Proses salutan terakhir untuk BPA pembuatan telah mengalami perubahan yang ketara dalam beberapa tahun kebelakangan ini. 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.

Lapisan akhir digunakan untuk melindungi permukaan kerajang tembaga litar. Tembaga (Cu) adalah permukaan yang baik untuk komponen kimpalan, tetapi mudah dioksidakan; Tembaga oksida menghalang basah pateri. Walaupun emas (Au) sekarang digunakan untuk menutup tembaga, kerana emas tidak mengoksidakan; Emas dan tembaga akan cepat meresap dan meresap antara satu sama lain. Tembaga yang terdedah dengan cepat akan membentuk oksida tembaga yang tidak boleh dikimpal. Salah satu pendekatannya adalah menggunakan “lapisan penghalang” nikel (Ni) yang mencegah emas dan tembaga berpindah dan menyediakan permukaan konduktif yang tahan lama untuk pemasangan komponen.

Keperluan PCB untuk lapisan nikel bukan elektrolitik

The non-electrolytic nickel coating should perform several functions:

Permukaan simpanan emas

Tujuan utama litar adalah untuk membentuk hubungan dengan kekuatan fizikal yang tinggi dan ciri elektrik yang baik antara PCB dan komponen. Sekiranya terdapat oksida atau pencemaran pada permukaan PCB, sambungan yang dikimpal ini tidak akan berlaku dengan fluks lemah hari ini.

Emas mendapan secara semula jadi di atas nikel dan tidak mengoksidakan semasa penyimpanan lama. However, the gold does not settle on the oxidized nickel, so the nickel must remain pure between the nickel bath and the dissolution of the 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.

kekerasan

Permukaan bersalut nikel bukan elektrolit digunakan dalam banyak aplikasi yang memerlukan kekuatan fizikal, seperti galas transmisi automotif. Keperluan PCB jauh lebih ketat daripada yang terdapat pada aplikasi ini, tetapi kekerasan tertentu penting untuk ikatan wayar, kenalan pad sentuh, penyambung tepi-konektor, dan kelangsungan pemprosesan.

Ikatan plumbum memerlukan kekerasan nikel. Kehilangan geseran dapat terjadi jika plumbum mengubah endapan, yang membantu memimpin “mencair” ke dalam substrat. Gambar SEM tidak menunjukkan penembusan ke permukaan nikel / emas rata atau nikel / paladium (Pd) / emas.

Ciri-ciri elektrik

Tembaga adalah logam pilihan untuk pembentukan litar kerana senang dibuat. Tembaga mengalirkan elektrik lebih baik daripada hampir semua logam (jadual 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

Tembaga 1.7 (termasuk Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Lapisan nikel bukan elektrolit 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. Kehilangan isyarat gelombang mikro PCB boleh melebihi spesifikasi pereka. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. Dalam banyak aplikasi, isyarat elektrik dapat dikembalikan kepada spesifikasi reka bentuk dengan menentukan simpanan nikel kurang dari 2.5µm.

Hubungi rintangan

Rintangan sentuhan berbeza dengan kebolehkimpalan kerana permukaan nikel / emas tetap tidak dilekatkan sepanjang hayat produk akhir. Nikel / emas mesti kekal konduktif kepada hubungan luaran setelah terdedah kepada persekitaran yang berpanjangan. 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, suhu di mana penyambung sejagat mesti beroperasi, sering ditentukan untuk aplikasi ketenteraan; 200°C, that temperature is becoming more and more important for flying equipment.”

Untuk suhu rendah, penghalang nikel tidak diperlukan. As the temperature increases, the amount of nickel required to prevent nickel/gold transfer increases (Table II).

Jadual 2. Ketahanan kenalan nikel / emas (1000 jam)

Lapisan penghalang nikel sentuhan memuaskan pada 65 ° C hubungan memuaskan pada 125 ° C hubungan memuaskan pada 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%

Nikel yang digunakan dalam kajian Antler disadur. Peningkatan diharapkan dari nikel bukan elektrolitik, seperti yang disahkan oleh Baudrand 4. Walau bagaimanapun, hasil ini adalah untuk emas 0.5 µm, di mana pesawat biasanya mendakan 0.2 µm. Pesawat dapat disimpulkan cukup untuk elemen kontak yang beroperasi pada suhu 125 ° C, tetapi elemen suhu yang lebih tinggi akan memerlukan ujian khusus.

“Semakin tebal nikel, semakin baik penghalangnya, dalam semua hal,” Antler menyarankan, “tetapi kenyataan pembuatan PCB mendorong para jurutera untuk menyimpan hanya sebanyak nikel yang diperlukan. Nikel / emas rata kini digunakan dalam telefon bimbit dan alat pager yang menggunakan titik sentuh pad sentuh. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

Penyambungnya

Perendaman nikel / emas bukan elektrolitik digunakan dalam pembuatan papan litar dengan pemasangan spring, pas tekan, gelangsar tekanan rendah dan penyambung lain yang tidak dikimpal.

Penyambung pemalam memerlukan ketahanan fizikal yang lebih lama. Dalam kes ini, lapisan nikel bukan elektrolitik cukup kuat untuk aplikasi PCB, tetapi rendaman emas tidak. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Apabila emas dikeluarkan, nikel yang terdedah mengoksidasi dengan cepat, yang mengakibatkan peningkatan daya tahan kontak.

Non-electrolytic nickel coating/gold immersion may not be the best choice for plug-in connectors that endure multiple inserts throughout the life of the product. Permukaan nikel / paladium / emas disyorkan untuk penyambung pelbagai guna.

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) Sumber nikel yang dibentuk oleh sebatian intermetalik Ni3Sn4.

Penyebaran tembaga ke nikel

Pemindahan tembaga melalui nikel akan mengakibatkan penguraian tembaga ke permukaan emas. 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. Oleh itu, keperluan suhu lapisan penghalang kurang dari satu minit di bawah 250 ° C.

Turn dan Owen6 telah mengkaji kesan lapisan penghalang yang berbeza pada tembaga dan emas. Mereka mendapati bahawa “… Perbandingan nilai kebolehtelapan tembaga pada suhu 400 ° C dan 550 ° C menunjukkan bahawa kromium heksavalen dan nikel dengan kandungan fosfor 8-10% adalah lapisan penghalang yang paling berkesan yang dikaji. (jadual 3).

Jadual 3. Penembusan tembaga melalui nikel ke emas

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 Non-diffusion non-diffusion non-diffusion

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Menariknya, dalam eksperimen ini, nikel bukan elektrolit adalah 2 hingga 10 kali lebih cekap daripada nikel terpadat. Pusing dan Owen menunjukkan bahawa “… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Dari ujian suhu yang melampau ini, ketebalan nikel sekurang-kurangnya 2µm adalah spesifikasi yang selamat.

Penyebaran nikel ke emas

Keperluan kedua nikel bukan elektrolitik ialah nikel tidak berhijrah melalui “butir” atau “lubang halus” yang diresapi dengan emas. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Terdapat beberapa artikel mengenai nikel dan emas yang digunakan sebagai pembawa cip seramik. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Ujian biasa untuk permukaan ini ialah 500 ° C selama 15 minit.

Untuk menilai kemampuan permukaan nikel / elektrolitik tidak rata elektrolitik rata untuk mengelakkan pengoksidaan nikel, kebolehkelasan permukaan yang berumur suhu dikaji. Different heat/humidity and time conditions were tested. Kajian-kajian ini menunjukkan bahawa nikel dilindungi dengan baik dengan pencucian emas, memungkinkan kebolehkimpalan yang baik setelah penuaan yang lama.

Penyebaran nikel ke emas mungkin menjadi faktor pembatas untuk pemasangan dalam beberapa kes, seperti ikatan wayar termalsonik emas. Dalam aplikasi ini, permukaan nikel / emas kurang maju daripada permukaan nikel / paladium / emas. 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.

Sebatian intergenerik timah nikel

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).

Jadual 4. Kesukaran bahan PCB dalam kimpalan

Penyebaran suhu logam ° C (min / SEC.)

Emas 450 486 117.9 167.5

Tembaga 450 525 4.1 7.0

Paladium 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

Dalam sistem nikel / emas dan timah / timah, emas segera larut menjadi timah longgar. 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.Pengukuran Bader menunjukkan bahawa tidak lebih dari 0.5µm nikel diperlukan untuk menjaga penghalang, bahkan melalui lebih dari enam siklus suhu. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

berliang

Nikel / emas bukan elektrolit baru-baru ini menjadi lapisan permukaan PCB akhir yang biasa, jadi prosedur perindustrian mungkin tidak sesuai untuk permukaan ini. Proses wap asid nitrik tersedia untuk menguji keliangan nikel / emas elektrolitik yang digunakan sebagai penyambung pemalam (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Nikel / impregnasi bukan elektrolitik tidak akan lulus ujian ini. Satu standard keliangan Eropah telah dikembangkan menggunakan kalium ferricyanide untuk menentukan keliangan relatif permukaan rata, yang diberikan dalam bentuk liang per milimeter persegi (bug / mm2). Permukaan rata yang baik harus mempunyai kurang dari 10 lubang per milimeter persegi pada pembesaran 100 x.

kesimpulan

Industri pembuatan PCB berminat untuk mengurangkan jumlah nikel yang disimpan di papan atas alasan kos, masa kitaran, dan keserasian bahan. Spesifikasi minimum nikel harus membantu mencegah penyebaran tembaga ke permukaan emas, mengekalkan kekuatan kimpalan yang baik, dan menjaga ketahanan sentuhan rendah. Spesifikasi nikel maksimum harus memungkinkan fleksibiliti dalam pembuatan plat, kerana cara kegagalan yang serius tidak berkaitan dengan simpanan nikel yang tebal.

Bagi kebanyakan reka bentuk papan litar hari ini, lapisan nikel bukan elektrolitik 2.0µm (80µinches) adalah ketebalan nikel minimum yang diperlukan. Dalam praktiknya, pelbagai ketebalan nikel akan digunakan pada lot pengeluaran PCB (Gambar 2). Perubahan ketebalan nikel akan berlaku akibat perubahan sifat bahan kimia mandi dan perubahan masa tinggal mesin angkat automatik. Untuk memastikan minimum 2.0µm, spesifikasi dari pengguna akhir harus memerlukan 3.5µm, minimum 2.0µm, dan maksimum 8.0µm.

Julat ketebalan nikel yang ditentukan ini terbukti sesuai untuk pengeluaran berjuta-juta papan litar. Rentang ini memenuhi kebolehkimpalan, jangka hayat dan keperluan hubungan elektronik semasa. Kerana keperluan pemasangan berbeza dari satu produk ke produk lain, pelapisan permukaan mungkin perlu dioptimumkan untuk setiap aplikasi tertentu.