最終塗裝工藝 PCB 近年來，製造業發生了重大變化。 這些變化是不斷需要克服 HASL（熱空氣凝聚力）的局限性以及越來越多的 HASL 替代品的結果。

最終塗層用於保護電路銅箔表面。 銅（Cu）是焊接元件的良好表面，但容易氧化； 氧化銅會阻礙焊料的潤濕。 雖然現在用金（Au）來覆蓋銅，因為金不會氧化； 金和銅會迅速擴散並相互滲透。 任何暴露的銅都會迅速形成不可焊接的氧化銅。 一種方法是使用鎳 (Ni) “阻擋層”，以防止金和銅轉移並為組件組裝提供耐用的導電錶面。

PCB對非電解鎳鍍層的要求

非電解鎳鍍層應具有以下幾個功能：

金礦床的表面

電路的最終目的是在PCB與元器件之間形成物理強度高、電氣特性好的連接。 如果 PCB 表面有任何氧化物或污染物，使用今天的弱焊劑就不會出現這種焊接接頭。

金自然沉積在鎳上，在長期儲存期間不會氧化。 然而，金不會沉澱在氧化的鎳上，因此鎳必須在鎳浴和金溶解之間保持純淨。 因此，鎳的首要要求是保持無氧足夠長的時間以允許金沉澱。 組件開發了化學浸出浴，以允許鎳沉澱中的磷含量為 6% 至 10%。 非電解鎳鍍層中的磷含量被認為是鍍液控制、氧化物以及電氣和物理性能的仔細平衡。

硬度

非電解鍍鎳表面用於許多需要物理強度的應用，例如汽車傳動軸承。 PCB 要求遠沒有這些應用那麼嚴格，但一定的硬度對於引線鍵合、觸摸板觸點、邊緣連接器連接器和加工可持續性很重要。

引線鍵合需要鎳硬度。 如果鉛使沉澱物變形，則可能會發生摩擦損失，這有助於鉛“熔化”到基材中。 SEM 圖像顯示沒有滲透到平面鎳/金或鎳/鈀 (Pd)/金的表面。

電氣特性

銅是電路形成的首選金屬，因為它易於製造。 銅的導電性幾乎優於所有金屬（表 1）1,2。 黃金還具有良好的導電性，使其成為最外層金屬的完美選擇，因為電子傾向於在導電路徑的表面流動（“表面”益處）。

表 1. PCB 金屬的電阻率

銅 1.7 (包括Ω cm

金（包括 2.4 Ω cm

鎳（包括 7.4 Ω cm

非電解鎳鍍層 55~90 µ ω cm

雖然大多數生產板的電氣特性不受鎳層的影響，但鎳會影響高頻信號的電氣特性。 微波 PCB 信號損失可能超過設計人員的規格。 這種現象與鎳的厚度成正比——電路需要穿過鎳才能到達焊點。 在許多應用中，通過指定小於 2.5µm 的鎳沉積物，可以將電信號恢復到設計規範。

接觸電阻

接觸電阻與可焊性不同，因為鎳/金表面在最終產品的整個生命週期中保持未焊接狀態。 鎳/金在長期暴露於環境後必須保持與外部接觸的導電性。 Antler 1970 年的書以定量的方式表達了鎳/金表面接觸要求。 已經研究了各種最終使用環境：3“65°C，在室溫下運行的電子系統（例如計算機）的正常最高溫度； 125°C，通用連接器必須運行的溫度，通常指定用於軍事應用； 200°C，這個溫度對於飛行設備來說變得越來越重要。”

對於低溫，不需要鎳屏障。 隨著溫度升高，防止鎳/金轉移所需的鎳量增加（表二）。

表 2. 鎳/金的接觸電阻（1000 小時）

鎳阻擋層在 65°C 下接觸良好 125°C 下接觸良好 200°C 下接觸良好

0.0 微米 100% 40% 0%

0.5 微米 100% 90% 5%

2.0 微米 100% 100% 10%

4.0 微米 100% 100% 60%

Antler 研究中使用的鎳是電鍍的。 正如 Baudrand 4 所證實的那樣，預計非電解鎳會有所改善。 然而，這些結果適用於 0.5 µm 金，其中平面通常沉澱 0.2 µm。 可以推斷該平面足以用於在 125°C 下工作的接觸元件，但更高溫度的元件將需要專門的測試。

“在所有情況下，鎳越厚，阻隔性越好，”Antler 建議道，“但 PCB 製造的現實鼓勵工程師僅根據需要沉積盡可能多的鎳。 扁平鎳/金現在用於使用觸摸板接觸點的手機和尋呼機。 此類元素的規格至少為 2 µm 鎳。

連接器

非電解鎳/金浸漬用於製造具有彈簧配合、壓配合、低壓滑動和其他非焊接連接器的電路板。

插入式連接器需要更長的物理耐用性。 在這些情況下，非電解鎳塗層對於 PCB 應用來說足夠堅固，但浸金則不然。 在反复摩擦過程中，非常薄的純金（60 至 90 努普）會從鎳上磨掉。 當去除金時，暴露的鎳會迅速氧化，導致接觸電阻增加。

對於在產品的整個生命週期中承受多次插入的插入式連接器，非電解鎳塗層/浸金可能不是最佳選擇。 多用途連接器推薦使用鎳/鈀/金表面。

阻隔層

非電解鎳在板上具有三層阻隔層的作用：1）防止銅向金擴散； 2）防止金向鎳擴散； 3）Ni3Sn4金屬間化合物形成的鎳源。

銅向鎳的擴散

銅通過鎳轉移會導致銅分解為表面金。 銅會很快氧化，導致組裝時焊接性差，在漏鎳的情況下就會出現這種情況。 當板的其他區域已焊接時，需要鎳來防止空板在儲存期間和組裝期間的遷移和擴散。 因此，阻擋層的溫度要求在250℃以下不到一分鐘。

Turn 和 Owen6 研究了不同阻擋層對銅和金的影響。 他們發現“…… 400°C 和 550°C 下銅滲透率值的比較表明，磷含量為 8-10% 的六價鉻和鎳是所研究的最有效的阻擋層“。 （表3）。

表 3. 銅通過鎳滲透到金

鎳厚度 400°C 24 小時 400°C 53 小時 550°C 12 小時

0.25 µm 1 µm 12 µm 18 µm

0.50 µm 1 µm 6 µm 15 µm

1.00 微米 1 微米 1 微米 8 微米

2.00 µm 非擴散非擴散非擴散

根據阿倫尼烏斯方程，較低溫度下的擴散呈指數級減慢。 有趣的是，在這個實驗中，非電解鎳的效率是電鍍鎳的 2 到 10 倍。 Turn 和 Owen 指出“…… 這種合金的 (8%) 2µm(80µinch) 阻擋層將銅擴散降低到可以忽略不計的水平。”

從這個極端溫度測試來看，至少 2µm 的鎳厚度是安全的規格。

鎳向金的擴散

非電解鎳的第二個要求是鎳不會通過浸有金的“顆粒”或“細孔”遷移。 如果鎳與空氣接觸，它會氧化。 氧化鎳不可銷售且難以用助焊劑去除。

有幾篇關於用作陶瓷芯片載體的鎳和金的文章。 這些材料可以長時間承受組裝的極端溫度。 這些表面的常見測試是 500°C 下 15 分鐘。

為了評估平坦的非電解鎳/金浸漬表面防止鎳氧化的能力，研究了溫度老化表面的可焊性。 測試了不同的熱/濕度和時間條件。 這些研究表明，鎳通過浸出金得到了充分的保護，在長時間老化後仍具有良好的可焊性。

在某些情況下，鎳向金的擴散可能是組裝的限制因素，例如金熱超聲引線鍵合。 在此應用中，鎳/金表面不如鎳/鈀/金表面先進。 Iacovangelo 研究了鈀作為鎳和金之間的阻擋層的擴散特性，發現 0.5 微米的鈀即使在極端溫度下也能防止遷移。 該研究還表明，在 2.5°C 下 15 分鐘內，銅沒有通過俄歇光譜法確定的 500µm 鎳/鈀擴散。

鎳錫屬間化合物

在表面貼裝或波峰焊操作期間，PCB 表面的原子將與焊料原子混合，這取決於金屬的擴散特性和形成“金屬間化合物”的能力（表 4）。

表 4 PCB 材料在焊接中的擴散係數

金屬溫度 °C 擴散率（微英寸/秒）

黃金 450 486 117.9 167.5

銅 450 525 4.1 7.0

鈀 450 525 1.4 6.2

鎳 700 1.7

在鎳/金和錫/鉛系統中，金會立即溶解成鬆散的錫。 焊料通過形成 Ni3Sn4 金屬間化合物與下面的鎳形成牢固的附著。 應沉積足夠的鎳以確保焊料不會到達銅下方。Bader 的測量表明，即使經過六個以上的溫度循環，也不需要超過 0.5μm 的鎳來維持屏障。 事實上，觀察到的最大金屬間化合物層厚度小於 0.5µm（20µinch）。

多孔

非電解鎳/金最近才成為常見的最終 PCB 表面塗層，因此工業程序可能不適合這種表面。 硝酸蒸汽工藝可用於測試用作插入式連接器的電解鎳/金的孔隙率 (IPC-TM-650 2.3.24.2)9。 非電解鎳/浸漬無法通過此測試。 已開發出使用鐵氰化鉀的歐洲孔隙率標準來確定平面的相對孔隙率，以每平方毫米的孔隙數 (bugs /mm2) 表示。 在 10 倍放大倍數下，良好的平面應每平方毫米少於 100 個孔。

結論

出於成本、週期時間和材料兼容性的原因，PCB 製造行業對減少沉積在板上的鎳量很感興趣。 最低鎳規格應有助於防止銅擴散到金表面，保持良好的焊接強度，並保持低接觸電阻。 最大鎳規格應允許板材製造的靈活性，因為沒有嚴重的故障模式與厚鎳沉積物相關。

對於當今的大多數電路板設計，2.0μm（80μ 英寸）的非電解鎳塗層是所需的最小鎳厚度。 實際上，PCB 的生產批次將使用一系列鎳厚度（圖 2）。 鎳厚度的變化是由於鍍液化學性質的變化和自動提昇機停留時間的變化而引起的。 為確保最小為 2.0µm，最終用戶的規格應要求為 3.5µm，最小為 2.0µm，最大為 8.0µm。

這一規定的鎳厚度範圍已被證明適用於生產數百萬塊電路板。 該系列滿足當今電子產品的可焊性、保質期和接觸要求。 由於裝配要求因產品而異，因此可能需要針對每種特定應用優化表面塗層。