กระบวนการเคลือบขั้นสุดท้ายสำหรับ PCB การผลิตได้รับการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา 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.

การเคลือบขั้นสุดท้ายใช้เพื่อปกป้องพื้นผิวของฟอยล์ทองแดงของวงจร ทองแดง (Cu) เป็นพื้นผิวที่ดีสำหรับส่วนประกอบเชื่อม แต่ออกซิไดซ์ได้ง่าย คอปเปอร์ออกไซด์ขัดขวางการเปียกTing ของบัดกรี แม้ว่าตอนนี้ทอง (Au) จะใช้เพื่อปกปิดทองแดงเพราะทองคำไม่ได้ออกซิไดซ์ ทองและทองแดงจะกระจายและแทรกซึมซึ่งกันและกันอย่างรวดเร็ว ทองแดงที่สัมผัสจะก่อตัวเป็นคอปเปอร์ออกไซด์ที่ไม่สามารถเชื่อมได้อย่างรวดเร็ว วิธีหนึ่งคือการใช้ “ชั้นกั้น” ของนิกเกิล (Ni) ที่ป้องกันไม่ให้ทองและทองแดงถ่ายเท และให้พื้นผิวที่ทนทานและเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสำหรับการประกอบชิ้นส่วน

ข้อกำหนด PCB สำหรับการเคลือบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า

การเคลือบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าควรทำหน้าที่หลายประการ:

พื้นผิวของฝากทองคำ

จุดประสงค์สูงสุดของวงจรคือการสร้างการเชื่อมต่อที่มีความแข็งแรงสูงและมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีระหว่าง PCB และส่วนประกอบต่างๆ หากมีออกไซด์หรือการปนเปื้อนบนพื้นผิว PCB รอยเชื่อมนี้จะไม่เกิดขึ้นกับฟลักซ์ที่อ่อนแอในปัจจุบัน

ทองคำจะสะสมอยู่เหนือนิกเกิลตามธรรมชาติ และไม่เกิดออกซิไดซ์ระหว่างการเก็บรักษาเป็นเวลานาน อย่างไรก็ตาม ทองไม่ได้จับกับนิกเกิลที่ออกซิไดซ์ ดังนั้น นิกเกิลจะต้องยังคงบริสุทธิ์ระหว่างอ่างนิกเกิลกับการละลายของทองคำ 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.

ความแข็ง

พื้นผิวเคลือบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าถูกนำมาใช้ในการใช้งานจำนวนมากที่ต้องการความแข็งแรงทางกายภาพ เช่น ตลับลูกปืนเกียร์สำหรับยานยนต์ ข้อกำหนดของ PCB นั้นเข้มงวดน้อยกว่าข้อกำหนดสำหรับการใช้งานเหล่านี้มาก แต่ความแข็งบางอย่างมีความสำคัญสำหรับการต่อลวด หน้าสัมผัสทัชแพด ตัวเชื่อมต่อขอบคอนเน็กเตอร์ และความยั่งยืนในการประมวลผล

พันธะตะกั่วต้องใช้ความแข็งของนิกเกิล การสูญเสียความเสียดทานอาจเกิดขึ้นได้หากตะกั่วทำให้ตะกอนเสียรูป ซึ่งช่วยให้ตะกั่ว “ละลาย” ลงในสารตั้งต้น ภาพ SEM แสดงให้เห็นว่าไม่มีการเจาะเข้าไปในพื้นผิวของนิกเกิลแบน/ทอง หรือนิกเกิล/แพลเลเดียม (Pd)/ ทอง

ลักษณะไฟฟ้า

ทองแดงเป็นโลหะที่เลือกใช้ในการสร้างวงจรเนื่องจากทำได้ง่าย ทองแดงนำไฟฟ้าได้ดีกว่าโลหะแทบทุกชนิด (ตารางที่ 1)1,2 ทองยังมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีอีกด้วย ทำให้เป็นตัวเลือกที่สมบูรณ์แบบสำหรับโลหะชั้นนอกสุดเพราะอิเล็กตรอนมักจะไหลบนพื้นผิวของเส้นทางที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า (ประโยชน์ของ “พื้นผิว”)

Table 1. Resistivity of PCB metal

ทองแดง 1.7 (รวม Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

นิกเกิล (รวม 7.4 Ω cm

การเคลือบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า 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. Microwave PCB signal loss can exceed designer specifications. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. ในการใช้งานจำนวนมาก สัญญาณไฟฟ้าสามารถคืนค่าให้เป็นไปตามข้อกำหนดการออกแบบโดยระบุการสะสมของนิกเกิลที่น้อยกว่า 2.5µm

ความต้านทานการติดต่อ

ความต้านทานการสัมผัสแตกต่างจากความสามารถในการเชื่อม เนื่องจากพื้นผิวนิกเกิล/ทองยังคงไม่มีรอยเชื่อมตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย นิกเกิล/ทองจะต้องคงสภาพเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าต่อการสัมผัสภายนอกหลังจากสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมเป็นเวลานาน Antler’s 1970 book expressed nickel/gold surface contact requirements in quantitative terms. มีการศึกษาสภาพแวดล้อมการใช้งานปลายทางที่หลากหลาย: 3 “65°C ซึ่งเป็นอุณหภูมิสูงสุดปกติสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานที่อุณหภูมิห้อง เช่น คอมพิวเตอร์ 125°C อุณหภูมิที่คอนเนคเตอร์อเนกประสงค์ต้องทำงาน มักระบุไว้สำหรับการใช้งานทางการทหาร 200°C อุณหภูมินั้นมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ สำหรับอุปกรณ์การบิน”

สำหรับอุณหภูมิต่ำ ไม่จำเป็นต้องใช้แผ่นกั้นนิกเกิล เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ปริมาณนิกเกิลที่จำเป็นในการป้องกันการถ่ายโอนนิกเกิล/ทองจะเพิ่มขึ้น (ตารางที่ II)

ตารางที่ 2. ความต้านทานการสัมผัสของนิกเกิล/ทอง (1000 ชั่วโมง)

หน้าสัมผัสที่น่าพอใจของชั้นกั้นนิกเกิลที่ 65 ° C หน้าสัมผัสที่น่าพอใจที่ 125 ° C หน้าสัมผัสที่น่าพอใจที่ 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%

นิกเกิลที่ใช้ในการศึกษาของ Antler ถูกชุบด้วยไฟฟ้า คาดว่าจะมีการปรับปรุงจากนิกเกิลที่ไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์ตามที่ Baudrand 4 ยืนยัน อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์เหล่านี้มีไว้สำหรับทองคำ 0.5 µm โดยที่เครื่องบินมักจะตกตะกอน 0.2 µm The plane can be inferred to be sufficient for contact elements operating at 125°C, but higher temperature elements will require specialized testing.

Antler กล่าว “ยิ่งนิกเกิลหนาเท่าไร สิ่งกีดขวางก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น” แต่ความเป็นจริงของการผลิต PCB สนับสนุนให้วิศวกรฝากนิกเกิลในปริมาณมากเท่าที่จำเป็นเท่านั้น ขณะนี้มีการใช้นิกเกิล/ทองแบบแบนในโทรศัพท์มือถือและวิทยุติดตามตัวที่ใช้จุดติดต่อบนทัชแพด ข้อกำหนดสำหรับองค์ประกอบประเภทนี้คือนิกเกิลอย่างน้อย 2 µm

ตัวเชื่อมต่อ

การแช่นิกเกิล/ทองแบบไม่ใช้ไฟฟ้าใช้ในการผลิตแผงวงจรที่มีขนาดพอดีสปริง แบบกดพอดี เลื่อนแรงดันต่ำ และขั้วต่ออื่นๆ ที่ไม่เป็นรอย

ตัวเชื่อมต่อปลั๊กอินต้องการความทนทานทางกายภาพที่ยาวนานขึ้น ในกรณีเหล่านี้ การเคลือบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้ามีความแข็งแรงเพียงพอสำหรับการใช้งาน PCB แต่การแช่ทองไม่สามารถทำได้ Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. เมื่อถอดทองออก นิกเกิลที่สัมผัสออกซิไดซ์อย่างรวดเร็ว ส่งผลให้มีความต้านทานการสัมผัสเพิ่มขึ้น

การเคลือบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า/การจุ่มทองอาจไม่ใช่ตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับตัวเชื่อมต่อแบบเสียบปลั๊กที่ทนทานต่อเม็ดมีดหลายตัวตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ แนะนำให้ใช้พื้นผิวนิกเกิล/แพลเลเดียม/ทองสำหรับขั้วต่ออเนกประสงค์

The barrier layer

นิกเกิลที่ไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์มีหน้าที่ของชั้นกั้นสามชั้นบนจาน: 1) เพื่อป้องกันการแพร่กระจายของทองแดงเป็นทอง; 2) To prevent the diffusion of gold to nickel; 3) แหล่งที่มาของนิกเกิลที่เกิดจากสารประกอบระหว่างโลหะ Ni3Sn4

การแพร่กระจายของทองแดงเป็นนิกเกิล

การถ่ายโอนทองแดงผ่านนิกเกิลจะส่งผลให้เกิดการสลายตัวของทองแดงเป็นทองผิว 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. ดังนั้น อุณหภูมิที่ต้องการของชั้นกั้นจึงต่ำกว่า 250 องศาเซลเซียสไม่ถึงหนึ่งนาที

Turn และ Owen6 ได้ศึกษาผลกระทบของชั้นอุปสรรคต่างๆ ที่มีต่อทองแดงและทองคำ พวกเขาพบว่า “… การเปรียบเทียบค่าการซึมผ่านของทองแดงที่ 400 °C และ 550 °C แสดงให้เห็นว่าโครเมียมเฮกซะวาเลนท์และนิกเกิลที่มีปริมาณฟอสฟอรัส 8-10% เป็นชั้นกั้นที่มีประสิทธิภาพสูงสุดที่ศึกษา (ตารางที่ 3).

ตารางที่ 3. การซึมผ่านของทองแดงผ่านนิกเกิลเป็นทอง

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 ไม่แพร่ ไม่แพร่ ไม่แพร่ ไม่แพร่

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. สิ่งที่น่าสนใจก็คือ ในการทดลองนี้ นิกเกิลที่ไม่ผ่านการชุบด้วยไฟฟ้ามีประสิทธิภาพมากกว่านิกเกิลที่ชุบด้วยไฟฟ้าถึง 2 ถึง 10 เท่า เทิร์นและโอเว่นชี้ให้เห็นว่า “… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

จากการทดสอบอุณหภูมิสุดขั้วนี้ ความหนาของนิกเกิลอย่างน้อย 2µm เป็นข้อกำหนดที่ปลอดภัย

การแพร่กระจายของนิกเกิลเป็นทอง

ข้อกำหนดประการที่สองของนิกเกิลที่ไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์คือ นิกเกิลจะไม่ย้ายผ่าน “เม็ด” หรือ “รูละเอียด” ที่ชุบด้วยทองคำ If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

There are several articles on nickel and gold used as ceramic chip carriers. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. การทดสอบทั่วไปสำหรับพื้นผิวเหล่านี้คือ 500 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 15 นาที

เพื่อประเมินความสามารถของพื้นผิวชุบนิกเกิล/ทองที่เคลือบด้วยนิกเกิลที่ไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันของนิกเกิล ได้ทำการศึกษาความสามารถในการเชื่อมของพื้นผิวที่ผ่านการบ่มด้วยอุณหภูมิ Different heat/humidity and time conditions were tested. การศึกษาเหล่านี้แสดงให้เห็นว่านิกเกิลได้รับการปกป้องอย่างเพียงพอโดยการชะล้างทองคำ ทำให้สามารถเชื่อมได้ดีหลังจากอายุมากขึ้น

การแพร่กระจายของนิกเกิลกับทองคำอาจเป็นปัจจัยจำกัดสำหรับการประกอบในบางกรณี เช่น การยึดติดด้วยลวดความร้อนโซนิกสีทอง ในแอปพลิเคชันนี้ พื้นผิวนิกเกิล/ทองมีความล้ำหน้าน้อยกว่าพื้นผิวนิกเกิล/แพลเลเดียม/ทอง 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.

สารประกอบ intergeneric ของนิกเกิลดีบุก

ระหว่างการติดตั้งบนพื้นผิวหรือการบัดกรีด้วยคลื่น อะตอมจากพื้นผิว PCB จะถูกผสมกับอะตอมของบัดกรี ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการแพร่กระจายของโลหะและความสามารถในการสร้าง “สารประกอบระหว่างโลหะ” (ตารางที่ 4)

ตารางที่ 4. การแพร่กระจายของวัสดุ PCB ในการเชื่อม

อุณหภูมิโลหะ °C การแพร่ (µinches/ SEC.)

ทอง 450 486 117.9 167.5

ทองแดง 450 525 4.1 7.0

แพลเลเดียม 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

ในระบบนิกเกิล/ทอง และดีบุก/ตะกั่ว ทองคำจะละลายเป็นดีบุกหลวมทันที 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.การวัดของ Bader แสดงให้เห็นว่าต้องใช้นิกเกิลไม่เกิน 0.5µm เพื่อรักษาสิ่งกีดขวาง แม้จะผ่านรอบอุณหภูมิมากกว่าหกรอบ In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

เป็นรูพรุน

นิกเกิล/ทองที่ไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์เพิ่งกลายเป็นการเคลือบพื้นผิว PCB ขั้นสุดท้ายทั่วไป ดังนั้นขั้นตอนทางอุตสาหกรรมอาจไม่เหมาะกับพื้นผิวนี้ กระบวนการอบไอน้ำกรดไนตริกใช้สำหรับทดสอบความพรุนของนิกเกิล/ทองด้วยไฟฟ้าที่ใช้เป็นตัวเชื่อมต่อแบบเสียบปลั๊ก (IPC-TM-650 2.3.24.2)9 นิกเกิล/การทำให้ชุ่มที่ไม่ผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลต์จะไม่ผ่านการทดสอบนี้ มาตรฐานความพรุนของยุโรปได้รับการพัฒนาโดยใช้โพแทสเซียมเฟอริไซยาไนด์เพื่อกำหนดความพรุนสัมพัทธ์ของพื้นผิวเรียบ ซึ่งกำหนดเป็นรูพรุนต่อตารางมิลลิเมตร (แมลง / mm2) พื้นผิวเรียบที่ดีควรมีน้อยกว่า 10 รูต่อตารางมิลลิเมตรที่กำลังขยาย 100 เท่า

ข้อสรุป

อุตสาหกรรมการผลิต PCB สนใจที่จะลดปริมาณนิกเกิลที่สะสมบนบอร์ดด้วยเหตุผลด้านต้นทุน รอบเวลา และความเข้ากันได้ของวัสดุ ข้อมูลจำเพาะของนิกเกิลขั้นต่ำควรช่วยป้องกันการแพร่กระจายของทองแดงไปยังพื้นผิวทอง รักษาความแข็งแรงของรอยเชื่อมที่ดีและให้ความต้านทานการสัมผัสต่ำ ข้อมูลจำเพาะของนิกเกิลสูงสุดควรให้ความยืดหยุ่นในการผลิตเพลต เนื่องจากไม่มีโหมดความล้มเหลวร้ายแรงที่เกี่ยวข้องกับการสะสมของนิกเกิลหนา

สำหรับการออกแบบแผงวงจรส่วนใหญ่ในปัจจุบัน การเคลือบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าที่ 2.0µm (80µinches) เป็นความหนาของนิเกิลขั้นต่ำที่ต้องการ ในทางปฏิบัติ จะใช้ช่วงความหนาของนิเกิลกับล็อตการผลิตของ PCB (รูปที่ 2) การเปลี่ยนแปลงความหนาของนิเกิลจะเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของสารเคมีในอ่างและการเปลี่ยนแปลงเวลาพักเครื่องของเครื่องยกอัตโนมัติ เพื่อให้แน่ใจว่าขั้นต่ำ 2.0µm ข้อมูลจำเพาะจากผู้ใช้ปลายทางควรต้องใช้ 3.5µm ขั้นต่ำ 2.0µm และสูงสุด 8.0µm

ช่วงความหนาของนิเกิลที่ระบุนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเหมาะสำหรับการผลิตแผงวงจรหลายล้านแผ่น ผลิตภัณฑ์นี้ตรงตามข้อกำหนดด้านความสามารถในการเชื่อม อายุการเก็บรักษา และการสัมผัสของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน เนื่องจากข้อกำหนดในการประกอบจะแตกต่างกันไปในแต่ละผลิตภัณฑ์ ดังนั้นการเคลือบพื้นผิวจึงอาจจำเป็นต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานแต่ละประเภทโดยเฉพาะ