Den siste belegningsprosessen for PCB produksjonen har gjennomgått betydelige endringer de siste årene. Disse endringene er et resultat av det konstante behovet for å overvinne begrensningene ved HASL (Hot air cohesion) og det økende antallet HASL -alternativer.

Det endelige belegget brukes til å beskytte overflaten av kretsens kobberfolie. Kobber (Cu) er en god overflate for sveising av komponenter, men oksideres lett; Kobberoksid hindrer fukting av loddetinn. Selv om gull (Au) nå brukes til å dekke kobber, fordi gull ikke oksiderer; Gull og kobber vil raskt diffundere og gjennomsyre hverandre. Eventuelt eksponert kobber vil raskt danne et ikke-sveisbart kobberoksid. En tilnærming er å bruke et nikkel (Ni) “barrieresjikt” som forhindrer overføring av gull og kobber og gir en holdbar, ledende overflate for komponentmontering.

PCB-krav for ikke-elektrolytisk nikkelbelegg

Det ikke-elektrolytiske nikkelbelegget bør utføre flere funksjoner:

Overflaten på et gullforekomst

Det endelige formålet med kretsen er å danne en forbindelse med høy fysisk styrke og gode elektriske egenskaper mellom PCB og komponenter. Hvis det er oksid eller forurensning på PCB -overflaten, ville denne sveisede skjøten ikke oppstå med dagens svake strømning.

Gull forekommer naturlig på toppen av nikkel og oksiderer ikke ved lang lagring. Gullet legger seg imidlertid ikke på det oksiderte nikkel, så nikkel må forbli rent mellom nikkelbadet og oppløsningen av gullet. Dermed er det første kravet til nikkel å forbli oksygenfritt lenge nok til at gull kan falle ut. Komponenter utviklet kjemiske utvaskingsbad for å tillate 6 ~ 10% fosforinnhold i nikkelutfelling. Dette fosforinnholdet i det ikke-elektrolytiske nikkelbelegget anses som en nøye balanse mellom badekontroll, oksid og elektriske og fysiske egenskaper.

hardhet

Ikke-elektrolytiske nikkelbelagte overflater brukes i mange applikasjoner som krever fysisk styrke, for eksempel biloverføringslagre. PCB-kravene er langt mindre strenge enn kravene til disse applikasjonene, men en viss hardhet er viktig for wire-bonding, touchpad-kontakter, edge-connetor-kontakter og behandling av bærekraft.

Binding av bly krever en nikkelhardhet. Tap av friksjon kan oppstå hvis blyet deformerer bunnfallet, noe som hjelper blyet “å smelte” inn i underlaget. SEM -bilder viste ingen penetrasjon i overflaten av flatt nikkel/gull eller nikkel/palladium (Pd)/gull.

Elektriske egenskaper

Kobber er det foretrukne metallet for kretsdannelse fordi det er enkelt å lage. Kobber leder elektrisitet bedre enn nesten alle metall (tabell 1) 1,2. Gull har også god elektrisk ledningsevne, noe som gjør det til et perfekt valg for det ytterste metallet fordi elektroner har en tendens til å flyte på overflaten av en ledende rute (“overflaten” -fordelen).

Tabell 1. Resistivitet av PCB -metall

Kobber 1.7 (inkludert Ω cm

Gull (inkludert 2.4 Ω cm

Nikkel (inkludert 7.4 Ω cm

Ikke-elektrolytisk nikkelbelegg 55 ~ 90 µ ω cm

Selv om de elektriske egenskapene til de fleste produksjonsplater ikke påvirkes av nikkellaget, kan nikkel påvirke de elektriske egenskapene til høyfrekvente signaler. Signaltap i mikrobølgeovn PCB kan overstige designerspesifikasjonene. Dette fenomenet er proporsjonalt med tykkelsen på nikkel – kretsen må passere gjennom nikkelen for å nå loddepunktet. I mange applikasjoner kan elektriske signaler gjenopprettes til designspesifikasjonen ved å spesifisere nikkelavsetninger på mindre enn 2.5 um.

Kontaktmotstand

Kontaktmotstanden er forskjellig fra sveisbarheten fordi overflaten av nikkel/gull forblir sveiset gjennom sluttproduktets levetid. Nikkel/gull må forbli ledende for ekstern kontakt etter langvarig miljøeksponering. Antlers bok fra 1970 uttrykte krav til kontakt med nikkel/gull i overflate i kvantitative termer. Ulike miljøer for sluttbruk har blitt studert: 3 “65 ° C, en normal maksimumstemperatur for elektroniske systemer som opererer ved romtemperatur, for eksempel datamaskiner; 125 ° C, temperaturen der universalkontakter må fungere, ofte spesifisert for militære applikasjoner; 200 ° C, blir den temperaturen mer og mer viktig for flygende utstyr. ”

For lave temperaturer er det ikke nødvendig med nikkelbarrierer. Når temperaturen øker, øker mengden nikkel som kreves for å forhindre nikkel/gulloverføring (tabell II).

Tabell 2. Kontaktmotstand av nikkel/gull (1000 timer)

Nikkelbarrierelag tilfredsstillende kontakt ved 65 ° C tilfredsstillende kontakt ved 125 ° C tilfredsstillende kontakt ved 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%

Nikkelen som ble brukt i Antlers studie var galvanisert. Det forventes forbedringer fra ikke-elektrolytisk nikkel, som bekreftet av Baudrand 4. Disse resultatene er imidlertid for 0.5 µm gull, hvor planet vanligvis faller ut 0.2 µm. Flyet kan antas å være tilstrekkelig for kontaktelementer som opererer ved 125 ° C, men elementer med høyere temperatur vil kreve spesialisert testing.

“Jo tykkere nikkel, jo bedre barriere, i alle tilfeller,” antyder Antler, “men realitetene i PCB -produksjon oppmuntrer ingeniører til å sette inn så mye nikkel som er nødvendig. Flat nikkel/gull brukes nå i mobiltelefoner og personsøkere som bruker berøringsputekontaktpunkter. Spesifikasjonen for denne typen elementer er minst 2 µm nikkel.

Koblingen

Ikke-elektrolytisk nedsenking av nikkel/gull brukes til fremstilling av kretskort med fjærpassing, trykkpass, lavtrykkglidning og andre ikke-sveisede kontakter.

Plug-in-kontakter krever lengre fysisk holdbarhet. I disse tilfellene er ikke-elektrolytiske nikkelbelegg sterke nok for PCB-applikasjoner, men neddykking av gull er ikke det. Veldig tynt rent gull (60 til 90 Knoop) vil gni vekk fra nikkelen under gjentatt friksjon. Når gullet fjernes, oksiderer det eksponerte nikkel raskt, noe som resulterer i en økning i kontaktmotstand.

Ikke-elektrolytisk nikkelbelegg/neddykking av gull er kanskje ikke det beste valget for plug-in-kontakter som tåler flere innsatser gjennom produktets levetid. Nikkel/palladium/gull overflater anbefales for flerbruks -kontakter.

Sperrelaget

Ikke-elektrolytisk nikkel har funksjonen til tre sperresjikt på platen: 1) for å forhindre diffusjon av kobber til gull; 2) For å forhindre spredning av gull til nikkel; 3) Nikkelkilde dannet av Ni3Sn4 intermetalliske forbindelser.

Spredning av kobber til nikkel

Overføring av kobber gjennom nikkel vil resultere i nedbrytning av kobber til overflategull. Kobberet oksiderer raskt, noe som resulterer i dårlig sveisbarhet under montering, som oppstår ved nikkellekkasje. Nikkel er nødvendig for å forhindre migrasjon og spredning av tomme plater under lagring og under montering når andre områder av platen er sveiset. Derfor er temperaturkravet til barrieresjiktet mindre enn ett minutt under 250 ° C.

Turn og Owen6 har studert effekten av forskjellige barrieresjikt på kobber og gull. De fant ut at “… Sammenligning av kobberpermeabilitetsverdier ved 400 ° C og 550 ° C viser at sekskvalent krom og nikkel med 8-10% fosforinnhold er de mest effektive barrierelagene som er undersøkt “. (tabell 3).

Tabell 3. Penetrering av kobber gjennom nikkel til gull

Nikkeltykkelse 400 ° C 24 timer 400 ° C 53 timer 550 ° C 12 timer

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 Ikke-diffusjon ikke-diffusjon ikke-diffusjon

I følge Arrhenius -ligningen er diffusjon ved lavere temperaturer eksponensielt langsommere. Interessant nok, i dette eksperimentet, var ikke-elektrolytisk nikkel 2 til 10 ganger mer effektivt enn galvanisert nikkel. Turn og Owen påpeker at “… En (8%) 2 µm (80 µinch) barriere av denne legeringen reduserer kobberdiffusjon til et ubetydelig nivå. ”

Fra denne ekstreme temperaturtesten er en nikkeltykkelse på minst 2 um en sikker spesifikasjon.

Spredning av nikkel til gull

Det andre kravet til ikke-elektrolytisk nikkel er at nikkel ikke vandrer gjennom “korn” eller “fine hull” impregnert med gull. Hvis nikkel kommer i kontakt med luft, vil det oksidere. Nikkeloksid kan ikke selges og er vanskelig å fjerne med fluks.

Det er flere artikler om nikkel og gull som brukes som keramiske flisbærere. Disse materialene tåler ekstreme monteringstemperaturer i lang tid. En vanlig test for disse overflatene er 500 ° C i 15 minutter.

For å evaluere evnen til flate ikke-elektrolytiske nikkel/gullimpregnerte overflater for å forhindre nikkeloksidasjon, ble sveisbarhet av temperaturlagrede overflater undersøkt. Ulike varme/fuktighet og tidsforhold ble testet. Disse studiene har vist at nikkel er tilstrekkelig beskyttet av utvasking av gull, noe som gir god sveisbarhet etter lang aldring.

Spredning av nikkel til gull kan i noen tilfeller være en begrensende faktor for montering, for eksempel termosonisk trådbinding av gull. I denne applikasjonen er overflaten av nikkel/gull mindre avansert enn overflaten av nikkel/palladium/gull. Iacovangelo undersøkte diffusjonsegenskapene til palladium som et barrieresjikt mellom nikkel og gull og fant at 0.5 um palladium forhindrer migrasjon selv ved ekstreme temperaturer. Denne studien viste også at det ikke var noen diffusjon av kobber gjennom 2.5 um nikkel/palladium bestemt av Auger -spektroskopi i løpet av 15 minutter ved 500 ° C.

Nikkel tinn intergenerisk forbindelse

Under overflatemontering eller bølgelodding vil atomer fra PCB -overflaten blandes med loddeatomer, avhengig av metallets diffusjonsegenskaper og evnen til å danne “intermetalliske forbindelser” (tabell 4).

Tabell 4. Diffusivitet av PCB -materialer ved sveising

Metalltemperatur ° C diffusivitet (µinches/ SEC.)

Gull 450 486 117.9 167.5

Kobber 450 525 4.1

Palladium 450 525 1.4

Nikkel 700 1.7

I nikkel/gull og tinn/bly systemer løses gullet umiddelbart opp i løs tinn. Loddetinn danner et sterkt feste til det underliggende nikkel ved å danne Ni3Sn4 intermetalliske forbindelser. Nok nikkel bør avsettes for å sikre at loddetinnet ikke kommer under kobberet.Baders målinger viste at det ikke var nødvendig med mer enn 0.5 um nikkel for å opprettholde barrieren, selv gjennom mer enn seks temperatursykluser. Faktisk er den maksimale intermetalliske lagtykkelsen som er observert mindre enn 0.5 um (20 um).

porøs

Ikke-elektrolytisk nikkel/gull har nylig blitt et vanlig endelig PCB-overflatebelegg, så industrielle prosedyrer er kanskje ikke egnet for denne overflaten. En salpetersyre-dampprosess er tilgjengelig for testing av porøsiteten til elektrolytisk nikkel/gull som brukes som plug-in-kontakt (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Ikke-elektrolytisk nikkel/impregnering vil ikke bestå denne testen. En europeisk porøsitetsstandard er utviklet ved bruk av kaliumferricyanid for å bestemme den relative porøsiteten til flate overflater, som er gitt i form av porer per kvadrat millimeter (bugs /mm2). En god flat overflate bør ha færre enn 10 hull per kvadratmillimeter ved 100 x forstørrelse.

konklusjon

PCB -industrien er interessert i å redusere mengden nikkel som er avsatt på brettet av kostnader, syklustid og materialkompatibilitet. Minimumsspesifikasjonen for nikkel skal bidra til å forhindre diffusjon av kobber til gulloverflaten, opprettholde god sveisestyrke og holde kontaktmotstanden lav. Den maksimale nikkelspesifikasjonen bør tillate fleksibilitet i platefremstilling, da ingen alvorlige feilmåter er forbundet med tykke nikkelavsetninger.

For de fleste dagens kretskortdesigner er et ikke-elektrolytisk nikkelbelegg på 2.0 um (80µinches) den minste nikkeltykkelsen som kreves. I praksis vil en rekke nikkeltykkelser bli brukt på et produksjonsparti av PCB (figur 2). Endringen i nikkeltykkelse vil skyldes endringen i egenskapene til badekjemikaliene og endringen i oppholdstiden til den automatiske løftemaskinen. For å sikre minst 2.0 µm, bør spesifikasjoner fra sluttbrukere kreve 3.5 µm, minimum 2.0 µm og maksimalt 8.0 µm.

Dette angitte nikkeltykkelsesområdet har vist seg å være egnet for produksjon av millioner av kretskort. Serien oppfyller sveisbarheten, holdbarheten og kontaktkravene til dagens elektronikk. Fordi monteringskravene er forskjellige fra ett produkt til et annet, kan det hende at overflatebelegg må optimaliseres for hver enkelt applikasjon.