Остаточний процес нанесення покриття для Друкована плата За останні роки виробництво зазнало значних змін. Ці зміни є результатом постійної потреби подолати обмеження HASL (згуртованість гарячого повітря) та зростаючої кількості альтернатив HASL.

Остаточне покриття використовується для захисту поверхні контуру мідної фольги. Мідь (Cu) є хорошою поверхнею для зварювання компонентів, але легко окислюється; Оксид міді перешкоджає зволоженню припою. Хоча золото (Au) зараз використовується для покриття міді, оскільки золото не окислюється; Золото і мідь швидко розсіюються і проникають один в одного. Будь-яка відкрита мідь швидко утворює незварюваний оксид міді. Одним із підходів є використання “бар’єрного шару” з нікелю (Ni), який запобігає перенесенню золота та міді та забезпечує міцну, провідну поверхню для складання компонентів.

Вимоги до друкованої плати для неелектролітичного покриття з нікелю

Неелектролітичне покриття з нікелю повинно виконувати кілька функцій:

Поверхня родовища золота

Кінцева мета ланцюга – створити зв’язок між друкованою платою та компонентами з високою фізичною міцністю та хорошими електричними характеристиками. Якщо на поверхні друкованої плати є оксид або забруднення, це зварне з’єднання не відбудеться при сьогоднішньому слабкому потоці.

Золото відкладається природно поверх нікелю і не окислюється при тривалому зберіганні. Однак золото не осідає на окисленому нікелі, тому нікель повинен залишатися чистим між нікелевою ванною та розчиненням золота. Таким чином, перша вимога нікелю-залишатися безкисневим досить довго, щоб золото могло випадати в осад. Компоненти розробили ванни з хімічним вилуговуванням, щоб дозволити 6-10% вмісту фосфору в осаді нікелю. Цей вміст фосфору в неелектролітичному покритті з нікелю розглядається як ретельний баланс контролю ванни, оксиду та електричних та фізичних властивостей.

твердість

Неелектролітичні поверхні з нікелевим покриттям використовуються у багатьох сферах застосування, що вимагають фізичної міцності, наприклад, в підшипниках трансмісії для автомобілів. Вимоги до друкованої плати є набагато менш жорсткими, ніж вимоги до цих застосувань, але певна твердість важлива для з’єднання проводів, контактів тачпада, з’єднувачів крайових з’єднань та стійкості обробки.

Для свинцевого склеювання потрібна твердість нікелю. Втрата тертя може статися, якщо свинець деформує осад, що допомагає свинцю «розплавитися» в основу. Зображення SEM не показали проникнення на поверхню плоского нікелю/золота або нікелю/паладію (Pd)/золота.

Електричні характеристики

Мідь є металом вибору для формування ланцюгів, тому що її легко виготовити. Мідь проводить електрику краще, ніж майже кожен метал (таблиця 1) 1,2. Золото також має хорошу електропровідність, що робить його ідеальним вибором для зовнішнього металу, оскільки електрони, як правило, протікають по поверхні провідного шляху (користь від «поверхні»).

Таблиця 1. Опір металу друкованої плати

Мідь 1.7 (включаючи Ω см

Золото (включаючи 2.4 Ом см

Нікель (включаючи 7.4 Ом см

Неелектролітичне покриття з нікелю 55 ~ 90 µ ω см

Хоча шар нікелю не впливає на електричні характеристики більшості виробничих плит, нікель може впливати на електричні характеристики високочастотних сигналів. Втрата сигналу друкованої плати в мікрохвильовій печі може перевищувати специфікації дизайнера. Це явище пропорційне товщині нікелю – ланцюг повинен пройти через нікель, щоб досягти місця припою. У багатьох додатках електричні сигнали можуть бути відновлені до проектної специфікації шляхом визначення вмісту нікелю менше 2.5 мкм.

Контактна стійкість

Контактний опір відрізняється від зварювального, оскільки поверхня нікель/золото залишається незвареною протягом усього терміну служби кінцевого продукту. Нікель/золото має залишатися провідним до зовнішнього контакту після тривалого впливу навколишнього середовища. У книзі Антлера 1970 р. Кількісно виражені вимоги до контакту поверхні нікель/золото. Були вивчені різні середовища кінцевого використання: 3 “65 ° C, нормальна максимальна температура для електронних систем, що працюють при кімнатній температурі, таких як комп’ютери; 125 ° C, температура, при якій повинні працювати універсальні роз’єми, часто вказана для військового застосування; 200 ° C, ця температура стає все більш важливою для літаючого обладнання ».

Для низьких температур нікелеві бар’єри не потрібні. Зі збільшенням температури кількість нікелю, необхідного для запобігання передачі нікелю/золота, збільшується (Таблиця II).

Таблиця 2. Контактний опір нікелю/золота (1000 годин)

Нікелевий бар’єрний шар задовільний контакт при 65 ° C задовільний контакт при 125 ° C задовільний контакт при 200 ° C

0.0 мкм 100% 40% 0%

0.5 мкм 100% 90% 5%

2.0 мкм 100% 100% 10%

4.0 мкм 100% 100% 60%

Нікель, використаний у дослідженні Антлера, був гальванічним. Очікується поліпшення стану неелектролітичного нікелю, як підтвердив Бодран 4. Однак ці результати стосуються золота 0.5 мкм, де площина зазвичай випадає в осад 0.2 мкм. Можна вважати, що площини достатньо для контактних елементів, що працюють при 125 ° C, але елементи з більш високою температурою потребують спеціалізованих випробувань.

«Чим товщі нікель, тим краще бар’єр у всіх випадках, – припускає Антлер, – але реалії виробництва друкованої плати заохочують інженерів депонувати лише стільки нікелю, скільки необхідно. Плоский нікель/золото зараз використовується в стільникових телефонах і пейджерах, які використовують контактні точки сенсорної панелі. Специфікація для цього типу елементів – щонайменше 2 мкм нікелю.

Роз’єм

Неелектролітичне занурення з нікелю/золота використовується у виробництві друкованих плат з пружинним притиском, прес-фітингом, розсувними роз’ємами низького тиску та іншими незвареними роз’ємами.

Роз’ємні роз’єми вимагають більшої фізичної міцності. У цих випадках неелектролітичні покриття з нікелю досить міцні для застосування на друкованих платах, але занурення в золото-ні. Дуже тонке чисте золото (від 60 до 90 ноупів) буде відтиратися від нікелю під час повторного тертя. Після видалення золота відкритий нікель швидко окислюється, що призводить до збільшення контактного опору.

Неелектролітичне покриття з нікелю/занурення в золото може бути не найкращим вибором для вставних роз’ємів, які витримують кілька вставок протягом усього терміну служби виробу. Поверхні з нікелю/паладію/золота рекомендуються для багатофункціональних роз’ємів.

Бар’єрний шар

Неелектролітичний нікель має функцію трьох бар’єрних шарів на пластині: 1) для запобігання дифузії міді до золота; 2) для запобігання дифузії золота до нікелю; 3) Джерело нікелю, утвореного інтерметалевими сполуками Ni3Sn4.

Дифузія міді в нікель

Перенесення міді через нікель призведе до розкладання міді на поверхневе золото. Мідь швидко окислюється, що призводить до поганої зварюваності під час складання, що відбувається у разі витоку нікелю. Нікель необхідний для запобігання міграції та дифузії порожніх пластин під час зберігання та під час складання, коли інші ділянки пластини були зварені. Тому вимога до температури бар’єрного шару становить менше однієї хвилини нижче 250 ° C.

Терн і Оуен6 вивчали вплив різних бар’єрних шарів на мідь та золото. Вони виявили, що «… Порівняння показників проникності міді при 400 ° C та 550 ° C показує, що шестивалентний хром та нікель із вмістом 8-10% фосфору є найбільш ефективними досліджуваними бар’єрними шарами ». (таблиця 3).

Таблиця 3. Проникнення міді через нікель до золота

Товщина нікелю 400 ° C 24 години 400 ° C 53 години 550 ° C 12 годин

0.25 мкм 1 мкм 12 мкм 18 мкм

0.50 мкм 1 мкм 6 мкм 15 мкм

1.00 мкм 1 мкм 1 мкм 8 мкм

2.00 мкм Недифузійний недифузійний недифузійний

Відповідно до рівняння Арреніуса, дифузія при більш низьких температурах експоненціально повільніше. Цікаво, що в цьому експерименті неелектролітичний нікель був у 2-10 разів ефективнішим, ніж гальванічний нікель. Терн і Оуен зазначають, що «… Бар’єр із цього сплаву (8%) 2 мкм (80 мкдюйм) зменшує дифузію міді до незначного рівня ».

З цього випробовування на екстремальну температуру безпечною специфікацією є товщина нікелю щонайменше 2 мкм.

Поширення нікелю до золота

Друга вимога до неелектролітичного нікелю полягає в тому, щоб нікель не мігрував через «зерна» або «дрібні отвори», просочені золотом. Якщо нікель зіткнеться з повітрям, він окислюється. Оксид нікелю не продається і важко видаляється флюсом.

Існує кілька статей про нікель та золото, які використовуються як керамічні носії стружки. Ці матеріали довго витримують екстремальні температури складання. Загальний тест для цих поверхонь – 500 ° C протягом 15 хвилин.

Для того, щоб оцінити здатність плоских неелектролітичних поверхонь, просочених нікелем/золотом, запобігати окисленню нікелю, вивчалася зварюваність поверхонь, витриманих при температурі. Були випробувані різні тепло/вологість та часові умови. Ці дослідження показали, що нікель належним чином захищений вилуговуванням золота, що забезпечує хорошу зварюваність після тривалого старіння.

Поширення нікелю до золота може бути обмежуючим фактором для складання в деяких випадках, таких як скріплення дроту золотим термозвуком. У цьому застосуванні поверхня нікель/золото менш просунута, ніж поверхня нікель/паладій/золото. Яковангело досліджував дифузійні властивості паладію як бар’єрного шару між нікелем та золотом і виявив, що 0.5 мкм паладій запобігає міграції навіть при екстремальних температурах. Це дослідження також продемонструвало відсутність дифузії міді через 2.5 мкм нікель/паладій, визначену методом Оже -спектроскопії, протягом 15 хвилин при 500 ° C.

Міжродова сполука нікелевого олова

Під час поверхневого монтажу або пайки хвилею атоми з поверхні друкованої плати будуть змішуватися з атомами припою, залежно від дифузійних властивостей металу та здатності утворювати «інтерметалічні сполуки» (табл. 4).

Таблиця 4. Дифузність друкованих плат при зварюванні

Температура металу ° C дифузність (мкдюйм/ сек.)

Золото 450 486 117.9 167.5

Мідь 450 525 4.1

Паладій 450 525 1.4

Нікель 700 1.7

У системах нікель/золото та олово/свинець золото негайно розчиняється у сипуче олово. Припій утворює міцне прикріплення до нікелю, що лежить в його основі, утворюючи інтерметалеві сполуки Ni3Sn4. Слід осадити достатньо нікелю, щоб припій не потрапив під мідь.Вимірювання Бадера показали, що для утримання бар’єру потрібно навіть не більше 0.5 мкм нікелю навіть через більш ніж шість температурних циклів. Фактично, максимальна товщина інтерметалевого шару, що спостерігається, становить менше 0.5 мкм (20 мкм).

пористі

Неелектролітичний нікель/золото лише нещодавно став поширеним остаточним покриттям для друкованої плати, тому промислові процедури можуть бути непридатними для цієї поверхні. Для перевірки пористості електролітичного нікелю/золота, що використовується як вставний з’єднувач (IPC-TM-650 2.3.24.2), доступний процес парової азотної кислоти (IPC-TM-9 XNUMX) XNUMX. Неелектролітичний нікель/просочення не пройде цей тест. Європейський стандарт пористості був розроблений з використанням фериціаніду калію для визначення відносної пористості плоских поверхонь, яка наводиться у виразі пор на квадратний міліметр (помилки /мм2). Хороша рівна поверхня повинна мати менше 10 отворів на квадратний міліметр при 100 -кратному збільшенні.

висновок

Виробництво друкованої плати зацікавлене у зменшенні кількості нікелю, осадженого на дошці, з міркувань вартості, часу циклу та сумісності матеріалів. Мінімальні специфікації нікелю повинні допомогти запобігти дифузії міді на поверхню золота, підтримувати хорошу міцність зварного шва та підтримувати низький контактний опір. Максимальна специфікація нікелю повинна забезпечувати гнучкість у виробництві плит, оскільки жодні серйозні способи виходу з ладу не пов’язані з товстими відкладеннями нікелю.

Для більшості сучасних конструкцій друкованих плат неелектролітичне покриття з нікелю 2.0 мкм (80 мкм) є мінімальною необхідною товщиною нікелю. На практиці на виробничій партії друкованої плати використовується низка товщини нікелю (Малюнок 2). Зміна товщини нікелю буде результатом зміни властивостей хімічних речовин для ванн та зміни часу перебування автоматичної підйомної машини. Щоб забезпечити мінімум 2.0 мкм, специфікації кінцевих користувачів повинні вимагати 3.5 мкм, мінімум 2.0 мкм і максимум 8.0 мкм.

Цей діапазон товщини нікелю виявився придатним для виробництва мільйонів плат. Асортимент відповідає вимогам зварюваності, терміну придатності та контактним вимогам сучасної електроніки. Оскільки вимоги до збірки відрізняються від продукту до іншого, покриття поверхонь, можливо, доведеться оптимізувати для кожного конкретного застосування.