Den sista beläggningsprocessen för PCB tillverkningen har genomgått betydande förändringar de senaste åren. 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.

Den slutliga beläggningen används för att skydda kretsens kopparfolie. Koppar (Cu) är en bra yta för svetsningskomponenter, men oxideras lätt; Kopparoxid hindrar fuktning av lödning. Även om guld (Au) nu används för att täcka koppar, eftersom guld inte oxiderar; Guld och koppar sprids snabbt och genomsyrar varandra. Eventuellt exponerat koppar bildar snabbt en icke-svetsbar kopparoxid. Ett tillvägagångssätt är att använda ett “barriärskikt” av nickel (Ni) som förhindrar överföring av guld och koppar och ger en hållbar, ledande yta för komponentmontering.

PCB-krav för icke-elektrolytisk nickelbeläggning

The non-electrolytic nickel coating should perform several functions:

Ytan på en guldfyndighet

Det slutliga syftet med kretsen är att skapa en anslutning med hög fysisk hållfasthet och goda elektriska egenskaper mellan kretskort och komponenter. Om det finns någon oxid eller kontaminering på PCB -ytan skulle denna svetsade fog inte uppstå med dagens svaga flöde.

Guld avsätts naturligt ovanpå nickel och oxiderar inte vid lång lagring. Guldet sätter sig dock inte på det oxiderade nickelet, så nicklet måste förbli rent mellan nickelbadet och guldets upplösning. 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. This phosphorus content in the non-electrolytic nickel coating is considered as a careful balance of bath control, oxide, and electrical and physical properties.

hårdhet

Icke-elektrolytiska nickelbelagda ytor används i många applikationer som kräver fysisk styrka, till exempel bilöverföringslager. PCB-kraven är mycket mindre stränga än kraven för dessa applikationer, men en viss hårdhet är viktig för trådbindning, pekplattans kontakter, kantanslutningskontakter och bearbetning av hållbarhet.

Bindning av bly kräver en nickelhårdhet. Förlust av friktion kan uppstå om bly deformerar fällningen, vilket hjälper blyet att ”smälta” in i substratet. SEM -bilder visade ingen penetration i ytan av platt nickel/guld eller nickel/palladium (Pd)/guld.

Elektriska egenskaper

Koppar är den valda metallen för kretsbildning eftersom den är lätt att göra. Koppar leder elektricitet bättre än nästan varje metall (tabell 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

Koppar 1.7 (inklusive Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Icke-elektrolytisk nickelbeläggning 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. Mikrovågs -PCB -signalförlust kan överstiga konstruktionsspecifikationer. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. I många tillämpningar kan elektriska signaler återställas till konstruktionsspecifikationen genom att specificera nickelförsättningar på mindre än 2.5 µm.

Kontakta motstånd

Kontaktmotståndet skiljer sig från svetsbarheten eftersom nickel/guldytan förblir svetsad under slutproduktens livslängd. Nickel/guld måste förbli ledande för yttre kontakt efter långvarig miljöexponering. 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, temperaturen vid vilken universalkontakter måste fungera, ofta specificerad för militära applikationer; 200 ° C, blir den temperaturen allt viktigare för flygutrustning. ”

För låga temperaturer krävs inte nickelbarriärer. När temperaturen ökar ökar den mängd nickel som krävs för att förhindra nickel/guldöverföring (tabell II).

Tabell 2. Kontaktmotstånd för nickel/guld (1000 timmar)

Nickelspärrskikt tillfredsställande kontakt vid 65 ° C tillfredsställande kontakt vid 125 ° C tillfredsställande kontakt vid 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%

Nickeln som användes i Antlers studie var galvaniserad. Förbättringar förväntas av icke-elektrolytiskt nickel, vilket bekräftas av Baudrand 4. Dessa resultat gäller dock för 0.5 µm guld, där planet vanligtvis fäller ut 0.2 µm. Planen kan antas vara tillräcklig för kontaktelement som arbetar vid 125 ° C, men element med högre temperatur kommer att kräva specialiserad testning.

“Ju tjockare nickel, desto bättre barriär, i alla fall”, föreslår Antler, “men verkligheten inom tillverkning av kretskort uppmuntrar ingenjörer att bara sätta in så mycket nickel som behövs. Platt nickel/guld används nu i mobiltelefoner och personsökare som använder pekplattans kontaktpunkter. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

Anslutningen

Icke-elektrolytisk fördjupning av nickel/guld används vid tillverkning av kretskort med fjäderpassning, presspassning, lågtrycksglidning och andra icke-svetsade kontakter.

Plug-in-kontakter kräver längre fysisk hållbarhet. I dessa fall är icke-elektrolytiska nickelbeläggningar tillräckligt starka för PCB-applikationer, men guldfördjupning är inte det. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. När guldet avlägsnas oxiderar det exponerade nickel snabbt, vilket resulterar i en ökning av kontaktmotståndet.

Icke-elektrolytisk nickelbeläggning/nedsänkning av guld är kanske inte det bästa valet för plug-in-kontakter som tål flera insatser under produktens livslängd. Nickel-/palladium-/guldytor rekommenderas för flerfunktionskontakter.

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) Nickelkälla bildad av Ni3Sn4 intermetalliska föreningar.

Diffusion av koppar till nickel

Överföring av koppar genom nickel kommer att resultera i sönderdelning av koppar till ytguld. 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. Därför är barriärskiktets temperaturkrav mindre än en minut under 250 ° C.

Turn och Owen6 har studerat effekten av olika barriärskikt på koppar och guld. De fann att “… Jämförelse av kopparpermeabilitetsvärden vid 400 ° C och 550 ° C visar att hexavalent krom och nickel med 8-10% fosforhalt är de mest effektiva barriärskikten som studerats ”. (tabell 3).

Tabell 3. Genomträngning av koppar genom nickel till guld

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 Non-diffusion non-diffusion non-diffusion

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Intressant nog, i detta experiment var icke-elektrolytiskt nickel 2 till 10 gånger effektivare än galvaniserat nickel. Turn och Owen påpekar att “… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Från detta extrema temperaturprov är en nickeltjocklek på minst 2 µm en säker specifikation.

Diffusion av nickel till guld

Det andra kravet på icke-elektrolytiskt nickel är att nickel inte vandrar genom “korn” eller “fina hål” impregnerade med guld. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Det finns flera artiklar om nickel och guld som används som keramiska spånbärare. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Ett vanligt test för dessa ytor är 500 ° C i 15 minuter.

För att utvärdera förmågan hos platta icke-elektrolytiska nickel-/guldimpregnerade ytor att förhindra nickeloxidation studerades svetsbarheten hos temperaturåldrade ytor. Different heat/humidity and time conditions were tested. Dessa studier har visat att nickel är tillräckligt skyddat av urlakning av guld, vilket möjliggör god svetsbarhet efter lång åldrande.

Spridning av nickel till guld kan i vissa fall vara en begränsande faktor för montering, såsom termonisk guldbindning. I denna applikation är nickel/guldytan mindre avancerad än nickel/palladium/guldytan. 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.

Nickel tenn intergenerisk förening

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).

Tabell 4. Diffusivitet av PCB -material vid svetsning

Metalltemperatur ° C diffusivitet (µinches/ SEC.)

Guld 450 486 117.9 167.5

Koppar 450 525 4.1

Palladium 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

I system av nickel/guld och tenn/bly löses guldet omedelbart upp i lös tenn. 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.Baders mätningar visade att inte mer än 0.5 µm nickel krävdes för att bibehålla barriären, även genom mer än sex temperaturcykler. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

porös

Icke-elektrolytiskt nickel/guld har först nyligen blivit en vanlig slutlig PCB-ytbeläggning, så industriella förfaranden kanske inte är lämpliga för denna yta. En salpetersyraångprocess är tillgänglig för att testa porositeten hos elektrolytiskt nickel/guld som används som plug-in-kontakt (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Icke-elektrolytiskt nickel/impregnering klarar inte detta test. En europeisk porositetsstandard har utvecklats med hjälp av kaliumferricyanid för att bestämma den relativa porositeten för plana ytor, som anges i form av porer per kvadratmillimeter (buggar /mm2). En bra plan yta bör ha färre än 10 hål per kvadratmillimeter vid 100 x förstoring.

slutsats

PCB -tillverkningsindustrin är intresserad av att minska mängden nickel som deponeras på kortet av kostnader, cykeltid och materialkompatibilitet. Den minsta nickelspecifikationen ska hjälpa till att förhindra koppardiffusion till guldytan, bibehålla god svetsstyrka och hålla kontaktmotståndet lågt. Den maximala nickelspecifikationen bör möjliggöra flexibilitet vid tillverkning av plattor, eftersom inga allvarliga misslyckanden är förknippade med tjocka nickelavlagringar.

För de flesta av dagens kretskortsdesigner är en icke-elektrolytisk nickelbeläggning på 2.0 µm (80 µinches) den minsta nickeltjocklek som krävs. I praktiken kommer en rad nickeltjocklekar att användas på en produktionsparti av kretskortet (figur 2). Förändringen i nickeltjocklek kommer att bero på förändringen i badkemikaliernas egenskaper och förändringen i den automatiska lyftmaskinens uppehållstid. För att säkerställa minst 2.0 µm bör specifikationer från slutanvändare kräva 3.5 µm, minst 2.0 µm och högst 8.0 µm.

Detta angivna intervall av nickeltjocklek har visat sig lämpligt för produktion av miljontals kretskort. Sortimentet uppfyller svetsbarhet, hållbarhet och kontaktkrav för dagens elektronik. Eftersom monteringskraven skiljer sig från en produkt till en annan, kan ytbeläggningar behöva optimeras för varje enskild applikation.