Завршни поступак премазивања за ПЦБ- производња је претрпела значајне промене последњих година. 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.

Завршни премаз се користи за заштиту површине бакарне фолије кола. Бакар (Цу) је добра површина за заваривање компоненти, али се лако оксидује; Бакарни оксид омета влажење лема. Иако се злато (Ау) сада користи за покривање бакра, јер злато не оксидира; Злато и бакар ће се брзо распршити и прожимати једно друго. Сваки изложени бакар ће брзо формирати незаварљиви оксид бакра. Један приступ је употреба „баријерног слоја“ од никла (Ни) који спречава пренос злата и бакра и пружа издржљиву, проводљиву површину за састављање компоненти.

Захтеви за ПЦБ за неелектролитичке премазе од никла

Неелектролитички премаз од никла треба да обавља неколико функција:

Површина лежишта злата

Крајња сврха кола је да успостави везу са високом физичком чврстоћом и добрим електричним карактеристикама између ПЦБ -а и компоненти. Ако на површини ПЦБ -а има оксида или онечишћења, до овог завареног споја не би дошло са данашњим слабим флуксом.

Злато се природно таложи на никлу и не оксидира током дугог складиштења. Међутим, злато се не таложи на оксидованом никлу, тако да никал мора остати чист између купатила са никлом и растварања злата. 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. Овај садржај фосфора у не-електролитичкој превлаци од никла сматра се пажљивом равнотежом контроле купатила, оксида и електричних и физичких својстава.

тврдоћа

Површине пресвучене електролитом са никлом користе се у многим апликацијама које захтевају физичку снагу, као што су лежајеви за пренос аутомобила. Захтеви за ПЦБ су далеко мање строги од оних за ове апликације, али је одређена тврдоћа важна за повезивање жицом, контакте на додирној табли, конекторе за рубне конекторе и одрживост обраде.

За повезивање олова потребна је тврдоћа никла. Губитак трења може настати ако олово деформише талог, што помаже да се олово „истопи“ у подлогу. СЕМ снимци нису показали продор на површину равног никла/злата или никла/паладијума (Пд)/злата.

Електричне карактеристике

Бакар је метал избора за формирање кола јер се лако прави. Бакар проводи електричну струју боље од готово сваког метала (табела 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

Бакар 1.7 (укључујући Ω цм

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Неелектролитичка превлака од никла 55 ~ 90 µ ω цм

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. Губитак сигнала ПЦБ -а у микроталасној пећници може премашити спецификације дизајнера. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. У многим апликацијама, електрични сигнали се могу вратити у складу са пројектованом спецификацијом специфицирањем наслага никла мањих од 2.5 µм.

Отпор контакта

Контактна отпорност се разликује од заваривања јер површина никла/злата остаје незаварена током читавог века трајања крајњег производа. Никл/злато мора да остане проводљиво за спољни контакт након дуже изложености животној средини. 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 ° Ц, температура на којој универзални конектори морају да раде, често наведена за војне примене; 200 ° Ц, та температура постаје све важнија за летећу опрему.

За ниске температуре, никл баријере нису потребне. Како температура расте, количина никла потребна за спречавање преноса никла/злата се повећава (Табела ИИ).

Табела 2. Контактна отпорност никла/злата (1000 сати)

Никел баријерни слој задовољавајући контакт на 65 ° Ц задовољавајући контакт на 125 ° Ц задовољавајући контакт на 200 ° Ц

0.0 µм 100% 40% 0%

0.5 µм 100% 90% 5%

2.0 µм 100% 100% 10%

4.0 µм 100% 100% 60%

Никл коришћен у Антлеровој студији био је галванизиран. Очекује се побољшање неелектролитичког никла, што је потврдио Баудранд 4. Међутим, ови резултати су за 0.5 µм злата, где се равнина обично таложи 0.2 µм. Може се закључити да је равнина довољна за контактне елементе који раде на 125 ° Ц, али ће елементи са вишом температуром захтијевати специјализована испитивања.

„Што је никл дебљи, то је баријера боља у свим случајевима“, каже Антлер, „али реалност производње ПЦБ -а подстиче инжењере да депонују само онолико никла колико је потребно. Равни никал/злато сада се користи у мобилним телефонима и пејџерима који користе додирне тачке додирне табле. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

Конектор

Неелектролитичко урањање у никал/злато користи се у производњи плоча са опругама, прешањем, клизањем ниског притиска и другим незавареним конекторима.

Утични конектори захтевају дужу физичку издржљивост. У овим случајевима, не-електролитички премази од никла су довољно јаки за примене на ПЦБ-у, али потапање у злато није. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Када се злато уклони, изложени никал брзо оксидира, што доводи до повећања отпорности на контакт.

Неелектролитичка превлака од никла/потапање у злато можда није најбољи избор за утичне конекторе који издрже више уметака током века трајања производа. За вишенамјенске конекторе препоручују се површине од никла/паладија/злата.

The barrier layer

Неелектролитички никл има функцију три баријерна слоја на плочи: 1) да спречи дифузију бакра у злато; 2) To prevent the diffusion of gold to nickel; 3) Извор никла формиран од интерметалних једињења Ни3Сн4.

Дифузија бакра у никал

Пренос бакра кроз никал ће довести до распадања бакра на површинско злато. 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. Због тога је захтев температуре баријерног слоја мањи од једног минута испод 250 ° Ц.

Турн и Овен6 проучавали су утицај различитих баријерних слојева на бакар и злато. Открили су да „… Поређење пропусности бакра на 400 ° Ц и 550 ° Ц показује да су шестовалентни хром и никал са 8-10% садржаја фосфора најефикаснији проучавани баријерски слојеви “. (табела 3).

Табела 3. Продор бакра кроз никал у злато

Nickel thickness 400°C 24 hours 400°C 53 hours 550°C 12 hours

0.25 µм 1 µм 12 µм 18 µм

0.50 µм 1 µм 6 µм 15 µм

1.00 µм 1 µм 1 µМ 8 µм

2.00 µм Не-дифузија Не-дифузија Не-дифузија

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Занимљиво је да је у овом експерименту не-електролитички никл био 2 до 10 пута ефикаснији од галванизованог никла. Турн и Овен истичу да „… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Из овог испитивања екстремне температуре, дебљина никла од најмање 2µм је сигурна спецификација.

Дифузија никла у злато

Други захтев неелектролитичког никла је да никал не мигрира кроз „зрна“ или „фине рупе“ импрегниране златом. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Постоји неколико чланака о никлу и злату који се користе као носачи керамичких чипова. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Уобичајен тест за ове површине је 500 ° Ц током 15 минута.

Да би се проценила способност равних неелектролитичких површина импрегнираних никлом/златом да спрече оксидацију никла, проучавана је заварљивост површина са температурним старењем. Different heat/humidity and time conditions were tested. Ове студије су показале да је никал адекватно заштићен испирањем злата, омогућавајући добро заваривање након дугог старења.

Дифузија никла у злато може бити ограничавајући фактор за састављање у неким случајевима, као што је везивање златне термосоничне жице. У овој примени, површина никла/злата је мање напредна од површине никла/паладија/злата. 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.

Међугенеричко једињење никл -калај

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).

Табела 4. Дифузност ПЦБ материјала при заваривању

Температура метала ° Ц дифузивност (µинцхес/ СЕЦ.)

Злато 450 486 117.9 167.5

Бакар 450 525 4.1 7.0

Паладијум 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

У системима од никла/злата и калаја/олова, злато се одмах раствара у растресит лим. 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.Бадерова мерења су показала да није потребно више од 0.5 µм никла за одржавање баријере, чак ни кроз више од шест температурних циклуса. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

порозно

Неелектролитички никал/злато тек је недавно постао уобичајен завршни премаз за ПЦБ, па индустријски поступци можда нису прикладни за ову површину. Доступан је процес паре на бази азотне киселине за испитивање порозности електролитског никла/злата који се користи као утични конектор (ИПЦ-ТМ-650 2.3.24.2) 9. Неелектролитички никл/импрегнација неће проћи овај тест. Европски стандард порозности развијен је употребом калијум ферицианида за одређивање релативне порозности равних површина, која је дата у смислу пора по квадратном милиметру (грешке /мм2). Добра равна површина треба да има мање од 10 рупа по квадратном милиметру при увећању од 100 к.

закључак

Индустрија производње ПЦБ -а заинтересована је за смањење количине никла депонованог на плочи из разлога трошкова, времена циклуса и компатибилности материјала. Минималне спецификације никла требало би да помогну у спречавању дифузије бакра на површини злата, одржавању добре чврстоће завара и одржавању ниског контакта. Максималне спецификације никла требале би омогућити флексибилност у производњи плоча, јер озбиљни начини квара нису повезани са дебелим наслагама никла.

За већину данашњих дизајна штампаних плоча, не-електролитичка превлака од никла од 2.0 µм (80 µ инча) је минимална потребна дебљина никла. У пракси ће се на производној партији ПЦБ -а користити низ дебљина никла (слика 2). Промена дебљине никла ће бити резултат промене својстава хемикалија за купање и промене времена задржавања аутоматске машине за подизање. Да би се осигурало најмање 2.0 µм, спецификације крајњих корисника требају захтевати 3.5 µм, минимално 2.0 µм и максимално 8.0 µм.

Овај специфицирани распон дебљине никла показао се погодним за производњу милиона плоча. Асортиман задовољава захтеве за заваривање, рок трајања и контактне захтеве данашње електронике. Будући да се захтјеви за монтажу разликују од производа до производа, можда ће бити потребно оптимизирати површинске премазе за сваку појединачну примјену.