O processo de revestimento final para PCB a fabricação passou por mudanças significativas nos últimos anos. Essas mudanças são o resultado da necessidade constante de superar as limitações do HASL (Coesão de ar quente) e do crescente número de alternativas do HASL.

O revestimento final é usado para proteger a superfície da folha de cobre do circuito. O cobre (Cu) é uma boa superfície para soldar componentes, mas é facilmente oxidado; O óxido de cobre impede o umedecimento da solda. Embora o ouro (Au) seja agora usado para cobrir o cobre, porque o ouro não oxida; Ouro e cobre irão se difundir e permear rapidamente. Qualquer cobre exposto formará rapidamente um óxido de cobre não soldável. Uma abordagem é usar uma “camada de barreira” de níquel (Ni) que impede a transferência de ouro e cobre e fornece uma superfície durável e condutora para a montagem do componente.

Requisitos de PCB para revestimento de níquel não eletrolítico

O revestimento de níquel não eletrolítico deve desempenhar várias funções:

A superfície de um depósito de ouro

O objetivo final do circuito é formar uma conexão com alta resistência física e boas características elétricas entre o PCB e os componentes. Se houver algum óxido ou contaminação na superfície do PCB, essa junta soldada não ocorreria com o fluxo fraco de hoje.

O ouro deposita-se naturalmente no topo do níquel e não oxida durante o armazenamento prolongado. No entanto, o ouro não se deposita no níquel oxidado, de modo que o níquel deve permanecer puro entre o banho de níquel e a dissolução do ouro. Assim, o primeiro requisito do níquel é permanecer livre de oxigênio por tempo suficiente para permitir a precipitação do ouro. Os componentes desenvolveram banhos de lixiviação química para permitir um teor de fósforo de 6 a 10% na precipitação do níquel. Este conteúdo de fósforo no revestimento de níquel não eletrolítico é considerado como um equilíbrio cuidadoso de controle de banho, óxido e propriedades elétricas e físicas.

dureza

As superfícies não eletrolíticas revestidas com níquel são usadas em muitas aplicações que requerem resistência física, como rolamentos de transmissão automotiva. Os requisitos de PCB são muito menos rigorosos do que aqueles para essas aplicações, mas uma certa dureza é importante para ligação de fios, contatos de touchpad, conectores de borda e sustentabilidade de processamento.

A ligação de chumbo requer uma dureza de níquel. Pode ocorrer perda de atrito se o chumbo deformar o precipitado, o que ajuda o chumbo a “derreter” no substrato. Imagens SEM mostraram nenhuma penetração na superfície de níquel / ouro ou níquel / paládio (Pd) / ouro.

Características elétricas

O cobre é o metal preferido para a formação de circuitos porque é fácil de fazer. O cobre conduz eletricidade melhor do que quase todos os metais (tabela 1) 1,2. O ouro também tem boa condutividade elétrica, tornando-o uma escolha perfeita para o metal mais externo, porque os elétrons tendem a fluir na superfície de uma rota condutiva (o benefício da “superfície”).

Tabela 1. Resistividade do metal PCB

Cobre 1.7 (incluindo Ω cm

Ouro (incluindo 2.4 Ω cm

Níquel (incluindo 7.4 Ω cm

Revestimento de níquel não eletrolítico 55 ~ 90 µ ω cm

Embora as características elétricas da maioria das placas de produção não sejam afetadas pela camada de níquel, o níquel pode afetar as características elétricas dos sinais de alta frequência. A perda de sinal do PCB de micro-ondas pode exceder as especificações do designer. Este fenômeno é proporcional à espessura do níquel – o circuito precisa passar pelo níquel para chegar ao ponto de solda. Em muitas aplicações, os sinais elétricos podem ser restaurados para a especificação do projeto especificando depósitos de níquel de menos de 2.5 µm.

Contato de resistência

A resistência de contato é diferente da soldabilidade porque a superfície de níquel / ouro permanece não soldada durante toda a vida útil do produto final. O níquel / ouro deve permanecer condutivo ao contato externo após exposição ambiental prolongada. O livro de 1970 do Antler expressou os requisitos de contato de superfície de níquel / ouro em termos quantitativos. Vários ambientes de uso final foram estudados: 3 “65 ° C, uma temperatura máxima normal para sistemas eletrônicos operando em temperatura ambiente, como computadores; 125 ° C, a temperatura na qual os conectores universais devem operar, geralmente especificada para aplicações militares; 200 ° C, essa temperatura está se tornando cada vez mais importante para o equipamento de vôo. ”

Para baixas temperaturas, barreiras de níquel não são necessárias. À medida que a temperatura aumenta, a quantidade de níquel necessária para evitar a transferência de níquel / ouro aumenta (Tabela II).

Tabela 2. Resistência de contato de níquel / ouro (1000 horas)

Camada de barreira de níquel contato satisfatório a 65 ° C contato satisfatório a 125 ° C contato satisfatório a 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%

O níquel usado no estudo de Antler foi eletrodepositado. Melhorias são esperadas do níquel não eletrolítico, conforme confirmado por Baudrand 4. No entanto, esses resultados são para ouro de 0.5 µm, onde o plano geralmente precipita 0.2 µm. O plano pode ser considerado suficiente para elementos de contato operando a 125 ° C, mas os elementos de temperatura mais alta exigirão testes especializados.

“Quanto mais espesso o níquel, melhor a barreira, em todos os casos”, sugere Antler, “mas as realidades da fabricação de PCBs encorajam os engenheiros a depositar apenas a quantidade de níquel necessária. Níquel / ouro puro agora é usado em telefones celulares e pagers que usam pontos de contato de touchpad. A especificação para este tipo de elemento é de pelo menos 2 µm de níquel.

O conector

A imersão não eletrolítica de níquel / ouro é usada na fabricação de placas de circuito com encaixe por mola, encaixe por pressão, deslizante de baixa pressão e outros conectores não soldados.

Os conectores plug-in requerem maior durabilidade física. Nestes casos, os revestimentos de níquel não eletrolítico são fortes o suficiente para aplicações de PCB, mas a imersão em ouro não. O ouro puro muito fino (60 a 90 Knoop) se separa do níquel durante a fricção repetida. Quando o ouro é removido, o níquel exposto oxida rapidamente, resultando em um aumento na resistência de contato.

O revestimento não eletrolítico de níquel / imersão em ouro pode não ser a melhor escolha para conectores de encaixe que suportam várias inserções durante a vida útil do produto. Superfícies de níquel / paládio / ouro são recomendadas para conectores multiuso.

A camada de barreira

O níquel não eletrolítico tem a função de três camadas de barreira na placa: 1) impedir a difusão do cobre para o ouro; 2) Para evitar a difusão de ouro em níquel; 3) Fonte de níquel formada por compostos intermetálicos Ni3Sn4.

Difusão de cobre em níquel

A transferência do cobre através do níquel resultará na decomposição do cobre em ouro superficial. O cobre se oxidará rapidamente, resultando em uma soldabilidade ruim durante a montagem, o que ocorre no caso de vazamento de níquel. O níquel é necessário para evitar a migração e difusão de placas vazias durante o armazenamento e durante a montagem, quando outras áreas da placa foram soldadas. Portanto, o requisito de temperatura da camada de barreira é inferior a um minuto abaixo de 250 ° C.

Turn e Owen6 estudaram o efeito de diferentes camadas de barreira no cobre e no ouro. Eles descobriram que “… A comparação dos valores de permeabilidade do cobre a 400 ° C e 550 ° C mostra que o cromo hexavalente e o níquel com teor de fósforo de 8-10% são as camadas de barreira mais eficazes estudadas “. (Tabela 3).

Tabela 3. Penetração de cobre através de níquel para ouro

Espessura do níquel 400 ° C 24 horas 400 ° C 53 horas 550 ° C 12 horas

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 Não difusão, não difusão, não difusão

De acordo com a equação de Arrhenius, a difusão em temperaturas mais baixas é exponencialmente mais lenta. Curiosamente, neste experimento, o níquel não eletrolítico foi 2 a 10 vezes mais eficiente do que o níquel galvanizado. Turn e Owen apontam que “… Uma barreira (8%) de 2 µm (80 µinch) desta liga reduz a difusão do cobre a um nível desprezível. ”

A partir desse teste de temperatura extrema, uma espessura de níquel de pelo menos 2 µm é uma especificação segura.

Difusão de níquel em ouro

O segundo requisito do níquel não eletrolítico é que o níquel não migre através de “grãos” ou “orifícios finos” impregnados com ouro. Se o níquel entrar em contato com o ar, ele se oxidará. O óxido de níquel não é soldável e difícil de remover com fundente.

Existem vários artigos sobre níquel e ouro usados ​​como transportadores de chips cerâmicos. Esses materiais resistem às temperaturas extremas de montagem por um longo tempo. Um teste comum para essas superfícies é 500 ° C por 15 minutos.

A fim de avaliar a capacidade de superfícies planas não eletrolíticas impregnadas de níquel / ouro em prevenir a oxidação do níquel, a soldabilidade de superfícies envelhecidas por temperatura foi estudada. Diferentes condições de calor / umidade e tempo foram testadas. Esses estudos mostraram que o níquel é adequadamente protegido pela lixiviação do ouro, permitindo uma boa soldabilidade após um longo envelhecimento.

A difusão de níquel em ouro pode ser um fator limitante para a montagem em alguns casos, como a ligação de fio termossônica de ouro. Nesta aplicação, a superfície de níquel / ouro é menos avançada do que a superfície de níquel / paládio / ouro. Iacovangelo investigou as propriedades de difusão do paládio como uma camada de barreira entre o níquel e o ouro e descobriu que o paládio de 0.5 µm evita a migração mesmo em temperaturas extremas. Este estudo também demonstrou que não houve difusão do cobre através de 2.5µm de níquel / paládio determinado por espectroscopia Auger durante 15 minutos a 500 ° C.

Composto intergenérico de níquel-estanho

Durante a montagem em superfície ou operação de soldagem por onda, os átomos da superfície do PCB serão misturados com os átomos da solda, dependendo das propriedades de difusão do metal e da capacidade de formar “compostos intermetálicos” (Tabela 4).

Tabela 4. Difusividade de materiais de PCB na soldagem

Difusividade em ° C da temperatura do metal (µinches / SEC.)

Gold 450 486 117.9 167.5

Cobre 450 525 4.1 7.0

Palladium 450 525 1.4 6.2

Níquel 700 1.7

Nos sistemas de níquel / ouro e estanho / chumbo, o ouro imediatamente se dissolve em estanho solto. A solda forma um forte apego ao níquel subjacente, formando compostos intermetálicos Ni3Sn4. Níquel suficiente deve ser depositado para garantir que a solda não alcance o cobre.As medições de Bader mostraram que não mais do que 0.5 µm de níquel era necessário para manter a barreira, mesmo por mais de seis ciclos de temperatura. Na verdade, a espessura máxima da camada intermetálica observada é inferior a 0.5 µm (20 µinch).

poroso

Níquel / ouro não eletrolítico só recentemente se tornou um revestimento de superfície de PCB final comum, portanto, procedimentos industriais podem não ser adequados para essa superfície. Um processo de vapor de ácido nítrico está disponível para testar a porosidade do níquel / ouro eletrolítico usado como um conector plug-in (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. A impregnação / níquel não eletrolítico não passará neste teste. Um padrão europeu de porosidade foi desenvolvido usando ferricianeto de potássio para determinar a porosidade relativa de superfícies planas, que é dada em termos de poros por milímetro quadrado (bugs / mm2). Uma boa superfície plana deve ter menos de 10 orifícios por milímetro quadrado com ampliação de 100 x.

conclusão

A indústria de fabricação de PCBs está interessada em reduzir a quantidade de níquel depositada na placa por razões de custo, tempo de ciclo e compatibilidade de material. A especificação mínima de níquel deve ajudar a prevenir a difusão do cobre na superfície do ouro, manter uma boa resistência de solda e manter baixa a resistência de contato. A especificação máxima de níquel deve permitir flexibilidade na fabricação de placas, já que nenhum modo sério de falha está associado a depósitos espessos de níquel.

Para a maioria dos projetos de placas de circuito atuais, um revestimento de níquel não eletrolítico de 2.0 µm (80 µinches) é a espessura mínima de níquel necessária. Na prática, uma gama de espessuras de níquel será usada em um lote de produção do PCB (Figura 2). A mudança na espessura do níquel resultará da mudança nas propriedades dos produtos químicos do banho e da mudança no tempo de permanência da máquina de elevação automática. Para garantir um mínimo de 2.0 µm, as especificações dos usuários finais devem exigir 3.5 µm, um mínimo de 2.0 µm e um máximo de 8.0 µm.

Esta faixa especificada de espessura de níquel provou ser adequada para a produção de milhões de placas de circuito. A linha atende aos requisitos de soldabilidade, vida útil e contato da eletrônica de hoje. Como os requisitos de montagem são diferentes de um produto para outro, os revestimentos de superfície podem precisar ser otimizados para cada aplicação específica.