Končni postopek premazovanja za PCB proizvodnja je v zadnjih letih doživela pomembne spremembe. 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.

Končni premaz se uporablja za zaščito površine bakrene folije vezja. Baker (Cu) je dobra površina za varjenje komponent, vendar se zlahka oksidira; Bakrov oksid ovira mokro spajkanje. Čeprav se zlato (Au) zdaj uporablja za pokrivanje bakra, ker zlato ne oksidira; Zlato in baker se bosta hitro razpršila in prežela. Vsak izpostavljen baker bo hitro tvoril nezavarljiv bakreni oksid. Eden od pristopov je uporaba “pregradne plasti” niklja (Ni), ki preprečuje prenos zlata in bakra ter zagotavlja trpežno prevodno površino za sestavljanje sestavnih delov.

Zahteve za PCB za neelektrolitsko prevleko iz niklja

Neelektrolitska prevleka iz niklja bi morala opravljati več funkcij:

Površina nahajališča zlata

Končni namen vezja je vzpostaviti povezavo z visoko fizično trdnostjo in dobrimi električnimi lastnostmi med tiskanim vezjem in komponentami. Če je na površini PCB -ja kakršen koli oksid ali kontaminacija, do tega varjenega spoja pri današnjem šibkem toku ne bi prišlo.

Zlato se naravno nanese na nikelj in med dolgim ​​skladiščenjem ne oksidira. Vendar se zlato ne usede na oksidirani nikelj, zato mora nikelj ostati čist med nikljevo kopeljo in raztapljanjem zlata. 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 vsebnost fosforja v neelektrolitski prevleki iz niklja velja za skrbno ravnovesje nadzora kopeli, oksida ter električnih in fizikalnih lastnosti.

trdota

Neelektrolitične površine, prevlečene z nikljem, se uporabljajo v številnih aplikacijah, ki zahtevajo fizično moč, kot so ležaji za avtomobilske menjalnike. Zahteve za tiskano vezje so veliko manj stroge od zahtev za te aplikacije, vendar je določena trdota pomembna za povezovanje žic, stike sledilne ploščice, konektorje robnih priključkov in trajnost obdelave.

Za povezovanje svinca je potrebna trdnost niklja. Izguba trenja lahko nastane, če svinec deformira oborino, kar pomaga, da se svinec “stopi” v podlago. Slike SEM niso pokazale prodiranja v površino ravnega niklja/zlata ali niklja/paladija (Pd)/zlata.

Električne značilnosti

Baker je kovina izbire za oblikovanje vezja, ker ga je enostavno izdelati. Baker bolje prenaša elektriko kot skoraj vsaka kovina (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

Baker 1.7 (vključno z Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Neelektrolitska prevleka iz niklja 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. Izguba signala mikrovalovnega tiskanega vezja lahko presega specifikacije oblikovalca. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. V mnogih aplikacijah je mogoče električne signale obnoviti v skladu s projektno specifikacijo, tako da določite nikljeve usedline manjše od 2.5 μm.

Kontaktni upor

Kontaktna odpornost se razlikuje od varjenja, ker površina niklja/zlata ostane nezavarjena skozi celotno življenjsko dobo končnega izdelka. Nikelj/zlato mora ostati dolgotrajno izpostavljeno zunanjemu stiku. 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, pri kateri morajo delovati univerzalni priključki, pogosto določena za vojaške namene; 200 ° C, ta temperatura postaja vse bolj pomembna za letečo opremo. “

Za nizke temperature nikljeve pregrade niso potrebne. Ko se temperatura dvigne, se količina niklja, ki je potrebna za preprečevanje prenosa niklja/zlata, poveča (Tabela II).

Tabela 2. Kontaktna upornost niklja/zlata (1000 ur)

Plast nikljeve pregrade zadovoljiv stik pri 65 ° C zadovoljiv stik pri 125 ° C zadovoljiv stik 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%

Nikelj, uporabljen v Antlerjevi študiji, je bil galvaniziran. Pričakuje se izboljšanje neelektrolitskega niklja, kar je potrdil Baudrand 4. Ti rezultati pa veljajo za 0.5 µm zlata, kjer ravnina običajno obori 0.2 µm. Za ravnino je mogoče sklepati, da zadošča za kontaktne elemente, ki delujejo pri 125 ° C, vendar bodo za elemente z višjo temperaturo potrebna posebna testiranja.

“Debelejši je nikelj, boljša je ovira v vseh primerih,” predlaga Antler, “vendar realnost proizvodnje PCB spodbuja inženirje, da položijo le toliko niklja, kolikor je potrebno. Ploščato nikelj/zlato se zdaj uporablja v mobilnih telefonih in pozivnikih, ki uporabljajo kontaktne točke na sledilni ploščici. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

Priključek

Neelektrolitsko potopitev iz niklja/zlata se uporablja pri izdelavi tiskanih vezij z vzmetnimi, stiskalnimi, nizkotlačnimi drsnimi in drugimi nezavarjenimi priključki.

Vtični priključki zahtevajo daljšo fizično vzdržljivost. V teh primerih so neelektrolitske prevleke iz niklja dovolj močne za uporabo na PCB, potopitev v zlato pa ne. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Ko zlato odstranimo, izpostavljeni nikelj hitro oksidira, kar povzroči povečanje kontaktne odpornosti.

Neelektrolitska prevleka iz niklja/potopitev v zlato morda ni najboljša izbira za vtične priključke, ki vzdržijo več vložkov skozi celotno življenjsko dobo izdelka. Površine iz niklja/paladija/zlata se priporočajo za večnamenske priključke.

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) Vir niklja, ki ga tvorijo intermetalne spojine Ni3Sn4.

Difuzija bakra v nikelj

Prenos bakra skozi nikelj povzroči razpad bakra na površinsko zlato. 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. Zato je zahteva po temperaturi pregradne plasti manj kot eno minuto pod 250 ° C.

Turn in Owen6 sta proučevala učinek različnih pregradnih plasti na baker in zlato. Ugotovili so, da »… Primerjava vrednosti prepustnosti bakra pri 400 ° C in 550 ° C kaže, da sta najbolj učinkoviti preučeni pregradni šestivalentni krom in nikelj z 8-10% vsebnostjo fosforja “. (tabela 3).

Tabela 3. Prodor bakra skozi nikelj v zlato

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 µ M 8 µm

2.00 µm nedifuzijska nedifuzijska nedifuzija

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Zanimivo je, da je bil v tem poskusu neelektrolitski nikelj 2 do 10-krat učinkovitejši od galvaniziranega niklja. Turn in Owen poudarjata, da »… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

S tem preskusom ekstremnih temperatur je debelina niklja najmanj 2 μm varna specifikacija.

Difuzija niklja v zlato

Druga zahteva neelektrolitskega niklja je, da se nikelj ne seli skozi “zrna” ali “fine luknje”, impregnirane z zlatom. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Obstaja več člankov o niklju in zlatu, ki se uporabljajo kot nosilci keramičnih čipov. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Običajen preskus za te površine je 500 ° C 15 minut.

Da bi ocenili sposobnost ravnih neelektrolitskih površin, impregniranih z nikljem/zlatom, da preprečijo oksidacijo niklja, smo proučili varljivost temperaturno starih površin. Different heat/humidity and time conditions were tested. Te študije so pokazale, da je nikelj ustrezno zaščiten z izluževanjem zlata, kar omogoča dobro varljivost po dolgem staranju.

Difuzija niklja v zlato je lahko v nekaterih primerih omejevalni dejavnik pri sestavljanju, na primer z zlato termosonično vezavo žice. V tej vlogi je površina nikelj/zlato manj napredna kot površina nikelj/paladij/zlato. 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.

Medgenerična spojina nikelj kositer

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. Difuznost PCB materialov pri varjenju

Temperatura kovine ° C difuzivnost (µinches/ SEC.)

Zlato 450 486 117.9 167.5

Baker 450 525 4.1 7.0

Paladij 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

V sistemih nikelj/zlato in kositer/svinec se zlato takoj raztopi v ohlapno kositer. 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.Baderjeve meritve so pokazale, da za vzdrževanje pregrade ni bilo potrebno več kot 0.5 μm niklja, tudi v več kot šestih temperaturnih ciklih. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

porozen

Neelektrolitični nikelj/zlato je šele pred kratkim postal običajna končna površinska prevleka iz PCB, zato industrijski postopki morda niso primerni za to površino. Na voljo je postopek pare z dušikovo kislino za preskušanje poroznosti elektrolitskega niklja/zlata, ki se uporablja kot vtični priključek (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Neelektrolitski nikelj/impregnacija ne bo opravil tega preskusa. Za določitev relativne poroznosti ravnih površin, ki je podana v smislu por na kvadratni milimeter (hrošči /mm2), je bil razvit evropski standard poroznosti z uporabo kalijevega fericianida. Dobra ravna površina mora imeti pri 10 -kratni povečavi manj kot 100 lukenj na kvadratni milimeter.

Sklenitev

Proizvodna industrija PCB je zainteresirana za zmanjšanje količine niklja, deponiranega na ploščo, zaradi stroškov, časa cikla in združljivosti materiala. Minimalne specifikacije niklja bi morale preprečiti difuzijo bakra na površino zlata, ohraniti dobro trdnost zvara in ohraniti nizko kontaktno upornost. Največja specifikacija niklja bi morala omogočati prilagodljivost pri proizvodnji plošč, saj z debelimi nikljevimi usedlinami niso povezani resni načini okvare.

Za večino današnjih modelov tiskanih vezij je neelektrolitska prevleka iz niklja 2.0 µm (80 µin) minimalna zahtevana debelina niklja. V praksi se bo na proizvodni seriji PCB uporabila vrsta debelin niklja (slika 2). Sprememba debeline niklja bo posledica spremembe lastnosti kemikalij za kopanje in spremembe časa zadrževanja avtomatskega dvižnega stroja. Za zagotovitev najmanj 2.0 µm morajo specifikacije končnih uporabnikov zahtevati 3.5 µm, najmanj 2.0 µm in največ 8.0 µm.

To določeno območje debeline niklja se je izkazalo za primernega za proizvodnjo milijonov vezij. Asortiman ustreza zahtevam varljivosti, roka uporabnosti in stikov današnje elektronike. Ker se zahteve glede sestavljanja razlikujejo od izdelka do izdelka, bo morda treba površinske premaze optimizirati za vsako posebno uporabo.