Konečný proces poťahovania pre PCB výroba prešla v posledných rokoch výraznými zmenami. Tieto zmeny sú výsledkom neustálej potreby prekonávať obmedzenia HASL (Hot air cohesion) a rastúceho počtu alternatív HASL.

Konečný náter sa používa na ochranu povrchu medenej fólie obvodu. Meď (Cu) je dobrým povrchom na zváranie súčiastok, ale ľahko sa oxiduje; Oxid meďnatý bráni mokrému spájkovaniu. Aj keď sa dnes zlato (Au) používa na zakrytie medi, pretože zlato neoxiduje; Zlato a meď sa navzájom rýchlo difundujú a prenikajú. Akákoľvek exponovaná meď rýchlo vytvorí nesváriteľný oxid medi. Jedným z prístupov je použitie niklovej (Ni) „bariérovej vrstvy“, ktorá zabraňuje prenosu zlata a medi a poskytuje trvanlivý, vodivý povrch pre montáž súčiastok.

Požiadavky na DPS na neelektrolytický niklový povlak

Neelektrolytický niklový povlak by mal vykonávať niekoľko funkcií:

Povrch ložiska zlata

Konečným účelom obvodu je vytvoriť spojenie s vysokou fyzickou pevnosťou a dobrými elektrickými charakteristikami medzi DPS a komponentmi. Ak je na povrchu DPS nejaký oxid alebo kontaminácia, tento zvarový spoj by sa pri dnešnom slabom toku nevyskytol.

Zlato sa prirodzene ukladá na nikel a počas dlhého skladovania neoxiduje. Zlato sa však neusadzuje na oxidovanom nikle, takže nikel musí zostať čistý medzi niklovým kúpeľom a rozpustením zlata. Prvou požiadavkou niklu je teda zostať dostatočne dlho bez kyslíka, aby sa zlato mohlo vyzrážať. Komponenty vyvinuli chemické lúhovacie kúpele, ktoré umožňujú zrážanie niklu s obsahom 6 až 10% fosforu. Tento obsah fosforu v neelektrolytickom niklovom povlaku sa považuje za starostlivú rovnováhu medzi kontrolou kúpeľa, oxidom a elektrickými a fyzikálnymi vlastnosťami.

tvrdosť

Neelektrolytické povrchy potiahnuté niklom sa používajú v mnohých aplikáciách, ktoré vyžadujú fyzickú pevnosť, ako sú napríklad ložiská automobilových prevodoviek. Požiadavky na dosky plošných spojov sú oveľa menej prísne ako požiadavky na tieto aplikácie, ale určitá tvrdosť je dôležitá pre spájanie drôtov, kontakty touchpadu, konektory edge-connetor a udržateľnosť spracovania.

Lepenie olova vyžaduje tvrdosť niklu. K strate trenia môže dôjsť, ak elektróda zdeformuje zrazeninu, čo pomôže olovu „roztaviť sa“ do podkladu. Obrázky SEM nepreukázali žiadny prienik na povrch plochého niklu/zlata alebo niklu/paládia (Pd)/zlata.

Elektrické vlastnosti

Meď je kovom zvoleným na vytváranie obvodov, pretože sa ľahko vyrába. Meď vedie elektrickú energiu lepšie ako takmer každý kov (tabuľka 1) 1,2. Zlato má tiež dobrú elektrickú vodivosť, čo z neho robí perfektnú voľbu pre najvzdialenejší kov, pretože elektróny majú tendenciu prúdiť po povrchu vodivej cesty (výhoda „povrchu“).

Tabuľka 1. Odpor kovu PCB

Meď 1.7 (vrátane Ω cm

Zlato (vrátane 2.4 Ω cm

Nikel (vrátane 7.4 Ω cm

Neelektrolytický niklový povlak 55 ~ 90 µ ω cm

Napriek tomu, že niklové vrstvy neovplyvňujú elektrické vlastnosti väčšiny výrobných dosiek, nikel môže ovplyvniť elektrické vlastnosti vysokofrekvenčných signálov. Strata signálu PCB v mikrovlnnej rúre môže prekročiť špecifikácie projektanta. Tento jav je úmerný hrúbke niklu – obvod potrebuje prejsť niklom, aby sa dostal na miesto spájkovania. V mnohých aplikáciách je možné obnoviť elektrické signály podľa špecifikácie návrhu zadaním usadenín niklu menších ako 2.5 µm.

Odolnosť kontaktu

Kontaktný odpor sa líši od zvárateľnosti, pretože povrch nikel/zlato zostáva nezváraný počas celej životnosti konečného výrobku. Po dlhodobom vystavení životnému prostrediu musí nikel/zlato zostať vodivé pre vonkajší kontakt. Kniha Antlerovej z roku 1970 vyjadrila kvantitatívne požiadavky na kontakt povrchu niklu a zlata. Boli študované rôzne prostredia konečného použitia: 3 “65 ° C, normálna maximálna teplota pre elektronické systémy pracujúce pri izbovej teplote, ako sú počítače; 125 ° C, teplota, pri ktorej musia fungovať univerzálne konektory, často špecifikovaná pre vojenské aplikácie; 200 ° C, je táto teplota pre lietajúce vybavenie stále dôležitejšia. “

Pri nízkych teplotách sa niklové bariéry nevyžadujú. So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje množstvo niklu potrebné na zabránenie prenosu niklu/zlata (tabuľka II).

Tabuľka 2. Kontaktný odpor nikel/zlato (1000 hodín)

Vrstva niklovej bariéry uspokojivý kontakt pri 65 ° C uspokojivý kontakt pri 125 ° C uspokojivý kontakt pri 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%

Nikel použitý v Antlerovej štúdii bol galvanicky pokovovaný. Vylepšenia sa očakávajú od neelektrolytického niklu, čo potvrdil Baudrand 4. Tieto výsledky sú však pre 0.5 µm zlata, kde sa rovina zvyčajne zráža 0.2 µm. Rovinu možno usúdiť, že je dostačujúca pre kontaktné prvky pracujúce pri 125 ° C, ale prvky s vysokou teplotou budú vyžadovať špecializované testovanie.

“Čím hrubší je nikel, tým lepšia je bariéra vo všetkých prípadoch,” naznačuje Antler, “ale realita výroby PCB povzbudzuje inžinierov, aby ukladali iba toľko niklu, koľko je potrebné.” Plochý nikel/zlato sa teraz používa v mobilných telefónoch a pageroch, ktoré používajú kontaktné body na dotykovej podložke. Špecifikácia pre tento typ prvku je najmenej 2 µm niklu.

Konektor

Neelektrolytické ponorenie niklu/zlata sa používa na výrobu dosiek plošných spojov s pružinovým, lisovaným, nízkotlakovým posuvným a inými nezváranými konektormi.

Zásuvné konektory vyžadujú dlhšiu fyzickú trvanlivosť. V týchto prípadoch sú neelektrolytické niklové povlaky dostatočne silné na aplikácie PCB, ale ponorenie do zlata nie. Veľmi tenké čisté zlato (60 až 90 Knoop) sa pri opakovanom trení z niklu zotrie. Keď sa zlato odstráni, odhalený nikel rýchlo oxiduje, čo má za následok zvýšenie kontaktného odporu.

Neelektrolytický niklový povlak/ponorenie do zlata nemusí byť tou najlepšou voľbou pre zásuvné konektory, ktoré vydržia viac vložiek počas celej životnosti výrobku. Pre viacúčelové konektory sa odporúčajú povrchy nikel/paládium/zlato.

Bariérová vrstva

Neelektrolytický nikel má funkciu troch bariérových vrstiev na doske: 1) zabraňuje difúzii medi do zlata; 2) zabrániť difúzii zlata na nikel; 3) Zdroj niklu tvoreného intermetalickými zlúčeninami Ni3Sn4.

Difúzia medi na nikel

Prenos medi cez nikel bude mať za následok rozklad medi na povrchové zlato. Meď bude rýchlo oxidovať, čo má za následok zlú zvárateľnosť pri montáži, ku ktorej dochádza v prípade úniku niklu. Nikel je potrebný na zabránenie migrácie a difúzie prázdnych dosiek počas skladovania a počas montáže, keď sú zvárané ostatné oblasti platne. Preto je teplotná požiadavka bariérovej vrstvy nižšia ako jedna minúta pod 250 ° C.

Turn a Owen6 skúmali vplyv rôznych bariérových vrstiev na meď a zlato. Zistili, že „… Porovnanie hodnôt priepustnosti medi pri 400 ° C a 550 ° C ukazuje, že šesťmocný chróm a nikel s 8-10% obsahom fosforu sú najúčinnejšie študované bariérové ​​vrstvy “. (tabuľka 3).

Tabuľka 3. Prienik medi cez nikel k zlatu

Hrúbka niklu 400 ° C 24 hodín 400 ° C 53 hodín 550 ° C 12 hodín

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 M 8 µm

2.00 µm Nedifúzna nedifúzna nedifúzna

Podľa Arrheniovej rovnice je difúzia pri nižších teplotách exponenciálne pomalšia. Je zaujímavé, že v tomto experimente bol neelektrolytický nikel 2 až 10-krát účinnejší ako elektrolyticky pokovovaný nikel. Turn a Owen poukazujú na to, že „… A (8%) 2 µm (80 µinch) bariéra tejto zliatiny znižuje difúziu medi na zanedbateľnú úroveň. “

Z tohto testu extrémnych teplôt predstavuje bezpečnú špecifikáciu hrúbka niklu najmenej 2 µm.

Difúzia niklu na zlato

Druhou požiadavkou neelektrolytického niklu je, aby nikel nemigroval cez „zrná“ alebo „jemné diery“ impregnované zlatom. Ak sa nikel dostane do kontaktu so vzduchom, začne oxidovať. Oxid nikelnatý sa nepredáva a je ťažké ho odstrániť tavivom.

Existuje niekoľko článkov o nikle a zlate používaných ako nosiče keramických čipov. Tieto materiály dlhodobo odolávajú extrémnym teplotám montáže. Bežným testom pre tieto povrchy je 500 ° C počas 15 minút.

Aby sa vyhodnotila schopnosť plochých neelektrolytických povrchov impregnovaných niklom/zlatom zabrániť oxidácii niklu, skúmala sa zvárateľnosť povrchov starnutých teplotou. Testovali sa rôzne teploty/vlhkosť a časové podmienky. Tieto štúdie ukázali, že nikel je dostatočne chránený vylúhovaním zlata, čo umožňuje dobrú zvárateľnosť po dlhom starnutí.

Difúzia niklu na zlato môže byť v niektorých prípadoch limitujúcim faktorom montáže, ako je napríklad zlaté termalsonické spájanie drôtov. V tejto aplikácii je povrch nikel/zlato menej pokročilý ako povrch nikel/paládium/zlato. Iacovangelo skúmal difúzne vlastnosti paládia ako bariérovej vrstvy medzi niklom a zlatom a zistil, že 0.5 µm paládium zabraňuje migrácii aj pri extrémnych teplotách. Táto štúdia tiež ukázala, že nedošlo k žiadnej difúzii medi cez 2.5 µm niklu/paládia stanovenej Augerovou spektroskopiou počas 15 minút pri 500 ° C.

Medzirodová zlúčenina nikel -cín

Počas operácie povrchovej montáže alebo spájkovania vlnou budú atómy z povrchu DPS zmiešané s atómami spájky v závislosti od difúznych vlastností kovu a schopnosti vytvárať „intermetalické zlúčeniny“ (tabuľka 4).

Tabuľka 4. Difúznosť materiálov DPS pri zváraní

Teplota kovu ° C difuzivita (µinch/ SEC.)

Zlato 450 486 117.9 167.5

Meď 450 525 4.1 7.0

Palladium 450 525 1.4 6.2

Nikel 700 1.7

V systémoch nikel/zlato a cín/olovo sa zlato okamžite rozpustí na voľný cín. Spájka vytvára silné spojenie s podkladovým niklom vytváraním intermetalických zlúčenín Ni3Sn4. Malo by byť nanesené dostatočné množstvo niklu, aby sa zaistilo, že spájka sa nedostane pod meď.Baderove merania ukázali, že na udržanie bariéry nie je potrebných viac ako 0.5 µm niklu, dokonca aj počas viac ako šiestich teplotných cyklov. V skutočnosti je maximálna pozorovaná hrúbka intermetalickej vrstvy menšia ako 0.5 µm (20 µinch).

porézny

Neelektrolytický nikel/zlato sa len nedávno stal bežným konečným povrchovým povlakom PCB, takže priemyselné postupy nemusia byť pre tento povrch vhodné. K dispozícii je proces pary kyseliny dusičnej na testovanie pórovitosti elektrolytického niklu/zlata použitého ako zásuvný konektor (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Neelektrolytický nikel/impregnácia týmto testom neprejde. Na stanovenie relatívnej pórovitosti plochých povrchov, ktorá je udávaná v póroch na milimeter štvorcový (ploštice /mm2), bol vyvinutý európsky štandard pórovitosti s použitím ferokyanidu draselného. Dobrý rovný povrch by mal mať pri 10 -násobnom zväčšení menej ako 100 otvorov na milimeter štvorcový.

záver

Priemysel výroby PCB má záujem znížiť množstvo niklu ukladaného na doske z dôvodu nákladov, doby cyklu a kompatibility materiálu. Minimálna špecifikácia niklu by mala pomôcť zabrániť difúzii medi na zlatý povrch, zachovať dobrú pevnosť zvaru a udržať kontaktný odpor na nízkej úrovni. Maximálna špecifikácia niklu by mala umožniť flexibilitu pri výrobe dosiek, pretože s hrubými usadeninami niklu nie sú spojené žiadne vážne spôsoby zlyhania.

Pre väčšinu dnešných návrhov obvodových dosiek je minimálna požadovaná hrúbka niklu neelektrolytický povlak 2.0 µm (80 µinch). V praxi sa na výrobnú dávku PCB použije rad hrúbok niklu (obrázok 2). Zmena hrúbky niklu bude dôsledkom zmeny vlastností chemikálií do kúpeľa a zmeny doby zdržania automatického zdvíhacieho stroja. Aby sa zaistilo minimum 2.0 µm, špecifikácie od koncových používateľov by mali vyžadovať 3.5 µm, minimálne 2.0 µm a maximálne 8.0 µm.

Tento špecifikovaný rozsah hrúbky niklu sa ukázal ako vhodný na výrobu miliónov obvodových dosiek. Sortiment spĺňa požiadavky na zvárateľnosť, trvanlivosť a kontakty dnešnej elektroniky. Pretože sa požiadavky na montáž líšia od jedného výrobku k druhému, povrchové nátery môže byť potrebné optimalizovať pre každú konkrétnu aplikáciu.