не оксидира за време на долго складирање. Сепак, златото не се населува на оксидираниот никел, така што никелот мора да остане чист помеѓу бањата со никел и распуштањето на златото. 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. Оваа содржина на фосфор во не-електролитски никел слој се смета за внимателна рамнотежа на контрола на бањата, оксид и електрични и физички својства.

цврстина

Не-електролитски површини обложени со никел се користат во многу апликации кои бараат физичка сила, како што се лежишта за автомобилски пренос. Барањата за ПХБ се далеку помалку строги од оние за овие апликации, но одредена цврстина е важна за поврзување со жици, контакти со тачпад, конектори за работ на конектор и одржливост на обработка.

За врзување на олово е потребна цврстина на никел. Губење на триење може да настане доколку оловото го деформира талогот, што помага оловото да се „стопи“ во подлогата. СЕМ -сликите не покажаа пенетрација во површината на рамниот никел/злато или никел/паладиум (ПД)/злато.

Електрични карактеристики

Бакарот е метал на избор за формирање кола бидејќи е лесен за изработка. Бакарот спроведува електрична енергија подобро од скоро секој метал (табела 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

Бакар 1.7 (вклучувајќи Ω см)

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Неелектролитски никел слој 55 ~ 90 µ ω 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. Губењето на сигналот на микробрановата плочка може да ги надмине спецификациите на дизајнерот. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. Во многу апликации, електричните сигнали може да се вратат во спецификацијата на дизајнот со одредување на наслаги на никел помали од 2.5 µm.

Отпорност на контакт

Отпорноста на контакт е различна од заварливоста бидејќи површината на никел/злато останува незаварена во текот на животот на крајниот производ. Никелот/златото мора да останат проводни за надворешен контакт по продолжена изложеност на животната средина. 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, температурата на која мора да работат универзалните конектори, честопати одредена за воени апликации; 200 ° C, таа температура станува с important поважна за опремата за летање “.

За ниски температури, никеловите бариери не се потребни. Како што се зголемува температурата, количината на никел потребна за да се спречи трансферот на никел/злато се зголемува (Табела II).

Табела 2. Отпорност на контакт на никел/злато (1000 часа)

Никел -бариера слој задоволителен контакт на 65 ° C задоволителен контакт на 125 ° C задоволителен контакт на 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%

Никелот што се користеше во студијата на Антлер беше електропластиран. Се очекуваат подобрувања од неелектролитичкиот никел, што е потврдено со Бодранд 4. Сепак, овие резултати се за 0.5 µm злато, каде што рамнината обично преципитира 0.2 µm. Може да се заклучи дека авионот е доволен за контактни елементи што работат на 125 ° C, но елементите со повисока температура ќе бараат специјализирано тестирање.

„Колку е подебелиот никел, толку е подобра бариерата, во сите случаи“, сугерира Антлер, „но реалноста на производството на ПХБ ги поттикнува инженерите да депонираат само онолку никел колку што е потребно. Рамен никел/злато сега се користи во мобилни телефони и пејџери кои користат контакт-точки за тач-подлога. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

Конекторот

Неелектролитичко потопување на никел/злато се користи во производството на плочки со пролетно вклопување, притискање, лизгање под низок притисок и други споеви без заварување.

Приклучните конектори бараат подолга физичка издржливост. Во овие случаи, неелектролитичките премази на никел се доволно силни за апликации на ПХБ, но потопувањето во злато не е. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Кога златото се отстранува, изложениот никел брзо се оксидира, што резултира со зголемување на отпорноста на контакт.

Неелектролитичка обвивка со никел/потопување во злато можеби не е најдобриот избор за приклучоци што издржуваат повеќекратни вметнувања во текот на животот на производот. За повеќенаменски конектори се препорачуваат површини од никел/паладиум/злато.

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) Извор на никел формиран од интерметални соединенија Ni3Sn4.

Дифузија на бакар до никел

Преносот на бакар преку никел ќе резултира со распаѓање на бакар во површинско злато. 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. Затоа, температурното барање на бариералниот слој е помало од една минута под 250 ° C.

Турн и Овен6 го проучувале ефектот на различни бариерални слоеви врз бакар и злато. Откриле дека „… Споредбата на вредностите за пропустливост на бакар на 400 ° C и 550 ° C покажува дека шестовалентниот хром и никел со содржина на фосфор од 8-10% се најефективните бариера слоеви што се изучуваат “. (табела 3).

Табела 3. Пенетрација на бакар преку никел до злато

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 Не-дифузија не-дифузија не-дифузија

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Интересно, во овој експеримент, неелектролитичкиот никел беше 2 до 10 пати поефикасен од никелот со галванизирани плочи. Тарн и Овен истакнуваат дека „… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Од овој тест за екстремна температура, дебелината на никелот од најмалку 2 µm е безбедна спецификација.

Дифузија на никел во злато

Второто барање за не-електролитски никел е никелот да не мигрира низ „зрната“ или „фините дупки“ импрегнирани со злато. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Постојат неколку написи за никел и злато што се користат како носачи на керамички чипови. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Вообичаен тест за овие површини е 500 ° C за 15 минути.

Со цел да се оцени способноста на рамни неелектролитички површини импрегнирани со никел/злато за да се спречи оксидација на никел, беше проучена заварливоста на површини стари температури. Different heat/humidity and time conditions were tested. Овие студии покажаа дека никелот е соодветно заштитен со истекување на злато, што овозможува добра заварливост по долго стареење.

Дифузијата на никел во злато може да биде ограничувачки фактор за склопување во некои случаи, како што е златна термасонична врска со жици. Во оваа апликација, површината на никел/злато е помалку напредна од површината на никел/паладиум/злато. 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.

Никел калај интергенеричко соединение

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).

Табела 4. Дифузност на ПХБ материјали при заварување

Температура на метал ° C дифузивност (µinches/ SEC.)

Злато 450 486 117.9 167.5

Бакар 450 525 4.1 7.0

Паладиум 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

Во системите за никел/злато и калај/олово, златото веднаш се раствора во лабава калај. 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.Мерењата на Бадер покажаа дека не се потребни повеќе од 0.5µm никел за одржување на бариерата, дури и преку повеќе од шест циклуси на температура. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

порозен

Неелектролитичкиот никел/злато неодамна стана вообичаен конечен завршен PCB слој, така што индустриските постапки можеби не се соодветни за оваа површина. Достапен е процес на пареа од азотна киселина за тестирање на порозноста на електролитски никел/злато што се користи како приклучок за приклучок (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Неелектролитички никел/импрегнација нема да го положат овој тест. Европски стандард за порозност е развиен со употреба на калиум ферицијанид за да се одреди релативната порозност на рамните површини, која е дадена во однос на порите по квадратен милиметар (бубачки /мм2). Добрата рамна површина треба да има помалку од 10 дупки по квадратен милиметар при 100 x зголемување.

заклучок

Производствената индустрија на ПХБ е заинтересирана за намалување на количината на никел депонирана на таблата поради трошоците, времето на циклусот и компатибилноста на материјалот. Минималната спецификација за никел треба да помогне да се спречи дифузија на бакар на површината на златото, да се одржи добра јачина на заварување и да се одржува ниска отпорност на контакт. Максималната спецификација за никел треба да дозволи флексибилност во производството на плочи, бидејќи ниеден сериозен начин на дефект не е поврзан со дебели наслаги на никел.

За повеќето денешни дизајни на кола, не-електролитски никел слој од 2.0 µm (80µинчи) е минималната потребна дебелина на никел. Во пракса, голем број дебелини на никел ќе се користат на производствениот дел од ПХБ (Слика 2). Промената на дебелината на никелот ќе произлезе од промената на својствата на хемикалиите за капење и промената во времето на престој на автоматската машина за кревање. За да се обезбеди минимум 2.0µm, спецификациите од крајните корисници треба да бараат 3.5µm, минимум 2.0µm и максимум 8.0µm.

Овој специфичен опсег на дебелина на никел се покажа како соодветен за производство на милиони плочки. Опсегот ги исполнува заварливоста, рокот на траење и барањата за контакт на денешната електроника. Бидејќи барањата за склопување се различни од еден производ до друг, површинските облоги можеби ќе треба да бидат оптимизирани за секоја одредена апликација.