Het laatste coatingproces voor: PCB productie heeft de laatste jaren grote veranderingen ondergaan. 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.

De laatste coating wordt gebruikt om het oppervlak van de koperfolie van het circuit te beschermen. Koper (Cu) is een goed oppervlak voor het lassen van onderdelen, maar oxideert gemakkelijk; Koperoxide belemmert de bevochtiging van soldeer. Hoewel goud (Au) nu wordt gebruikt om koper te bedekken, omdat goud niet oxideert; Goud en koper zullen snel diffunderen en elkaar doordringen. Al het blootgestelde koper zal snel een niet-lasbaar koperoxide vormen. Eén benadering is om een ​​nikkel (Ni) “barrièrelaag” te gebruiken die voorkomt dat goud en koper worden overgedragen en die een duurzaam, geleidend oppervlak biedt voor de montage van componenten.

PCB-vereisten voor niet-elektrolytische nikkelcoating

The non-electrolytic nickel coating should perform several functions:

Het oppervlak van een goudafzetting

Het uiteindelijke doel van de schakeling is om een ​​verbinding te vormen met een hoge fysieke sterkte en goede elektrische eigenschappen tussen PCB en componenten. Als er oxide of verontreiniging op het PCB-oppervlak is, zou deze lasverbinding niet optreden met de zwakke flux van vandaag.

Goud zet zich van nature af op nikkel en oxideert niet tijdens langdurige opslag. Het goud zet zich echter niet af op het geoxideerde nikkel, dus het nikkel moet zuiver blijven tussen het nikkelbad en het oplossen van het goud. 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.

hardheid

Niet-elektrolytische vernikkelde oppervlakken worden gebruikt in veel toepassingen die fysieke sterkte vereisen, zoals lagers voor autotransmissie. PCB-vereisten zijn veel minder streng dan die voor deze toepassingen, maar een bepaalde hardheid is belangrijk voor draadverbinding, touchpad-contacten, edge-connetor-connectoren en duurzaamheid van de verwerking.

Loodbinding vereist een nikkelhardheid. Er kan wrijvingsverlies optreden als het lood het neerslag vervormt, waardoor het lood in het substraat “smelt”. SEM-beelden toonden geen penetratie in het oppervlak van plat nikkel/goud of nikkel/palladium (Pd)/goud.

Elektrische eigenschappen

Koper is het metaal bij uitstek voor circuitvorming omdat het gemakkelijk te maken is. Koper geleidt elektriciteit beter dan bijna elk metaal (tabel 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

Koper 1.7 (inclusief Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Niet-elektrolytische nikkelcoating 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. Het signaalverlies van microgolf-PCB’s kan de specificaties van de ontwerper overschrijden. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. In veel toepassingen kunnen elektrische signalen worden hersteld naar de ontwerpspecificatie door nikkelafzettingen van minder dan 2.5 µm te specificeren.

Contact weerstand

Contactweerstand verschilt van lasbaarheid omdat het nikkel/gouden oppervlak gedurende de gehele levensduur van het eindproduct ongelast blijft. Nikkel/goud moet geleidend blijven bij uitwendig contact na langdurige blootstelling aan de omgeving. 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, de temperatuur waarbij universele connectoren moeten werken, vaak gespecificeerd voor militaire toepassingen; 200°C, that temperature is becoming more and more important for flying equipment.”

Voor lage temperaturen zijn nikkelbarrières niet vereist. As the temperature increases, the amount of nickel required to prevent nickel/gold transfer increases (Table II).

Tabel 2. Contactweerstand van nikkel/goud (1000 uur)

Nikkel barrièrelaag goed contact bij 65°C bevredigend contact bij 125 °C bevredigend contact bij 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%

Het nikkel dat in de studie van Antler werd gebruikt, was gegalvaniseerd. Verbeteringen worden verwacht van niet-elektrolytisch nikkel, zoals bevestigd door Baudrand 4. Deze resultaten zijn echter voor 0.5 µm goud, waarbij het vlak gewoonlijk 0.2 µm neerslaat. Er kan worden geconcludeerd dat het vlak voldoende is voor contactelementen die werken bij 125 ° C, maar elementen met een hogere temperatuur vereisen gespecialiseerde tests.

“Hoe dikker het nikkel, hoe beter de barrière, in alle gevallen,” suggereert Antler, “maar de realiteit van de PCB-productie moedigt ingenieurs aan om slechts zoveel nikkel te deponeren als nodig is. Plat nikkel/goud wordt nu gebruikt in mobiele telefoons en semafoons die touchpad-contactpunten gebruiken. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

De connector

Niet-elektrolytische onderdompeling in nikkel/goud wordt gebruikt bij de vervaardiging van printplaten met veerpassing, perspassing, lagedrukglijdende en andere niet-gelaste connectoren.

Plug-in connectoren vereisen een langere fysieke duurzaamheid. In deze gevallen zijn niet-elektrolytische nikkelcoatings sterk genoeg voor PCB-toepassingen, maar onderdompeling in goud is dat niet. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Wanneer het goud wordt verwijderd, oxideert het blootgestelde nikkel snel, wat resulteert in een toename van de contactweerstand.

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. Nikkel/palladium/gouden oppervlakken worden aanbevolen voor multifunctionele connectoren.

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) Bron van nikkel gevormd door Ni3Sn4-intermetallische verbindingen.

Diffusie van koper naar nikkel

De overdracht van koper door nikkel zal leiden tot ontleding van koper tot oppervlaktegoud. 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. Daarom is de temperatuurvereiste van de barrièrelaag minder dan één minuut onder 250°C.

Turn en Owen6 hebben het effect van verschillende barrièrelagen op koper en goud bestudeerd. Ze vonden dat “… Vergelijking van koperpermeabiliteitswaarden bij 400 °C en 550 °C laat zien dat zeswaardig chroom en nikkel met een fosforgehalte van 8-10% de meest effectieve barrièrelagen zijn die zijn bestudeerd “. (tafel 3).

Tabel 3. Penetratie van koper via nikkel naar goud

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 Niet-diffusie niet-diffusie niet-diffusie

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Interessant is dat in dit experiment niet-elektrolytisch nikkel 2 tot 10 keer efficiënter was dan gegalvaniseerd nikkel. Turn en Owen wijzen erop dat “… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Uit deze extreme temperatuurtest blijkt dat een nikkeldikte van minimaal 2 µm een ​​veilige specificatie is.

Diffusie van nikkel naar goud

De tweede vereiste van niet-elektrolytisch nikkel is dat nikkel niet migreert door “korrels” of “fijne gaten” geïmpregneerd met goud. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Er zijn verschillende artikelen over nikkel en goud die worden gebruikt als keramische chipdragers. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Een gebruikelijke test voor deze oppervlakken is 500°C gedurende 15 minuten.

Om het vermogen van vlakke niet-elektrolytische nikkel/goud-geïmpregneerde oppervlakken om nikkeloxidatie te voorkomen, werd de lasbaarheid van temperatuurverouderde oppervlakken bestudeerd. Different heat/humidity and time conditions were tested. Deze studies hebben aangetoond dat nikkel voldoende wordt beschermd door uitlogend goud, waardoor een goede lasbaarheid na lange veroudering mogelijk is.

Diffusie van nikkel tot goud kan in sommige gevallen een beperkende factor zijn voor de montage, zoals bij thermische draadbinding van goud. Bij deze toepassing is het nikkel/goud-oppervlak minder geavanceerd dan het nikkel/palladium/goud-oppervlak. 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.

Nikkel-tin intergenerieke verbinding

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).

Tabel 4. Diffusie van PCB-materialen bij het lassen

Metaaltemperatuur °C diffusiviteit (µinches/SEC.)

Goud 450 486 117.9 167.5

Koper 450 525 4.1 7.0

Palladium 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

In nikkel/goud en tin/lood systemen lost het goud direct op in los tin. 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.Uit de metingen van Bader bleek dat er niet meer dan 0.5 µm nikkel nodig was om de barrière te behouden, zelfs bij meer dan zes temperatuurcycli. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

poreus

Niet-elektrolytisch nikkel/goud is pas sinds kort een gebruikelijke eindcoating voor PCB’s, dus industriële procedures zijn mogelijk niet geschikt voor dit oppervlak. Er is een salpeterzuurstoomproces beschikbaar voor het testen van de porositeit van elektrolytisch nikkel/goud dat wordt gebruikt als plug-in connector (IPC-TM-650 2.3.24.2)9. Niet-elektrolytisch nikkel/impregnatie zal deze test niet doorstaan. Met kaliumferricyanide is een Europese porositeitsnorm ontwikkeld om de relatieve porositeit van vlakke oppervlakken te bepalen, uitgedrukt in poriën per vierkante millimeter (bugs /mm2). Een goed vlak oppervlak moet minder dan 10 gaten per vierkante millimeter hebben bij een vergroting van 100 x.

conclusie

De PCB-industrie is geïnteresseerd in het verminderen van de hoeveelheid nikkel die op het bord wordt afgezet om redenen van kosten, cyclustijd en materiaalcompatibiliteit. De minimale nikkelspecificatie moet koperdiffusie naar het goudoppervlak helpen voorkomen, een goede lassterkte behouden en de contactweerstand laag houden. De maximale nikkelspecificatie moet flexibiliteit bij de plaatproductie mogelijk maken, aangezien er geen ernstige faalwijzen worden geassocieerd met dikke nikkelafzettingen.

Voor de meeste hedendaagse printplaatontwerpen is een niet-elektrolytische nikkelcoating van 2.0 µm (80 µinches) de minimaal vereiste nikkeldikte. In de praktijk zal een reeks nikkeldiktes worden gebruikt op een productiepartij van de PCB (Figuur 2). De verandering in nikkeldikte zal het gevolg zijn van de verandering in de eigenschappen van de badchemicaliën en de verandering in de verblijftijd van de automatische hefmachine. Om een ​​minimum van 2.0 µm te garanderen, moeten specificaties van eindgebruikers 3.5 µm, minimaal 2.0 µm en maximaal 8.0 µm vereisen.

Dit gespecificeerde bereik van nikkeldikte is geschikt gebleken voor de productie van miljoenen printplaten. Het assortiment voldoet aan de lasbaarheid, houdbaarheid en contactvereisten van de hedendaagse elektronica. Omdat de montage-eisen van het ene product tot het andere verschillen, moeten oppervlaktecoatings mogelijk worden geoptimaliseerd voor elke specifieke toepassing.