için son kaplama işlemi PCB üretim son yıllarda önemli değişiklikler geçirdi. 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.

Son kaplama, devre bakır folyo yüzeyini korumak için kullanılır. Bakır (Cu), bileşenlerin kaynaklanması için iyi bir yüzeydir ancak kolayca oksitlenir; Bakır oksit lehimin ıslanmasını engeller. Altın (Au) artık bakırı kaplamak için kullanılsa da, altın oksitlenmediği için; Altın ve bakır hızla yayılır ve birbirine nüfuz eder. Açıkta kalan herhangi bir bakır, hızla kaynaklanamayan bir bakır oksit oluşturacaktır. Bir yaklaşım, altın ve bakırın transferini önleyen ve bileşen montajı için dayanıklı, iletken bir yüzey sağlayan bir nikel (Ni) “bariyer tabakası” kullanmaktır.

Elektrolitik olmayan nikel kaplama için PCB gereksinimleri

Elektrolitik olmayan nikel kaplama birkaç işlevi yerine getirmelidir:

Bir altın yatağının yüzeyi

Devrenin nihai amacı, PCB ve bileşenler arasında yüksek fiziksel mukavemete ve iyi elektriksel özelliklere sahip bir bağlantı oluşturmaktır. PCB yüzeyinde herhangi bir oksit veya kirlilik varsa günümüzün zayıf akısı ile bu kaynaklı bağlantı oluşmayacaktır.

Altın doğal olarak nikelin üzerinde birikir ve uzun depolama sırasında oksitlenmez. Bununla birlikte, altın oksitlenmiş nikel üzerine yerleşmez, bu nedenle nikel, nikel banyosu ile altının çözünmesi arasında saf kalmalıdır. 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.

sertlik

Elektrolitik olmayan nikel kaplı yüzeyler, otomotiv şanzıman yatakları gibi fiziksel dayanıklılık gerektiren birçok uygulamada kullanılmaktadır. PCB gereksinimleri, bu uygulamalar için olanlardan çok daha az katıdır, ancak tel bağlama, dokunmatik yüzey kontakları, kenar bağlayıcı konektörler ve işleme sürdürülebilirliği için belirli bir sertlik önemlidir.

Kurşun yapıştırma, bir nikel sertliği gerektirir. Kurşun çökeltiyi deforme ederse sürtünme kaybı meydana gelebilir ve bu da kurşunun alt tabakada “erimesine” yardımcı olur. SEM görüntüleri, yassı nikel/altın veya nikel/paladyum (Pd)/altın yüzeyine nüfuz etmediğini gösterdi.

Elektriksel özellikler

Bakır, yapılması kolay olduğu için devre oluşumu için tercih edilen metaldir. Bakır elektriği hemen hemen her metalden daha iyi iletir (tablo 1)1,2. Altın ayrıca iyi bir elektrik iletkenliğine sahiptir, bu da onu en dıştaki metal için mükemmel bir seçim yapar çünkü elektronlar iletken bir yolun yüzeyinde akma eğilimi gösterir (“yüzey” faydası).

Table 1. Resistivity of PCB metal

Bakır 1.7 (Ω cm dahil

Gold (including 2.4 Ω cm

Nikel (7.4 Ω cm dahil

Elektrolitik olmayan nikel kaplama 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. Birçok uygulamada, elektrik sinyalleri 2.5 µm’den daha az nikel tortuları belirlenerek tasarım spesifikasyonuna geri döndürülebilir.

Kontak direnci

Nikel/altın yüzey, son ürünün ömrü boyunca kaynaksız kaldığından, temas direnci kaynaklanabilirlikten farklıdır. Nikel/altın, uzun süreli çevresel maruziyetten sonra dış temasa karşı iletken kalmalıdır. Antler’s 1970 book expressed nickel/gold surface contact requirements in quantitative terms. Çeşitli son kullanım ortamları incelenmiştir: 3 “65°C, bilgisayar gibi oda sıcaklığında çalışan elektronik sistemler için normal bir maksimum sıcaklık; 125 °C, genellikle askeri uygulamalar için belirtilen, evrensel konektörlerin çalışması gereken sıcaklık; 200°C, bu sıcaklık uçan ekipman için giderek daha önemli hale geliyor.”

Düşük sıcaklıklar için nikel bariyerler gerekli değildir. Sıcaklık arttıkça nikel/altın transferini önlemek için gereken nikel miktarı artar (Tablo II).

Tablo 2. Nikel/altın temas direnci (1000 saat)

Nikel bariyer tabakası 65°C’de yeterli temas 125°C’de yeterli temas 200°C’de tatmin edici temas

0.0 µm %100 %40 %0

0.5 µm %100 %90 %5

2.0 µm %100 %100 %10

4.0 µm %100 %100 %60

Antler’ın çalışmasında kullanılan nikel, elektrolizle kaplandı. Baudrand 4 tarafından onaylandığı gibi, elektrolitik olmayan nikelden iyileştirmeler beklenmektedir. Ancak bu sonuçlar, düzlemin genellikle 0.5 µm çökeldiği 0.2 µm altın içindir. The plane can be inferred to be sufficient for contact elements operating at 125°C, but higher temperature elements will require specialized testing.

Antler, “Nikel ne kadar kalın olursa, bariyer her durumda o kadar iyi olur,” diyor Antler, “ancak PCB üretiminin gerçekleri mühendisleri yalnızca gerektiği kadar nikel biriktirmeye teşvik ediyor. Düz nikel/altın artık cep telefonlarında ve dokunmatik yüzey temas noktaları kullanan çağrı cihazlarında kullanılmaktadır. Bu tip elementin spesifikasyonu en az 2 µm nikeldir.

bağlayıcı

Elektrolitik olmayan nikel/altın daldırma, yaylı, presli, düşük basınçlı sürgülü ve diğer kaynaksız konektörlere sahip devre kartlarının imalatında kullanılır.

Geçmeli konektörler daha uzun fiziksel dayanıklılık gerektirir. Bu durumlarda, elektrolitik olmayan nikel kaplamalar PCB uygulamaları için yeterince güçlüdür, ancak altın daldırma değildir. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Altın çıkarıldığında, açığa çıkan nikel hızla oksitlenir ve bu da temas direncinde bir artışa neden olur.

Elektrolitik olmayan nikel kaplama/altın daldırma, ürünün ömrü boyunca birden fazla eke dayanan geçmeli konektörler için en iyi seçim olmayabilir. Çok amaçlı konektörler için nikel/paladyum/altın yüzeyler önerilir.

The barrier layer

Elektrolitik olmayan nikel, plaka üzerinde üç bariyer katmanı işlevi görür: 1) bakırın altına difüzyonunu önlemek; 2) To prevent the diffusion of gold to nickel; 3) Ni3Sn4 intermetalik bileşiklerin oluşturduğu nikel kaynağı.

Bakırın nikele difüzyonu

Bakırın nikel yoluyla transferi, bakırın yüzey altınına ayrışmasıyla sonuçlanacaktır. 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. Bu nedenle bariyer tabakasının sıcaklık gereksinimi 250°C’nin altında bir dakikadan azdır.

Turn ve Owen6 farklı bariyer katmanlarının bakır ve altın üzerindeki etkisini inceledi. Şunu buldular: “… 400°C ve 550°C’de bakır geçirgenlik değerlerinin karşılaştırılması, %8-10 fosfor içeriğine sahip altı değerli krom ve nikelin çalışılan en etkili bariyer tabakaları olduğunu göstermektedir. (Tablo 3).

Tablo 3. Bakırın nikelden altına penetrasyonu

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 µM 8 µm

2.00 µm Difüzyonsuz Difüzyonsuz Difüzyonsuz

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. İlginç bir şekilde, bu deneyde, elektrolitik olmayan nikel, elektrolizle kaplanmış nikelden 2 ila 10 kat daha verimliydi. Turn ve Owen, “… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Bu aşırı sıcaklık testinden, en az 2 µm’lik bir nikel kalınlığı güvenli bir özelliktir.

Nikelin altına difüzyonu

Elektrolitik olmayan nikelin ikinci şartı, nikelin altınla emprenye edilmiş “taneler” veya “ince delikler” içinden geçmemesidir. 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. Bu yüzeyler için ortak bir test, 500 dakika boyunca 15°C’dir.

Düz elektrolitik olmayan nikel/altın emdirilmiş yüzeylerin nikel oksidasyonunu önleme kabiliyetini değerlendirmek için sıcaklıkla yaşlandırılmış yüzeylerin kaynaklanabilirliği incelenmiştir. Different heat/humidity and time conditions were tested. Bu çalışmalar, nikelin altının süzülerek yeterince korunduğunu ve uzun yaşlanmadan sonra iyi kaynaklanabilirlik sağladığını göstermiştir.

Nikelin altına difüzyonu, altın termalsonik tel bağlama gibi bazı durumlarda montaj için sınırlayıcı bir faktör olabilir. Bu uygulamada, nikel/altın yüzeyi, nikel/paladyum/altın yüzeyinden daha az gelişmiştir. 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.

Nikel kalay interjenerik bileşik

Yüzey montajı veya dalga lehimleme işlemi sırasında, metalin difüzyon özelliklerine ve “metaller arası bileşikler” oluşturma kabiliyetine bağlı olarak PCB yüzeyinden gelen atomlar lehim atomları ile karıştırılacaktır (Tablo 4).

Tablo 4. PCB malzemelerinin kaynakta yayılma gücü

Metal sıcaklığı °C yayılım (µinç/ SEC.)

Altın 450 486 117.9 167.5

Bakır 450 525 4.1 7.0

Paladyum 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

Nikel/altın ve kalay/kurşun sistemlerinde altın hemen çözülerek kalay haline gelir. 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.Bader’in ölçümleri, altıdan fazla sıcaklık döngüsü boyunca bile bariyeri korumak için 0.5 µm’den fazla nikel gerekmediğini gösterdi. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

gözenekli

Elektrolitik olmayan nikel/altın ancak son zamanlarda yaygın bir son PCB yüzey kaplaması haline geldi, bu nedenle endüstriyel prosedürler bu yüzey için uygun olmayabilir. Geçmeli konektör olarak kullanılan elektrolitik nikel/altın gözenekliliğini test etmek için bir nitrik asit buhar işlemi mevcuttur (IPC-TM-650 2.3.24.2)9. Elektrolitik olmayan nikel/emprenye bu testi geçemez. Düz yüzeylerin göreli gözenekliliğini belirlemek için potasyum ferrisiyanür kullanılarak bir Avrupa gözeneklilik standardı geliştirilmiştir; bu, milimetre kare başına gözenek (bugs /mm2) cinsinden verilmiştir. İyi bir düz yüzey, 10 x büyütmede milimetre kare başına 100’dan az deliğe sahip olmalıdır.

sonuç

PCB imalat endüstrisi, maliyet, çevrim süresi ve malzeme uyumluluğu nedenleriyle kartta biriken nikel miktarını azaltmakla ilgilenmektedir. Minimum nikel spesifikasyonu, bakırın altın yüzeye yayılmasını önlemeye, iyi kaynak mukavemetini korumaya ve temas direncini düşük tutmaya yardımcı olmalıdır. Maksimum nikel spesifikasyonu, kalın nikel tortuları ile ilişkili ciddi arıza modları olmadığından, levha üretiminde esnekliğe izin vermelidir.

Günümüzün devre kartı tasarımlarının çoğu için, gereken minimum nikel kalınlığı 2.0 µm (80 µinç) elektrolitik olmayan nikel kaplamadır. Pratikte, PCB’nin bir üretim partisinde bir dizi nikel kalınlığı kullanılacaktır (Şekil 2). Nikel kalınlığındaki değişim, banyo kimyasallarının özelliklerinin değişmesinden ve otomatik kaldırma makinesinin bekleme süresinin değişmesinden kaynaklanacaktır. Minimum 2.0µm sağlamak için, son kullanıcıların spesifikasyonları 3.5µm, minimum 2.0µm ve maksimum 8.0µm gerektirmelidir.

Bu belirtilen nikel kalınlığı aralığı, milyonlarca devre kartının üretimi için uygun olduğunu kanıtlamıştır. Seri, günümüz elektroniğinin kaynaklanabilirlik, raf ömrü ve temas gereksinimlerini karşılar. Montaj gereksinimleri bir üründen diğerine farklılık gösterdiğinden, her bir özel uygulama için yüzey kaplamalarının optimize edilmesi gerekebilir.