Ostateczny proces powlekania dla PCB produkcja przeszła znaczące zmiany w ostatnich latach. 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.

Ostateczna powłoka służy do ochrony powierzchni folii miedzianej obwodu. Miedź (Cu) jest dobrą powierzchnią do spawania elementów, ale łatwo się utlenia; Tlenek miedzi utrudnia zwilżanie lutowia. Chociaż złoto (Au) jest teraz używane do pokrycia miedzi, ponieważ złoto nie utlenia się; Złoto i miedź szybko się dyfundują i przenikają. Każda odsłonięta miedź szybko utworzy niespawalny tlenek miedzi. Jednym ze sposobów jest zastosowanie niklowej (Ni) „warstwy barierowej”, która zapobiega przenoszeniu złota i miedzi i zapewnia trwałą, przewodzącą powierzchnię do montażu komponentów.

Wymagania PCB dotyczące nieelektrolitycznej powłoki niklowej

Nieelektrolityczna powłoka niklowa powinna pełnić kilka funkcji:

Powierzchnia złoża złota

Ostatecznym celem obwodu jest utworzenie połączenia o wysokiej wytrzymałości fizycznej i dobrych właściwościach elektrycznych między płytką drukowaną a komponentami. Jeśli na powierzchni PCB znajduje się tlenek lub zanieczyszczenie, to spawanie nie wystąpi przy dzisiejszym słabym topniku.

Złoto osadza się naturalnie na powierzchni niklu i nie utlenia się podczas długiego przechowywania. Jednak złoto nie osadza się na utlenionym niklu, więc nikiel musi pozostać czysty między kąpielą niklową a rozpuszczeniem złota. 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. Ta zawartość fosforu w nieelektrolitycznej powłoce niklowej jest uważana za dokładną równowagę kontroli kąpieli, tlenku oraz właściwości elektrycznych i fizycznych.

twardość

Nieelektrolityczne powierzchnie pokryte niklem są używane w wielu zastosowaniach, które wymagają wytrzymałości fizycznej, takich jak łożyska przekładni samochodowych. Wymagania dotyczące PCB są znacznie mniej rygorystyczne niż te dla tych zastosowań, ale pewna twardość jest ważna dla łączenia przewodów, styków touchpada, złączy krawędziowych i zrównoważonego przetwarzania.

Wiązanie ołowiu wymaga twardości niklu. Utrata tarcia może wystąpić, jeśli ołów odkształci osad, co pomaga ołowiu „wtopić się” w podłoże. Obrazy SEM nie wykazały penetracji powierzchni płaskiego niklu/złota lub niklu/palladu (Pd)/złota.

Parametry elektryczne

Miedź jest metalem wybieranym do tworzenia obwodów, ponieważ jest łatwa do wykonania. Miedź przewodzi elektryczność lepiej niż prawie każdy metal (tabela 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

Miedź 1.7 (w tym Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Nieelektrolityczna powłoka niklowa 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. Utrata sygnału mikrofalowego PCB może przekraczać specyfikacje projektanta. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. W wielu zastosowaniach sygnały elektryczne można przywrócić do specyfikacji projektowej, określając osady niklu mniejsze niż 2.5 µm.

Oporność na kontakt

Rezystancja styku różni się od spawalności, ponieważ powierzchnia niklu/złota pozostaje niespawana przez cały okres użytkowania produktu końcowego. Nikiel/złoto musi pozostawać przewodzące dla kontaktu zewnętrznego po długotrwałym narażeniu na działanie środowiska. 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, temperatura, w której muszą działać uniwersalne złącza, często określana dla zastosowań wojskowych; 200°C, ta temperatura staje się coraz ważniejsza dla sprzętu latającego.”

W przypadku niskich temperatur bariery niklowe nie są wymagane. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta ilość niklu wymagana do zapobiegania przenoszeniu niklu do złota (tabela II).

Tabela 2. Rezystancja styku nikiel/złoto (1000 godzin)

Niklowa warstwa barierowa zadowalający kontakt w 65°C zadowalający kontakt w 125°C zadowalający kontakt w 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%

Nikiel użyty w badaniu Antlera był galwanizowany. Oczekiwane są ulepszenia w przypadku niklu nieelektrolitycznego, co potwierdził Baudrand 4. Jednak wyniki te dotyczą złota 0.5 µm, gdzie samolot zwykle wytrąca 0.2 µm. Można sądzić, że płaszczyzna jest wystarczająca dla elementów stykowych pracujących w temperaturze 125°C, ale elementy o wyższej temperaturze będą wymagały specjalistycznych testów.

„Im grubszy nikiel, tym lepsza bariera we wszystkich przypadkach”, sugeruje Antler, „ale realia produkcji PCB zachęcają inżynierów do deponowania tylko takiej ilości niklu, jaka jest potrzebna. Płaski nikiel/złoto jest obecnie używany w telefonach komórkowych i pagerach, które wykorzystują punkty styku z panelem dotykowym. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

Złącze

Nieelektrolityczne zanurzenie niklowo-złote jest stosowane w produkcji płytek drukowanych z pasowaniem sprężynowym, wciskowym, niskociśnieniowym przesuwnym i innymi złączami niespawanymi.

Złącza wtykowe wymagają dłuższej trwałości fizycznej. W takich przypadkach nieelektrolityczne powłoki niklowe są wystarczająco mocne do zastosowań na PCB, ale zanurzenie w złocie już nie. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Po usunięciu złota odsłonięty nikiel szybko się utlenia, co powoduje wzrost rezystancji styku.

Nieelektrolityczna powłoka niklowa/zanurzenie w złocie może nie być najlepszym wyborem w przypadku złączy wtykowych, które wytrzymują wiele wkładek przez cały okres użytkowania produktu. Powierzchnie niklowe/palladowe/złote są zalecane do złączy uniwersalnych.

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) Źródło niklu utworzonego przez związki międzymetaliczne Ni3Sn4.

Dyfuzja miedzi do niklu

Przenikanie miedzi przez nikiel spowoduje rozkład miedzi na powierzchnię złota. 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. W związku z tym, wymagana temperatura warstwy barierowej jest mniejsza niż jedna minuta poniżej 250°C.

Turn i Owen6 zbadali wpływ różnych warstw barierowych na miedź i złoto. Odkryli, że „… Porównanie wartości przepuszczalności miedzi w temperaturze 400°C i 550°C pokazuje, że najskuteczniejszymi badanymi warstwami barierowymi są sześciowartościowy chrom i nikiel z 8-10% zawartością fosforu”. (Tabela 3).

Tabela 3. Penetracja miedzi przez nikiel do złota

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 µM 8 µm

2.00 µm Niedyfuzyjny Niedyfuzyjny Niedyfuzyjny

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Co ciekawe, w tym eksperymencie nikiel nieelektrolityczny był od 2 do 10 razy bardziej wydajny niż nikiel galwanizowany. Turn i Owen zwracają uwagę, że „… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Z tego testu w ekstremalnych temperaturach grubość niklu co najmniej 2 µm jest bezpieczną specyfikacją.

Dyfuzja niklu do złota

Drugim wymogiem nieelektrolitycznego niklu jest to, aby nikiel nie migrował przez „ziarna” lub „drobne dziury” impregnowane złotem. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Istnieje kilka artykułów dotyczących niklu i złota stosowanych jako nośniki wiórów ceramicznych. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Typowy test dla tych powierzchni to 500°C przez 15 minut.

W celu oceny zdolności płaskich, nieelektrolitycznych powierzchni impregnowanych niklem/złotem do zapobiegania utlenianiu niklu, zbadano spawalność powierzchni poddanych starzeniu termicznemu. Different heat/humidity and time conditions were tested. Badania te wykazały, że nikiel jest odpowiednio chroniony przez ługowanie złota, co zapewnia dobrą spawalność po długim starzeniu.

W niektórych przypadkach dyfuzja niklu do złota może być czynnikiem ograniczającym montaż, takim jak łączenie drutem termodźwiękowym złota. W tym zastosowaniu powierzchnia nikiel/złoto jest mniej zaawansowana niż powierzchnia nikiel/pallad/złoto. 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.

Związek międzygatunkowy niklu i cyny

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).

Tabela 4. Dyfuzyjność materiałów PCB w spawaniu

Temperatura metalu °C dyfuzyjność (µcale/sek.)

Złoto 450 486 117.9 167.5

Miedź 450 525 4.1 7.0

Pallad 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

W systemach nikiel/złoto i cyna/ołów złoto natychmiast rozpuszcza się w luźną cynę. 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.Pomiary Badera wykazały, że do utrzymania bariery potrzeba nie więcej niż 0.5 µm niklu, nawet przez ponad sześć cykli temperaturowych. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

porowaty

Nieelektrolityczny nikiel/złoto dopiero niedawno stało się powszechną końcową powłoką powierzchni PCB, więc procedury przemysłowe mogą nie być odpowiednie dla tej powierzchni. Dostępny jest proces z parą kwasu azotowego do badania porowatości elektrolitycznego niklu/złota stosowanego jako złącze wtykowe (IPC-TM-650 2.3.24.2)9. Nieelektrolityczny nikiel/impregnacja nie przejdzie tego testu. Europejski standard porowatości został opracowany przy użyciu żelazicyjanku potasu do określenia względnej porowatości płaskich powierzchni, która jest podana w porach na milimetr kwadratowy (błędy /mm2). Dobra płaska powierzchnia powinna mieć mniej niż 10 otworów na milimetr kwadratowy przy 100-krotnym powiększeniu.

konkluzja

Branża produkcji PCB jest zainteresowana zmniejszeniem ilości niklu osadzającego się na płytce ze względu na koszty, czas cyklu i kompatybilność materiałową. Minimalna specyfikacja niklu powinna zapobiegać dyfuzji miedzi na powierzchnię złota, utrzymywać dobrą wytrzymałość spoiny i utrzymywać niską rezystancję styku. Maksymalna specyfikacja niklu powinna zapewniać elastyczność w produkcji płyt, ponieważ z grubymi osadami niklu nie wiążą się żadne poważne awarie.

W przypadku większości współczesnych projektów płytek drukowanych minimalna wymagana grubość niklu to nieelektrolityczna powłoka niklowa o grubości 2.0 µm (80 µ cali). W praktyce na partii produkcyjnej PCB będzie stosowany szereg grubości niklu (rysunek 2). Zmiana grubości niklu będzie wynikać ze zmiany właściwości chemikaliów do kąpieli i zmiany czasu przebywania automatycznej maszyny podnoszącej. Aby zapewnić minimum 2.0 µm, specyfikacje od użytkowników końcowych powinny wymagać 3.5 µm, minimum 2.0 µm i maksymalnie 8.0 µm.

Ten określony zakres grubości niklu okazał się odpowiedni do produkcji milionów płytek drukowanych. Asortyment spełnia wymagania dotyczące spawalności, trwałości i styków dzisiejszej elektroniki. Ponieważ wymagania montażowe różnią się w zależności od produktu, powłoki powierzchniowe mogą wymagać optymalizacji dla każdego konkretnego zastosowania.