Procesul final de acoperire pentru PCB industria prelucrătoare a suferit modificări semnificative în ultimii ani. Aceste schimbări sunt rezultatul nevoii constante de a depăși limitele HASL (coeziunea aerului cald) și a numărului tot mai mare de alternative HASL.

Acoperirea finală este utilizată pentru a proteja suprafața foliei de cupru a circuitului. Cuprul (Cu) este o suprafață bună pentru sudarea componentelor, dar se oxidează ușor; Oxidul de cupru împiedică umezirea lipirii. Deși aurul (Au) este folosit acum pentru acoperirea cuprului, deoarece aurul nu se oxidează; Aurul și cuprul se vor difuza rapid și se vor pătrunde reciproc. Orice cupru expus va forma rapid un oxid de cupru nesoluibil. O abordare este utilizarea unui „strat barieră” de nichel (Ni) care împiedică transferul aurului și cuprului și oferă o suprafață durabilă și conductivă pentru asamblarea componentelor.

Cerințe PCB pentru acoperirea nichelului non-electrolitic

Stratul de nichel non-electrolitic ar trebui să îndeplinească mai multe funcții:

Suprafața unui zăcământ de aur

Scopul final al circuitului este de a forma o conexiune cu rezistență fizică ridicată și caracteristici electrice bune între PCB și componente. Dacă există oxid sau contaminare pe suprafața PCB, această îmbinare sudată nu se va produce cu fluxul slab de astăzi.

Aurul se depune în mod natural peste nichel și nu se oxidează în timpul depozitării lungi. Cu toate acestea, aurul nu se așază pe nichelul oxidat, deci nichelul trebuie să rămână pur între baia de nichel și dizolvarea aurului. Astfel, prima cerință de nichel este să rămână fără oxigen suficient de mult timp pentru a permite precipitarea aurului. Componentele au dezvoltat băi de levigare chimică pentru a permite un conținut de fosfor de 6 ~ 10% în precipitațiile de nichel. Acest conținut de fosfor din stratul de nichel non-electrolitic este considerat ca un echilibru atent al controlului băii, al oxidului și al proprietăților electrice și fizice.

duritate

Suprafețele acoperite cu nichel non-electrolitic sunt utilizate în multe aplicații care necesită rezistență fizică, cum ar fi rulmenții de transmisie auto. Cerințele PCB sunt mult mai puțin stricte decât cele pentru aceste aplicații, dar o anumită duritate este importantă pentru legarea firelor, contactele touchpad-ului, conectorii conectorului de margine și durabilitatea procesării.

Lipirea plumbului necesită o duritate a nichelului. Pierderea fricțiunii poate apărea dacă plumbul deformează precipitatul, ceea ce ajută plumbul să se „topească” în substrat. Imaginile SEM nu au arătat nicio pătrundere în suprafața nichelului plat / aurului sau a nichelului / paladiului (Pd) / aurului.

Caracteristici electrice

Cuprul este metalul ales pentru formarea circuitului, deoarece este ușor de realizat. Cuprul conduce electricitatea mai bine decât aproape fiecare metal (tabelul 1) 1,2. Aurul are, de asemenea, o bună conductivitate electrică, ceea ce îl face o alegere perfectă pentru metalul cel mai exterior, deoarece electronii tind să curgă pe suprafața unei căi conductoare (beneficiul „suprafeței”).

Tabelul 1. Rezistivitatea metalului PCB

Cupru 1.7 (inclusiv Ω cm

Auriu (inclusiv 2.4 Ω cm

Nichel (inclusiv 7.4 Ω cm

Acoperire nichel non-electrolitică de 55 ~ 90 µ ω cm

Deși caracteristicile electrice ale majorității plăcilor de producție nu sunt afectate de stratul de nichel, nichelul poate afecta caracteristicile electrice ale semnalelor de înaltă frecvență. Pierderea semnalului la cuptorul cu microunde poate depăși specificațiile proiectantului. Acest fenomen este proporțional cu grosimea nichelului – circuitul trebuie să treacă prin nichel pentru a ajunge la locul de lipit. În multe aplicații, semnalele electrice pot fi readuse la specificațiile de proiectare specificând depozite de nichel mai mici de 2.5µm.

Rezistența la contact

Rezistența la contact este diferită de sudabilitate, deoarece suprafața de nichel / aur rămâne nesudată pe toată durata de viață a produsului final. Nichelul / aurul trebuie să rămână conductiv la contactul extern după expunerea prelungită a mediului. Cartea lui Antler din 1970 exprima cerințele de contact cu suprafața nichelului / aurului în termeni cantitativi. Au fost studiate diverse medii de utilizare finală: 3 “65 ° C, o temperatură maximă normală pentru sistemele electronice care funcționează la temperatura camerei, cum ar fi computerele; 125 ° C, temperatura la care trebuie să funcționeze conectorii universali, adesea specificată pentru aplicații militare; 200 ° C, această temperatură devine din ce în ce mai importantă pentru echipamentele de zbor. ”

Pentru temperaturi scăzute, barierele din nichel nu sunt necesare. Pe măsură ce temperatura crește, cantitatea de nichel necesară pentru a preveni transferul de nichel / aur crește (Tabelul II).

Tabelul 2. Rezistența la contact a nichelului / aurului (1000 de ore)

Strat barieră nichel contact satisfăcător la 65 ° C contact satisfăcător la 125 ° C contact satisfăcător la 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%

Nichelul utilizat în studiul lui Antler a fost galvanizat. Se așteaptă îmbunătățiri ale nichelului neelectrolitic, confirmat de Baudrand 4. Cu toate acestea, aceste rezultate sunt pentru 0.5 µm de aur, unde planul precipită de obicei 0.2 µm. Se poate deduce că planul este suficient pentru elementele de contact care funcționează la 125 ° C, dar elementele cu temperatură mai mare vor necesita teste specializate.

„Cu cât este mai gros nichelul, cu atât este mai bună bariera, în toate cazurile”, sugerează Antler, „dar realitățile fabricării PCB-urilor îi încurajează pe ingineri să depună doar atât nichel cât este necesar. Nichelul plat / aurul este acum utilizat în telefoanele mobile și pagerele care utilizează puncte de contact touch-pad. Specificațiile pentru acest tip de element sunt cel puțin 2 µm nichel.

Conectorul

Imersiunea non-electrolitică cu nichel / aur este utilizată la fabricarea plăcilor de circuite cu fixare cu arc, presare, glisare la presiune scăzută și alți conectori nesudați.

Conectorii plug-in necesită o durabilitate fizică mai mare. În aceste cazuri, acoperirile de nichel non-electrolitice sunt suficient de puternice pentru aplicațiile PCB, dar imersiunea în aur nu este. Aurul pur foarte subțire (60-90 Knoop) se va freca de nichel în timpul frecării repetate. Când aurul este îndepărtat, nichelul expus se oxidează rapid, rezultând o creștere a rezistenței la contact.

Acoperirea cu nichel non-electrolitic / imersiunea în aur poate să nu fie cea mai bună alegere pentru conectorii plug-in care suportă inserții multiple pe parcursul vieții produsului. Suprafețele de nichel / paladiu / aur sunt recomandate pentru conectorii multifuncționali.

Stratul de barieră

Nichelul non-electrolitic are funcția de trei straturi de barieră pe placă: 1) pentru a preveni difuzia cuprului în aur; 2) Pentru a preveni difuzia aurului către nichel; 3) Sursa de nichel formată din compuși intermetalici Ni3Sn4.

Difuzia cuprului în nichel

Transferul de cupru prin nichel va avea ca rezultat descompunerea cuprului în aur de suprafață. Cuprul se va oxida rapid, rezultând o sudură slabă în timpul asamblării, care are loc în cazul scurgerilor de nichel. Nichelul este necesar pentru a preveni migrarea și difuzia plăcilor goale în timpul depozitării și în timpul asamblării atunci când alte zone ale plăcii au fost sudate. Prin urmare, cerința de temperatură a stratului de barieră este mai mică de un minut sub 250 ° C.

Turn și Owen6 au studiat efectul diferitelor straturi de barieră asupra cuprului și a aurului. Au descoperit că „… Compararea valorilor permeabilității cuprului la 400 ° C și 550 ° C arată că cromul hexavalent și nichelul cu un conținut de fosfor de 8-10% sunt cele mai eficiente straturi de barieră studiate “. (tabelul 3).

Tabelul 3. Penetrarea cuprului prin nichel în aur

Grosime nichel 400 ° C 24 ore 400 ° C 53 ore 550 ° C 12 ore

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 Nedifuzie Nedifuzie Nedifuzie

Conform ecuației Arrhenius, difuzia la temperaturi mai scăzute este exponențial mai lentă. Interesant, în acest experiment, nichelul non-electrolitic a fost de 2 până la 10 ori mai eficient decât nichelul galvanizat. Turn și Owen subliniază că „… O barieră (8%) 2µm (80µinch) a acestui aliaj reduce difuzia cuprului la un nivel neglijabil. ”

Din acest test de temperatură extremă, o grosime de nichel de cel puțin 2µm este o specificație sigură.

Difuzia de nichel în aur

A doua cerință a nichelului neelectrolitic este ca nichelul să nu migreze prin „boabe” sau „găuri fine” impregnate cu aur. Dacă nichelul intră în contact cu aerul, acesta se va oxida. Oxidul de nichel nu se poate vinde și este greu de îndepărtat cu flux.

Există mai multe articole despre nichel și aur utilizate ca suporturi pentru așchii ceramici. Aceste materiale rezistă la temperaturi extreme de asamblare pentru o lungă perioadă de timp. Un test obișnuit pentru aceste suprafețe este de 500 ° C timp de 15 minute.

Pentru a evalua capacitatea suprafețelor plane neacționate electrolitic de nichel / impregnate cu aur de a preveni oxidarea nichelului, s-a studiat sudabilitatea suprafețelor învechite la temperatură. Au fost testate diferite condiții de căldură / umiditate și timp. Aceste studii au arătat că nichelul este protejat în mod adecvat prin levigarea aurului, permițând o bună sudabilitate după îmbătrânire îndelungată.

Difuzia nichelului în aur poate fi un factor limitativ pentru asamblare în unele cazuri, cum ar fi legătura termosonică a aurului. În această aplicație, suprafața de nichel / aur este mai puțin avansată decât suprafața de nichel / paladiu / aur. Iacovangelo a investigat proprietățile de difuzie ale paladiului ca strat de barieră între nichel și aur și a constatat că paladiu de 0.5 um împiedică migrația chiar și la temperaturi extreme. Acest studiu a demonstrat, de asemenea, că nu a existat o difuzie a cuprului prin 2.5 µm de nichel / paladiu determinată prin spectroscopie Auger timp de 15 minute la 500 ° C.

Compus intergeneric nichel-staniu

În timpul operației de montare pe suprafață sau de lipire pe undă, atomii de pe suprafața PCB vor fi amestecați cu atomi de lipit, în funcție de proprietățile de difuzie ale metalului și de capacitatea de a forma „compuși intermetalici” (Tabelul 4).

Tabelul 4. Difuzivitatea materialelor PCB în sudură

Difuzivitatea temperaturii metalului ° C (µinches / SEC.)

Aur 450 486 117.9 167.5

Cupru 450 525 4.1 7.0

Paladiu 450 525 1.4 6.2

Nichel 700 1.7

În sistemele de nichel / aur și staniu / plumb, aurul se dizolvă imediat în staniu liber. Lipirea formează un atașament puternic la nichelul subiacent prin formarea compușilor intermetalici Ni3Sn4. Ar trebui depus suficient nichel pentru a se asigura că lipirea nu va ajunge sub cupru.Măsurătorile lui Bader au arătat că nu este necesar mai mult de 0.5 um de nichel pentru a menține bariera, chiar și prin mai mult de șase cicluri de temperatură. De fapt, grosimea maximă a stratului intermetalic observată este mai mică de 0.5µm (20µinch).

poros

Nichelul / aurul non-electrolitic a devenit recent recent o acoperire finală obișnuită a suprafeței PCB, deci este posibil ca procedurile industriale să nu fie adecvate pentru această suprafață. Este disponibil un proces de abur cu acid azotic pentru testarea porozității nichelului / aurului electrolitic utilizat ca conector plug-in (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Nichelul / impregnarea non-electrolitică nu va trece acest test. Un standard european de porozitate a fost dezvoltat folosind fericianură de potasiu pentru a determina porozitatea relativă a suprafețelor plane, care este dată în termeni de pori pe milimetru pătrat (bug-uri / mm2). O suprafață plană bună trebuie să aibă mai puțin de 10 găuri pe milimetru pătrat la o mărire de 100 x.

concluzie

Industria de fabricație a PCB-urilor este interesată să reducă cantitatea de nichel depusă pe placă din motive de cost, durata ciclului și compatibilitatea materialelor. Specificațiile minime de nichel ar trebui să ajute la prevenirea difuziei cuprului pe suprafața aurului, să mențină o rezistență bună a sudurii și să mențină rezistența la contact scăzută. Specificația maximă de nichel ar trebui să permită flexibilitatea în fabricarea plăcilor, deoarece nu sunt asociate moduri grave de defecțiune cu depunerile groase de nichel.

Pentru majoritatea proiectelor de circuite de astăzi, grosimea minimă de nichel necesară este o acoperire nichel non-electrolitică de 2.0 µm (80 µinches). În practică, o serie de grosimi de nichel vor fi utilizate pe un lot de producție a PCB-ului (Figura 2). Schimbarea grosimii nichelului va rezulta din schimbarea proprietăților substanțelor chimice pentru baie și schimbarea duratei de staționare a mașinii automate de ridicat. Pentru a asigura un minim de 2.0 µm, specificațiile utilizatorilor finali ar trebui să necesite 3.5 µm, minimum 2.0 µm și maxim 8.0 µm.

Această gamă specificată de grosime de nichel s-a dovedit adecvată pentru producerea a milioane de plăci de circuite. Gama îndeplinește cerințele de sudabilitate, durată de valabilitate și contact ale electronice actuale. Deoarece cerințele de asamblare sunt diferite de la un produs la altul, acoperirile de suprafață ar trebui să fie optimizate pentru fiecare aplicație specială.