Окончательный процесс покрытия для печатная плата Производство претерпело значительные изменения за последние годы. Эти изменения являются результатом постоянной потребности преодолеть ограничения HASL (сцепление горячим воздухом) и растущего числа альтернатив HASL.

Финишное покрытие используется для защиты поверхности контура медной фольгой. Медь (Cu) – хорошая поверхность для сварки деталей, но легко окисляется; Оксид меди препятствует смачиванию припоя. Хотя золото (Au) сейчас используется для покрытия меди, потому что золото не окисляется; Золото и медь быстро диффундируют и проникают друг в друга. Любая обнаженная медь быстро образует несвариваемый оксид меди. Один из подходов заключается в использовании никелевого (Ni) «барьерного слоя», который предотвращает перенос золота и меди и обеспечивает прочную проводящую поверхность для сборки компонентов.

Требования к печатной плате для неэлектролитического никелевого покрытия

Неэлектролитическое никелевое покрытие должно выполнять несколько функций:

Поверхность месторождения золота

Конечная цель схемы – сформировать соединение с высокой физической прочностью и хорошими электрическими характеристиками между печатной платой и компонентами. Если на поверхности печатной платы есть оксид или загрязнение, это сварное соединение не получится с сегодняшним слабым флюсом.

Золото естественным образом осаждается поверх никеля и не окисляется при длительном хранении. Однако золото не оседает на окисленном никеле, поэтому никель должен оставаться чистым между ванной с никелем и растворением золота. Таким образом, первое требование к никелю – оставаться бескислородным достаточно долго, чтобы золото выпало в осадок. Компоненты разработали ванны для химического выщелачивания, позволяющие обеспечить содержание фосфора в осаждении никеля от 6 до 10%. Такое содержание фосфора в неэлектролитическом никелевом покрытии рассматривается как тщательный баланс контроля ванны, оксида и электрических и физических свойств.

твердость

Поверхности с неэлектролитическим никелевым покрытием используются во многих областях, где требуется физическая прочность, например, в подшипниках автомобильных трансмиссий. Требования к печатным платам гораздо менее жесткие, чем для этих приложений, но определенная твердость важна для соединения проводов, контактов сенсорной панели, разъемов коннекторов на краю и устойчивости обработки.

Свинец требует твердости по никелю. Потеря трения может произойти, если свинец деформирует осадок, что способствует «плавлению» свинца в подложке. СЭМ-изображения не показали проникновения на поверхность плоских никель / золото или никель / палладий (Pd) / золото.

Электрические характеристики

Медь является предпочтительным металлом для формирования цепей, потому что ее легко изготовить. Медь проводит электричество лучше, чем почти каждый металл (таблица 1) 1,2. Золото также обладает хорошей электропроводностью, что делает его идеальным выбором для самого внешнего металла, потому что электроны имеют тенденцию течь по поверхности проводящего пути («поверхностное» преимущество).

Таблица 1. Удельное сопротивление металла печатной платы.

Медь 1.7 (включая Ом · см

Золото (включая 2.4 Ом см

Никель (включая 7.4 Ом · см

Неэлектролитическое никелевое покрытие 55 ~ 90 мкм ω см

Хотя на электрические характеристики большинства производственных пластин не влияет слой никеля, никель может влиять на электрические характеристики высокочастотных сигналов. Потери СВЧ-сигнала на печатной плате могут превышать спецификации разработчика. Это явление пропорционально толщине никеля – цепь должна проходить через никель, чтобы достичь точки припоя. Во многих приложениях электрические сигналы можно восстановить в соответствии с проектной спецификацией, указав размер никелевых отложений менее 2.5 мкм.

Связаться с сопротивлением

Контактное сопротивление отличается от свариваемости, поскольку поверхность никель / золото остается несваренной на протяжении всего срока службы конечного продукта. Никель / золото должны оставаться проводящими при внешнем контакте после продолжительного воздействия окружающей среды. В книге Антлера 1970 года требования к контакту поверхности никеля и золота выражены количественно. Были изучены различные среды конечного использования: 3–65 ° C, нормальная максимальная температура для электронных систем, работающих при комнатной температуре, таких как компьютеры; 125 ° C, температура, при которой должны работать универсальные разъемы, часто указываемая для военных приложений; 200 ° C, эта температура становится все более важной для летательного оборудования ».

При низких температурах никелевые преграды не требуются. При повышении температуры количество никеля, необходимое для предотвращения переноса никеля / золота, увеличивается (Таблица II).

Таблица 2. Контактное сопротивление никель / золото (1000 часов)

Никелевый барьерный слой удовлетворительный контакт при 65 ° C удовлетворительный контакт при 125 ° C удовлетворительный контакт при 200 ° C

0.0 мкм 100% 40% 0%

0.5 мкм 100% 90% 5%

2.0 мкм 100% 100% 10%

4.0 мкм 100% 100% 60%

Никель, использованный в исследовании Антлера, был гальванизирован. Ожидается улучшение от неэлектролитического никеля, что подтверждается Baudrand 4. Однако эти результаты относятся к золоту 0.5 мкм, где плоскость обычно осаждает 0.2 мкм. Можно предположить, что плоскости достаточно для контактных элементов, работающих при 125 ° C, но элементы с более высокими температурами потребуют специальных испытаний.

«Чем толще никель, тем лучше барьер во всех случаях», – предполагает Антлер, – «но реалии производства печатных плат побуждают инженеров вносить ровно столько никеля, сколько необходимо. Плоский никель / золото теперь используется в сотовых телефонах и пейджерах, которые используют точки контакта с сенсорной панелью. Спецификация для этого типа элемента – никель не менее 2 мкм.

Разъем

Неэлектролитическое погружение никель / золото используется при производстве печатных плат с пружинной посадкой, прессовой посадкой, скользящим соединением низкого давления и другими несварными соединителями.

Штекерные соединители требуют большей физической прочности. В этих случаях неэлектролитические никелевые покрытия достаточно прочны для печатных плат, а погружение в золото – нет. Очень тонкое чистое золото (от 60 до 90 по Кнупу) будет стираться с никеля при многократном трении. Когда золото удаляется, обнаженный никель быстро окисляется, что приводит к увеличению контактного сопротивления.

Неэлектролитическое никелевое покрытие / погружение в золото может быть не лучшим выбором для штекерных разъемов, которые выдерживают несколько вставок на протяжении всего срока службы продукта. Поверхности из никеля / палладия / золота рекомендуются для универсальных разъемов.

Барьерный слой

Неэлектролитический никель выполняет функцию трех барьерных слоев на пластине: 1) предотвращать диффузию меди в золото; 2) предотвратить диффузию золота в никель; 3) Источник никеля, образованный интерметаллидами Ni3Sn4.

Диффузия меди в никель

Перенос меди через никель приведет к разложению меди на поверхность золота. Медь будет быстро окисляться, что приведет к ухудшению свариваемости во время сборки, что происходит в случае утечки никеля. Никель необходим для предотвращения миграции и распространения пустых пластин во время хранения и во время сборки, когда другие участки пластины были сварены. Следовательно, требуемая температура барьерного слоя составляет менее одной минуты при температуре ниже 250 ° C.

Терн и Оуэн6 изучали влияние различных барьерных слоев на медь и золото. Они обнаружили, что «… Сравнение значений проницаемости меди при 400 ° C и 550 ° C показывает, что шестивалентный хром и никель с содержанием фосфора 8-10% являются наиболее эффективными изучаемыми барьерными слоями ». (таблица 3).

Таблица 3. Проникновение меди через никель в золото

Толщина никеля 400 ° C 24 часа 400 ° C 53 часа 550 ° C 12 часов

0.25 мкм 1 мкм 12 мкм 18 мкм

0.50 мкм 1 мкм 6 мкм 15 мкм

1.00 мкм 1 мкм 1 мкм 8 мкм

2.00 мкм Недиффузионный недиффузионный недиффузионный

Согласно уравнению Аррениуса, диффузия при более низких температурах происходит экспоненциально медленнее. Интересно, что в этом эксперименте неэлектролитический никель был в 2-10 раз эффективнее, чем никель с гальваническим покрытием. Терн и Оуэн отмечают, что «… Барьер (8%) 2 мкм (80 мкм) из этого сплава снижает диффузию меди до незначительного уровня ».

Согласно этому испытанию при экстремальных температурах, толщина никеля не менее 2 мкм является безопасной спецификацией.

Диффузия никеля в золото

Второе требование к неэлектролитическому никелю заключается в том, чтобы никель не мигрировал через «зерна» или «мелкие отверстия», пропитанные золотом. Если никель контактирует с воздухом, он окисляется. Оксид никеля не продается и его трудно удалить с помощью флюса.

Есть несколько статей о никеле и золоте, используемых в качестве керамических чипов. Эти материалы длительное время выдерживают экстремальные температуры сборки. Обычный тест для этих поверхностей – 500 ° C в течение 15 минут.

Чтобы оценить способность плоских неэлектролитических поверхностей, пропитанных никелем / золотом, предотвращать окисление никеля, была изучена свариваемость поверхностей, подвергшихся термическому старению. Были протестированы различные тепловые / влажностные и временные условия. Эти исследования показали, что никель адекватно защищен выщелачиванием золота, что обеспечивает хорошую свариваемость после длительного старения.

Диффузия никеля к золоту может быть ограничивающим фактором для сборки в некоторых случаях, например, при термоакустической сварке золота. В этом случае поверхность никель / золото менее развита, чем поверхность никель / палладий / золото. Якованджело исследовал диффузионные свойства палладия в качестве барьерного слоя между никелем и золотом и обнаружил, что палладий толщиной 0.5 мкм предотвращает миграцию даже при экстремальных температурах. Это исследование также продемонстрировало отсутствие диффузии меди через 2.5 мкм никель / палладий, определенную методом оже-спектроскопии в течение 15 минут при 500 ° C.

Межродовое соединение никеля и олова

Во время поверхностного монтажа или пайки волной атомы с поверхности печатной платы будут смешиваться с атомами припоя, в зависимости от диффузионных свойств металла и способности образовывать «интерметаллические соединения» (таблица 4).

Таблица 4. Коэффициент диффузии материалов печатных плат при сварке.

Температура металла, ° C Коэффициент диффузии (мкдюймов / сек.)

Золото 450 486 117.9 167.5

Медь 450 525 4.1 7.0

Палладий 450 525 1.4 6.2

Никель 700 1.7

В системах никель / золото и олово / свинец золото немедленно растворяется в рыхлом олове. Припой прочно прикрепляется к лежащему под ним никелю, образуя интерметаллические соединения Ni3Sn4. Следует нанести достаточно никеля, чтобы припой не попал под медь.Измерения Бейдера показали, что для поддержания барьера требуется не более 0.5 мкм никеля даже при более чем шести температурных циклах. Фактически, максимальная наблюдаемая толщина интерметаллического слоя составляет менее 0.5 мкм (20 мкм).

пористый

Неэлектролитический никель / золото только недавно стал обычным конечным покрытием поверхности печатных плат, поэтому промышленные методы могут не подходить для этой поверхности. Для проверки пористости электролитического никеля / золота, используемого в качестве вставного соединителя, доступен процесс с паром азотной кислоты (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Неэлектролитический никель / пропитка не пройдет этот тест. Европейский стандарт пористости был разработан с использованием феррицианида калия для определения относительной пористости плоских поверхностей, которая выражается в порах на квадратный миллиметр (жучки / мм2). На хорошей плоской поверхности должно быть менее 10 отверстий на квадратный миллиметр при 100-кратном увеличении.

заключение

Промышленность, производящая печатные платы, заинтересована в уменьшении количества никеля, осаждаемого на плате, по причинам стоимости, продолжительности цикла и совместимости материалов. Минимальные требования к никелю должны помочь предотвратить диффузию меди на поверхность золота, сохранить хорошую прочность сварного шва и снизить контактное сопротивление. Максимальные характеристики никеля должны обеспечивать гибкость при производстве пластин, поскольку с толстыми отложениями никеля не связаны серьезные отказы.

Для большинства современных схемных плат минимальная требуемая толщина никеля составляет неэлектролитическое никелевое покрытие 2.0 мкм (80 мкм). На практике в производственной партии печатной платы будет использоваться никель различной толщины (рис. 2). Изменение толщины никеля будет результатом изменения свойств химикатов ванны и изменения времени выдержки автоматической подъемной машины. Чтобы гарантировать минимальный размер 2.0 мкм, в спецификациях конечных пользователей должно быть указано 3.5 мкм, минимум 2.0 мкм и максимум 8.0 мкм.

Указанный диапазон толщины никеля оказался подходящим для производства миллионов печатных плат. Ассортимент соответствует требованиям современной электроники к свариваемости, сроку хранения и контактам. Поскольку требования к сборке различаются от одного продукта к другому, может потребоваться оптимизация поверхностных покрытий для каждого конкретного применения.