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PCB外表终究涂层品种有哪些?

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 PCB制造的最终涂层工艺在近年来已经经历重要变化。这些变化是对克服HASL(hot air solder leveling)局限的不断需求和HASL替

PCB外表终究涂层品种有哪些?


 PCB制作的终究涂层工艺在近年来现已阅历重要改变。这些改变是对战胜HASL(hot air solder leveling)限制的不断需求和HASL代替办法越来越多的成果。


  终究涂层是用来维护电路铜箔的外表。铜(Cu)是焊接元件的很好的外表,但简单氧化;氧化铜阻止焊锡的熔湿(wetTIng)。尽管现在运用金(Au)来掩盖铜,由于金不会氧化;金与铜会敏捷彼此分散浸透。任何露出的铜都将很快构成不行焊接的氧化铜。一个办法是运用镍(Ni)的“妨碍层”,它避免金与铜搬运和为元件的安装供给一个耐久的、导电性外表。


  PCB对非电解镍涂层的要求


  非电解镍涂层应该完结几个功用:


  金沉积的外表


  电路的终究意图是在PCB与元件之间构成物理强度高、电气特性好的衔接。假如在PCB外表存在任何氧化物或污染,这个焊接的衔接用当今的弱助焊剂是不会发作的。


  金自然地沉积在镍上面,并在长时刻的贮存中不会氧化。可是,金不会沉积在氧化的镍上面,因而镍有必要在镍浴(nickel bath)与金溶解之间坚持纯洁。这样,镍的第一个要求是坚持无氧化满足长的时刻,以答应金的沉积。元件开宣布化学浸浴,以答应在镍的沉积中6~10%的磷含量。非电解镍涂层中的这个磷含量是作为浸浴操控、氧化物、和电气与物理特性的细心平衡考虑的。


  硬度


  非电解镍涂层外表用在许多要求物理强度的运用中,如轿车传动的轴承。PCB的需求远没有这些运用严厉,可是关于引线接合(wire-bonding)、触感垫的触摸点、插件衔接器(edge-connetor)和处理可持续性,必定的硬度仍是重要的。


  引线接合要求一个镍的硬度。假如引线使沉积物变形,冲突力的丢失或许发作,它协助引线“熔”到基板上。SEM相片显现没有浸透到平面镍/金或镍/钯(Pd)/金的外表。


  电气特性


  由于简单制作,铜是选作电路构成的金属。铜的导电性优胜于简直每一种金属(表一)1,2。金也具有杰出的导电性,是最外层金属的完美挑选,由于电子倾向于在一个导电道路的外表活动(“表层”效益)。


  表一、PCB金属的电阻率
  铜 1.7 µΩcm
  金 2.4 µΩcm
  镍 7.4 µΩcm
  非电解镍镀层 55~90 µΩcm


  尽管大都出产板的电气特性不受镍层影响,镍可影响高频信号的电气特性。微波PCB的信号丢失可超越规划者的规范。这个现象与镍的厚度成份额 - 电路需求穿过镍抵达焊锡点。在许多运用中,电气信号可经过规则镍沉积小于2.5µm康复到规划规范之内。


  触摸电阻


  触摸电阻与可焊接性不同,由于镍/金外表在整个终端产品的寿数内坚持不焊接。镍/金在长时刻环境露出之后有必要坚持对外部触摸的导电性。Antler的1970年作品以数量标明镍/金外表的触摸要求。研讨了各种终究运用环境:3“65°C,在室温下作业的电子体系的一个正常最高温度,如计算机;125°C,通用衔接器有必要作业的温度,常常为军事运用所规则;200°C,这个温度对飞翔设备变得越来越重要。”


  关于低温环境,不需求镍的屏障。跟着温度的升高,要求用来避免镍/金搬运的镍的数量添加(表二)。


  表二、镍/金的触摸电阻(1000小时成果)


  镍屏障层 65°C时的满足触摸 125°C时的满足触摸 200°C时的满足触摸
  0.0 µm      100%        40%         0%
  0.5 µm      100%        90%         5%
  2.0 µm      100%        100%        10%
  4.0 µm      100%        100%        60%


  在Antler的研讨中运用的镍是电镀的。估计从非电解镍中将得到改进,如Baudrand所证明的4。可是,这些成果是对0.5 µm的金,这儿平面一般沉积0.2 µm。平面能够揣度关于在125°C操作的触摸元件是满足的,但更高的温度元件将要求专门的测验。


  Antler主张:“镍越厚,屏障越好,在所有状况中都是如此,可是PCB制作的实际状况鼓舞工程师只沉积所需求的镍量。平面镍/金现在现已用于那些运用触感垫触摸点的蜂窝电话和寻呼机。这类元件的规范是至少2 µm镍。


  衔接器


  非电解镍/浸金运用于含有绷簧合作、压入合作、低压滑动合其他无焊接衔接器的电路板出产。


  插件衔接器要求更长的物理耐久性。在这些状况中,非电解镍涂层关于PCB运用的强度是满足的,可是浸金则不行。很薄的纯金(60~90 Knoop)在重复冲突时会从镍上摩损掉。当金去掉后,露出的镍很快氧化,成果添加触摸电阻。


  非电解镍涂层/浸金或许不是那些在整个产品寿数内饱尝屡次刺进的插件衔接器的最佳挑选。引荐镍/钯/金外表用于多用途衔接器。


屏障层


  非电解镍在板上有三个屏障层的功用:1)避免铜对金的分散;2)避免金对镍的分散;3)Ni3Sn4金属间化合物构成的镍的来历。


  铜对镍的分散


  铜经过镍的搬运成果将是铜对外表金的分化。铜将很快氧化,构成安装时的可焊性差,这发作在漏镀镍的状况。镍需求用来避免空板储运期间和当板的其他区域现已焊接时的安装期间的搬迁分散。因而,屏障层的温度要求是低于250°C之下少于一分钟。


  Turn与Owen6研讨过不同的屏障层对铜和金的效果。他们发现“...在400°C和550°C时铜浸透值的比较显现,有8~10%磷含量的六价铬与镍是所研讨的最有用的屏障层”。(表三)


  表三、铜穿过镍向金的浸透 


  镍厚度 400°C 24小时 400°C 53小时 550°C 12小时
  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    无分散     无分散     无分散


  依照Arrhenius方程,在较低温度下的分散是成指数地慢。风趣的是,在这个实验中,非电解镍比电镀镍效率高2~10倍。Turn与Owen指出“...一个(8%)这种合金的2µm(80µinch)屏障将铜的分散削减到一个能够疏忽的境地。”


  从这个极点温度实验看出,最少2µm的镍厚度是一个安全的规范。


  镍对金的分散


  非电解镍的第二要求是镍不要穿过浸金的“颗粒”或“细孔”搬迁。假如镍与空气触摸,它将氧化。氧化镍是不行焊接和用助焊剂去掉困难的。


  有几篇文章是关于镍和金用于陶瓷芯片载体的。这些资料饱尝安装的极点温度抵达很长的时刻。这些外表的一个常见实验是500°C温度15分钟。


  为了评价平面非电解镍/浸金外表避免镍氧化的才能,进行了温度老化外表的可焊性研讨。测验了不同的热/湿度和时刻条件。这些研讨现已显现镍遭到浸金的充沛维护,在长时的老化之后答应杰出的可焊性。


  镍对金的分散或许是在某些状况中对安装的一个限制要素,如金热声波引线接合(gold thermalsonic wire-bonding)。在这个运用中,镍/金外表比镍/钯/金外表更次一些。Iacovangelo研讨了钯作为镍与金的妨碍层的分散特性,发现0.5µm的钯可避免甚至在极点温度的搬迁。这个研讨也证明在500°C温度15分钟内,没有俄歇电子能谱学(Auger spectroscopy)所决议的铜分散穿过2.5µm的镍/钯。


  镍锡金属间化合物


  在外表贴装或波峰焊接运转期间,从PCB外表的原子将与焊锡原子混合,决议于金属的分散特性和构成“金属间化合物”的才能(表四)。


  表四、PCB资料在焊接中的分散率


  金属   温度°C   分散率(µinches/sec.)
  金    450 486 117.9 167.5
  铜    450 525 4.1 7.0
  钯    450 525 1.4 6.2
  镍    700 1.7



  在镍/金与锡/铅体系中,金立刻溶入散锡之中。焊锡经过构成Ni3Sn4金属间化合物构成对下面镍的强附着性。应该沉积满足的镍以确保焊锡将不会抵达铜下面。Bader的丈量标明不需求多过0.5µm的镍来坚持这个屏障层,甚至要阅历超越六次的温度巡回。实际上,所观察到的最大金属间化合层厚度小于0.5µm(20µinch)。


  多孔性


  非电解镍/金仅仅最近才成为一种一般的终究PCB外表涂层,因而工业程序或许对这种外表并不合适。现在有一种用于测验用作插件衔接器的电解镍/金的多孔性的硝酸蒸汽工艺(IPC-TM-650 2.3.24.2)9。非电解镍/浸金通不过这个测验。现已开宣布一个运用铁氰化钾的欧洲多孔性规范,来决议平面外表的相对多孔性,成果是以单位每平方毫米的小孔数(pores/mm2)给出的。一个好的平面外表应该在100倍放大系数下少于每平方毫米10个小孔。


  定论


  PCB制作工业由于本钱、周期时刻和资料兼容性的原因,对削减沉积在电路板上的镍的数量感兴趣。最小镍的规范应该协助避免铜对金外表的分散、坚持杰出的焊接点强度、和较低的触摸电阻。最大镍的规范应该答应板制作的灵活性,由于没有严峻的失效方法是与厚的镍沉积有关的。


  关于大大都今日的电路板规划,2.0µm(80µinches)的非电解镍涂层是所要求的最小镍厚度。在实际操作中,在PCB的一个出产批号中将运用一个规模的镍厚度(图二)。镍厚度的改变将是浸浴化学品特性的改变和主动起吊机器的驻留时刻的改变成果。为了确保2.0µm的最小值,来自终究用户的规范应该要求3.5µm,最小为2.0µm,最大为8.0µm。


  镍厚度的这个规则规模现已证明是合适于上百万电路板的出产的。该规模满足可焊性、货架寿数和今日电子产品的触摸要求。由于安装要求是从一个产品不同于另一个产品,外表涂层或许需求针对每个特别运用进行优化。

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