Quá trình sơn phủ cuối cùng cho PCB sản xuất đã có những thay đổi đáng kể trong những năm gần đây. 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.

Lớp phủ cuối cùng được sử dụng để bảo vệ bề mặt của lá đồng mạch. Đồng (Cu) là bề mặt tốt để hàn các linh kiện, nhưng dễ bị oxy hóa; Ôxít đồng cản trở sự thấm ướt của vật hàn. Mặc dù hiện nay người ta dùng vàng (Au) để tráng đồng, vì vàng không bị oxi hóa; Vàng và đồng sẽ nhanh chóng khuếch tán và thấm vào nhau. Bất kỳ đồng nào tiếp xúc sẽ nhanh chóng tạo thành một oxit đồng không hàn được. Một cách tiếp cận là sử dụng “lớp rào cản” niken (Ni) ngăn vàng và đồng chuyển giao và cung cấp một bề mặt bền, dẫn điện cho việc lắp ráp linh kiện.

Yêu cầu về PCB đối với lớp phủ niken không điện phân

Lớp phủ niken không điện phân nên thực hiện một số chức năng:

Bề mặt của một khoản tiền gửi vàng

Mục đích cuối cùng của mạch là hình thành kết nối có độ bền vật lý cao và đặc tính điện tốt giữa PCB và các linh kiện. Nếu có bất kỳ ôxít hoặc ô nhiễm nào trên bề mặt PCB, mối hàn này sẽ không xảy ra với thông lượng yếu hiện nay.

Vàng lắng đọng một cách tự nhiên trên lớp niken và không bị oxy hóa trong quá trình lưu trữ lâu dài. Tuy nhiên, vàng không lắng đọng trên niken bị oxy hóa, vì vậy niken phải vẫn nguyên chất giữa bể niken và sự hòa tan của vàng. 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. Hàm lượng phốt pho trong lớp phủ niken không điện phân này được coi là sự cân bằng cẩn thận của việc kiểm soát độ ẩm, oxit, và các tính chất điện và vật lý.

độ cứng

Bề mặt phủ niken không điện phân được sử dụng trong nhiều ứng dụng đòi hỏi độ bền vật lý, chẳng hạn như ổ trục truyền động ô tô. Các yêu cầu về PCB ít nghiêm ngặt hơn nhiều so với các yêu cầu đối với các ứng dụng này, nhưng độ cứng nhất định rất quan trọng đối với liên kết dây, các điểm tiếp xúc trên bàn di chuột, đầu nối kết nối cạnh và tính bền vững trong quá trình xử lý.

Liên kết chì yêu cầu độ cứng niken. Mất ma sát có thể xảy ra nếu chì làm biến dạng kết tủa, giúp chì “tan chảy” vào chất nền. Hình ảnh SEM cho thấy không có sự thâm nhập vào bề mặt của niken / vàng phẳng hoặc niken / paladi (Pd) / vàng.

Đặc điểm điện từ

Đồng là kim loại được lựa chọn để tạo mạch vì nó dễ chế tạo. Đồng dẫn điện tốt hơn hầu hết mọi kim loại (bảng 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

Đồng 1.7 (bao gồm Ω cm

Gold (including 2.4 Ω cm

Nickel (including 7.4 Ω cm

Lớp phủ niken không điện phân 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. Mất tín hiệu PCB vi sóng có thể vượt quá thông số kỹ thuật của nhà thiết kế. This phenomenon is proportional to the thickness of the nickel – the circuit needs to pass through the nickel to reach the solder spot. Trong nhiều ứng dụng, tín hiệu điện có thể được khôi phục về đặc điểm kỹ thuật thiết kế bằng cách chỉ định cặn niken nhỏ hơn 2.5µm.

Tiếp xúc kháng

Khả năng chống tiếp xúc khác với khả năng hàn vì bề mặt niken / vàng vẫn không được hàn trong suốt thời gian sử dụng của sản phẩm cuối cùng. Niken / vàng phải vẫn dẫn điện đối với tiếp xúc bên ngoài sau khi tiếp xúc với môi trường lâu dài. 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, nhiệt độ mà tại đó các đầu nối đa năng phải hoạt động, thường được chỉ định cho các ứng dụng quân sự; 200 ° C, nhiệt độ đó ngày càng trở nên quan trọng hơn đối với thiết bị bay ”.

Đối với nhiệt độ thấp, không cần có rào chắn niken. Khi nhiệt độ tăng, lượng niken cần thiết để ngăn chuyển niken / vàng tăng lên (Bảng II).

Bảng 2. Độ bền tiếp xúc của niken / vàng (1000 giờ)

Lớp màng chắn niken tiếp xúc đạt yêu cầu ở 65 ° C tiếp xúc đạt yêu cầu ở 125 ° C tiếp xúc đạt yêu cầu ở 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%

Niken được sử dụng trong nghiên cứu của Antler đã được mạ điện. Những cải tiến được mong đợi từ niken không điện phân, như được xác nhận bởi Baudrand 4. Tuy nhiên, những kết quả này dành cho vàng 0.5 µm, nơi máy bay thường kết tủa 0.2 µm. Máy bay có thể được suy ra là đủ cho các phần tử tiếp xúc hoạt động ở 125 ° C, nhưng các phần tử nhiệt độ cao hơn sẽ yêu cầu thử nghiệm chuyên biệt.

“Niken càng dày thì rào cản càng tốt, trong mọi trường hợp,” Antler gợi ý, “nhưng thực tế sản xuất PCB khuyến khích các kỹ sư chỉ ký gửi càng nhiều niken càng tốt. Niken / vàng phẳng hiện được sử dụng trong điện thoại di động và máy nhắn tin sử dụng điểm tiếp xúc trên bàn di chuột. The specification for this type of element is at least 2 µm nickel.

Đầu nối

Niken / vàng ngâm không điện phân được sử dụng trong sản xuất bảng mạch có lò xo phù hợp, vừa vặn với máy ép, trượt áp suất thấp và các đầu nối không hàn khác.

Các đầu nối plug-in yêu cầu độ bền vật lý lâu hơn. Trong những trường hợp này, lớp phủ niken không điện phân đủ mạnh cho các ứng dụng PCB, nhưng ngâm vàng thì không. Very thin pure gold (60 to 90 Knoop) will rub away from the nickel during repeated friction. Khi vàng bị loại bỏ, niken tiếp xúc sẽ bị oxy hóa nhanh chóng, dẫn đến tăng điện trở tiếp xúc.

Lớp phủ niken không điện phân / ngâm vàng có thể không phải là lựa chọn tốt nhất cho các đầu nối phích cắm chịu được nhiều lần chèn trong suốt thời gian sử dụng của sản phẩm. Các bề mặt niken / paladi / vàng được khuyên dùng cho các đầu nối đa năng.

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) Nguồn niken được tạo thành bởi các hợp chất liên kim Ni3Sn4.

Sự khuếch tán của đồng sang niken

Việc chuyển đồng qua niken sẽ dẫn đến sự phân hủy đồng thành vàng trên bề mặt. 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. Do đó, yêu cầu nhiệt độ của lớp chắn là dưới 250 ° C dưới một phút.

Turn và Owen6 đã nghiên cứu ảnh hưởng của các lớp rào cản khác nhau đối với đồng và vàng. Họ nhận thấy rằng “… So sánh các giá trị độ thấm của đồng ở 400 ° C và 550 ° C cho thấy crom và niken hóa trị sáu với hàm lượng phốt pho 8-10% là các lớp rào cản hiệu quả nhất được nghiên cứu “. (bàn số 3).

Bảng 3. Sự thâm nhập của đồng qua niken thành vàng

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 Không khuếch tán không khuếch tán không khuếch tán

According to the Arrhenius equation, diffusion at lower temperatures is exponentially slower. Điều thú vị là trong thí nghiệm này, niken không điện phân hiệu quả hơn niken mạ điện từ 2 đến 10 lần. Turn và Owen chỉ ra rằng “… A (8%) 2µm(80µinch) barrier of this alloy reduces copper diffusion to a negligible level.”

Từ thử nghiệm nhiệt độ khắc nghiệt này, độ dày niken ít nhất 2µm là một thông số kỹ thuật an toàn.

Sự khuếch tán của niken sang vàng

Yêu cầu thứ hai của niken không điện phân là niken không di chuyển qua “hạt” hoặc “lỗ mịn” được ngâm tẩm với vàng. If nickel comes into contact with air, it will oxidize. Nickel oxide is not soldable and difficult to remove with flux.

Có một số bài báo về niken và vàng được sử dụng làm chất mang chip gốm. These materials withstand the extreme temperatures of assembly for a long time. Thử nghiệm chung cho các bề mặt này là 500 ° C trong 15 phút.

Để đánh giá khả năng của các bề mặt phẳng không điện phân niken / tẩm vàng trong việc ngăn chặn quá trình oxy hóa niken, người ta đã nghiên cứu khả năng hàn của các bề mặt tuổi nhiệt độ. Different heat/humidity and time conditions were tested. Những nghiên cứu này đã chỉ ra rằng niken được bảo vệ đầy đủ bằng cách rửa trôi vàng, cho phép hàn tốt sau quá trình lão hóa lâu dài.

Sự khuếch tán của niken sang vàng có thể là một yếu tố hạn chế đối với việc lắp ráp trong một số trường hợp, chẳng hạn như liên kết dây nhiệt âm vàng. Trong ứng dụng này, bề mặt niken / vàng kém cao cấp hơn bề mặt niken / palladium / vàng. 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.

Hợp chất giữa thiếc niken

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).

Bảng 4. Sự khuếch tán của vật liệu PCB trong hàn

Nhiệt độ kim loại ° C khuếch tán (µinches / SEC.)

Vàng 450 486 117.9 167.5

Đồng 450 525 4.1 7.0

Paladi 450 525 1.4 6.2

Nickel 700 1.7

Trong hệ thống niken / vàng và thiếc / chì, vàng ngay lập tức hòa tan thành thiếc rời. 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.Các phép đo của Bader cho thấy rằng không cần quá 0.5µm niken để duy trì rào cản, thậm chí qua hơn sáu chu kỳ nhiệt độ. In fact, the maximum intermetallic layer thickness observed is less than 0.5µm(20µinch).

xốp

Niken / vàng không điện phân gần đây mới trở thành lớp phủ bề mặt PCB cuối cùng phổ biến, vì vậy các quy trình công nghiệp có thể không phù hợp với bề mặt này. Có thể sử dụng quy trình hơi axit nitric để kiểm tra độ xốp của niken / vàng điện phân được sử dụng làm đầu nối phích cắm (IPC-TM-650 2.3.24.2) 9. Niken không điện phân / ngâm tẩm sẽ không vượt qua bài kiểm tra này. Một tiêu chuẩn về độ xốp của Châu Âu đã được phát triển bằng cách sử dụng kali ferricyanide để xác định độ xốp tương đối của các bề mặt phẳng, được đưa ra dưới dạng lỗ chân lông trên milimét vuông (lỗi / mm2). Một bề mặt phẳng tốt phải có ít hơn 10 lỗ trên milimét vuông ở độ phóng đại 100 x.

phần kết luận

Ngành công nghiệp sản xuất PCB quan tâm đến việc giảm lượng niken lắng đọng trên bo mạch vì lý do chi phí, thời gian chu kỳ và khả năng tương thích của vật liệu. Đặc điểm kỹ thuật niken tối thiểu phải giúp ngăn chặn sự khuếch tán đồng sang bề mặt vàng, duy trì độ bền mối hàn tốt và giữ cho điện trở tiếp xúc thấp. Thông số kỹ thuật niken tối đa phải cho phép sự linh hoạt trong sản xuất tấm, vì không có dạng hư hỏng nghiêm trọng nào liên quan đến cặn niken dày.

Đối với hầu hết các thiết kế bảng mạch hiện nay, một lớp phủ niken không điện phân là 2.0µm (80µinches) là độ dày niken tối thiểu cần thiết. Trong thực tế, một loạt các độ dày niken sẽ được sử dụng trên một lô sản xuất PCB (Hình 2). Sự thay đổi độ dày niken sẽ là kết quả của sự thay đổi các đặc tính của hóa chất tắm và sự thay đổi thời gian tồn tại của máy nâng tự động. Để đảm bảo tối thiểu là 2.0µm, các thông số kỹ thuật từ người dùng cuối phải yêu cầu 3.5µm, tối thiểu là 2.0µm và tối đa là 8.0µm.

Phạm vi độ dày niken được chỉ định này đã được chứng minh là phù hợp để sản xuất hàng triệu bảng mạch. Phạm vi đáp ứng các yêu cầu về khả năng hàn, thời hạn sử dụng và tiếp xúc của các thiết bị điện tử ngày nay. Bởi vì các yêu cầu lắp ráp là khác nhau từ sản phẩm này sang sản phẩm khác, các lớp phủ bề mặt có thể cần được tối ưu hóa cho từng ứng dụng cụ thể.