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Revestimiento de acabado plano
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Presentado por el autor Don Cullen
Características de niquelado no electrolítico/precipitación de oro por inmersión.
El proceso de recubrimiento final para la fabricación de PCB ha sufrido importantes cambios en los últimos años. Estos cambios son el resultado de las demandas continuas para superar las limitaciones de HASL (nivelación de aire caliente) y el creciente número de alternativas a HASL.
El recubrimiento final se utiliza para proteger la superficie de la lámina de cobre del circuito. El cobre (Cu) es una buena superficie para soldar componentes, pero se oxida fácilmente. El óxido de cobre bloquea la humectación de la soldadura. Aunque el cobre ahora está cubierto de oro (Au), debido a que el oro no se oxida, el oro y el cobre se difundirán y penetrarán rápidamente entre sí; Cualquier cobre expuesto formará rápidamente óxido de cobre sin soldadura. Un enfoque es utilizar una capa de "barrera" de níquel (Ni), que impide la transferencia de oro y cobre y proporciona una superficie duradera y conductora para el ensamblaje de componentes.
Requisitos para los recubrimientos de níquel químico en placas de circuito impreso
Los recubrimientos de níquel químico deben tener múltiples funciones:
Superficie de precipitación de oro
Lo último El objetivo de un circuito es formar una conexión físicamente fuerte con buenas propiedades eléctricas entre la PCB y el componente. Si hay óxido o contaminación en la superficie de la PCB, esta conexión de soldadura no se producirá con los débiles fundentes actuales.
El oro precipita naturalmente sobre el níquel y no se oxida después de un almacenamiento prolongado. Pero el oro no precipitará sobre el níquel oxidado, por lo que el níquel debe permanecer puro entre el baño de níquel y la disolución del oro. Por lo tanto, el primer requisito del níquel es permanecer sin oxidar el tiempo suficiente para permitir que precipite el oro. Se desarrollaron baños de inmersión química para permitir la precipitación del níquel con contenidos de fósforo del 6 al 10%. El contenido de fósforo en el niquelado no electrolítico se considera un cuidadoso equilibrio entre el control del baño, los óxidos y las propiedades eléctricas y físicas.
Dificultad
Las superficies de níquel recubiertas electrolíticamente se utilizan en muchas aplicaciones que requieren resistencia física, como los cojinetes de transmisión de automóviles. Los requisitos de PCB son mucho menos estrictos que los de estas aplicaciones, pero un cierto grado de rigidez sigue siendo importante para la unión de cables, los puntos de contacto de la almohadilla táctil, los conectores de borde y la sostenibilidad del proceso.
La unión de cables requiere la dureza del níquel. Pueden ocurrir pérdidas por fricción si el plomo deforma el depósito, lo que ayuda a que el plomo se "fusione" con el sustrato. Las imágenes SEM muestran que no penetra superficies planas de níquel/oro o níquel/paladio (Pd)/oro.
Propiedades eléctricas
Se eligió el cobre como metal para formar el circuito debido a su facilidad de fabricación. El cobre conduce la electricidad mejor que casi todos los metales (Tabla 1) 1,2. El oro también conduce bien la electricidad, lo que lo convierte en una opción perfecta para el metal más externo porque los electrones tienden a fluir en la superficie del camino conductor (el beneficio de la "piel").
¿Cobre 1.7? ωcm
¿Oro 2,4? ωcm
¿Níquel 7,4? ωcm
Niquelado electrolítico 55~90? ωcm
Tabla 1.
Resistividad del metal PCB
Si bien las propiedades eléctricas de la mayoría de las placas de producción no se ven afectadas por la capa de níquel, el níquel puede afectar las propiedades eléctricas de las señales de alta frecuencia. La pérdida de señal de una PCB de microondas puede exceder las especificaciones del diseñador. Este fenómeno es directamente proporcional al espesor del níquel: el circuito debe pasar a través del níquel para llegar a la unión soldada. En muchas aplicaciones, las señales eléctricas pueden ser proporcionadas por depósitos de níquel de menos de 2,5? m regresa dentro de las especificaciones de diseño.
Resistencia transitoria
La resistencia de contacto se diferencia de la soldabilidad en que la superficie de níquel/oro permanece sin soldadura durante toda la vida útil del producto final. Después de una exposición prolongada al medio ambiente, el níquel/oro debe seguir siendo conductor de contactos externos. El libro de Antler de 1970 expresaba cuantitativamente los requisitos de contacto para superficies de níquel/oro. Se estudiaron varios entornos de uso final: 3" 65°C, la temperatura máxima normal para sistemas electrónicos que funcionan a temperatura ambiente, como computadoras; 125°C, la temperatura a la que deben funcionar los conectores universales y que normalmente se especifican para aplicaciones militares; 200 °C, una temperatura que es cada vez más importante para los equipos de vuelo”.
Para entornos criogénicos, no se requiere una barrera de níquel. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la cantidad de níquel necesaria para evitar la transferencia de níquel/oro (Tabla 2). Tres
La barrera de níquel tiene buen contacto a 65°C, buen contacto a 125°C y buen contacto a 200°C.
0,0 ?m 100% 40% 0%
0,5 ?m 100% 90% 5%
2,0 ?m 100% 100% 10%
p>
4.0 ?m 100%
Tabla 2. Resistencia de contacto de níquel/oro (resultados a 1000 horas)
El níquel utilizado en el estudio de Antle fue electrochapado. Como confirmó Bodland, se espera que mejore con el níquel no electrolítico. Sin embargo, ¿son correctos estos resultados para 0,5? m de oro, donde el avión suele precipitar 0,2? m Se puede inferir que las superficies planas serán suficientes para los elementos de contacto que funcionan a 125 °C, pero los elementos de mayor temperatura requerirán pruebas especiales.
Antle aconseja: “Cuanto más grueso sea el níquel, mejor será la barrera. Esto es cierto en todos los casos, pero las realidades de la fabricación de PCB alientan a los ingenieros a depositar solo la cantidad necesaria de níquel/oro plano. ahora se utiliza en teléfonos móviles y buscapersonas que utilizan paneles táctiles. Las especificaciones para dichos componentes son al menos 2? Para producir placas de circuito con ajuste por resorte, ajuste a presión, ajuste deslizante de bajo voltaje y otros conectores sin soldadura. >
En estos casos se requiere niquelado electrolítico para una mayor durabilidad física. La resistencia es suficiente para aplicaciones de PCB, pero el oro por inmersión no lo es. El oro puro muy fino (60~90 Knoop) se desgastará del níquel con la fricción repetida. , y el níquel expuesto se eliminará rápidamente. La oxidación, lo que resultará en una mayor resistencia al contacto.
El niquelado electrolítico/oro por inmersión puede no ser la mejor opción para los conectores enchufables debido a las múltiples inserciones que sufrirán. Durante todo el ciclo de vida del producto, se recomienda utilizar conectores multiusos con superficie de níquel/paladio/oro.
Capa de barrera
El níquel electrolítico tiene tres funciones de bloqueo en la placa: 1) Evita que el cobre entre. difundir en oro; 2) Evitar que el oro se difunda en níquel. Difusión 3) Fuente de níquel formado a partir de 3) Compuesto intermetálico Ni3Sn4
Difusión de cobre a níquel
La transferencia de cobre. a través del níquel hará que el cobre descomponga el oro de la superficie. El cobre se oxidará rápidamente, lo que provocará una mala soldabilidad durante el ensamblaje, lo que ocurre en ausencia de niquelado para evitar el ensamblaje durante el almacenamiento y envío de placas vacías y cuando otros. Las áreas de la placa se han soldado. Por lo tanto, se requiere que la temperatura de la capa de barrera esté por debajo de 250 ° C durante menos de un minuto. Turn y Owen6 estudiaron el efecto de diferentes capas de barrera sobre el cobre. oro Encontraron que "... La comparación de los valores de permeabilidad del cobre a 400°C y 550°C muestra que el cromo hexavalente y el níquel con un contenido de fósforo de 8 a 10% son las barreras más efectivas estudiadas."
(Tabla 3)
Espesor del níquel 400°C 24 horas 400°C 53 horas 550°C 12 horas
0,25 ?m 1? m12? ¿18? m
0,50 ?m 1? m6? ¿15? m
1.00 ?m 1? m1? m8? m
2.00 ?Sin difusión, sin difusión, sin difusión
Tabla 3. El cobre penetra en el oro a través del níquel
Según la ecuación de Arrhenius, la difusión a temperaturas más bajas es exponencialmente lenta. Curiosamente, en este experimento, el níquel no electrolítico fue de 2 a 10 veces más eficiente que el níquel galvanizado. Owen, a su vez, afirma: "...una barrera (8%) de 2 m (80 in) reduce la difusión del cobre a un nivel insignificante 6
Como se puede ver en esta prueba de temperatura extrema, Un espesor de al menos 2? Migran partículas" o "poros". Si el níquel entra en contacto con el aire, se oxida. El óxido de níquel no es soldable y es difícil de eliminar con fundente.
Hay varios artículos sobre el uso de níquel y oro como soportes para virutas de cerámica. Estos materiales se someten a temperaturas extremas de ensamblaje durante períodos prolongados. Una prueba común para estas superficies es a 500 °C durante 15 minutos. >Evaluar las superficies de inmersión electrolítica de níquel/inmersión en oro para prevenir la oxidación del níquel. Se estudió la soldabilidad de superficies envejecidas por temperatura en diferentes condiciones térmicas/de humedad y de tiempo. Estos estudios demostraron que el níquel estaba adecuadamente protegido por la inmersión en oro y aún tenía buena soldabilidad. después del envejecimiento a largo plazo (Figura 1).
En algunos casos, como la unión de cables termosónicos de oro, la difusión del níquel en oro puede ser un factor limitante para el ensamblaje en aplicaciones donde el níquel/oro. La superficie no es tan buena como la superficie de níquel/paladio/oro. Iacovangelo estudió las propiedades de difusión del paladio como barrera entre el níquel y el oro y descubrió que 0,5 µm de paladio evitaban la migración incluso a temperaturas extremas. 2,5 µm de níquel/paladio.
Compuestos intermetálicos de níquel-estaño
Durante las operaciones de montaje en superficie o soldadura por ola, los átomos de la superficie de la PCB se mezclan con los átomos de soldadura, dependiendo de las propiedades de difusión de la misma. metal y la capacidad de formar "compuestos intermetálicos" (Tabla 4)
Temperatura del metal c difusividad (? pulgadas/segundo.)
Oro 450
486. 117,9
167,5
Cobre 450
525 4,1
7,0
Paladio 450
525 1,4
6,2
Níquel 700 1,7
Tabla 4. Tasa de difusión de materiales de PCB en soldadura
En níquel/en oro y sistemas de estaño/plomo, el oro se disolverá inmediatamente en el estaño suelto. La soldadura formará una fuerte adhesión al níquel subyacente formando un compuesto intermetálico de Ni3Sn4. Se debe depositar suficiente níquel para garantizar que la soldadura no quede debajo del cobre. Las mediciones muestran que no se requieren más de 0,5 µm de níquel para mantener esta barrera incluso durante más de seis ciclos de temperatura. De hecho, el espesor máximo de la capa intermetálica observado es inferior a 0,5 µm (20 µm). >Porosidad
El níquel/oro electrolítico se ha convertido recientemente en un recubrimiento final común para las superficies de PCB, por lo que los procedimientos industriales pueden no ser adecuados para esta superficie. Actualmente existe un proceso de vapor de ácido nítrico (IPC-TM-650 2.3). .24.2)9, para probar la porosidad del níquel/oro electrolítico utilizado como conectores enchufables. La impregnación electrolítica de níquel/oro no supera esta prueba. El estándar europeo de porosidad que utiliza ferricianuro de potasio se desarrolló para determinar la porosidad relativa de superficies planas, y los resultados se expresan como el número de poros por milímetro cuadrado (poros/mm2). Una buena superficie plana debe tener menos de 10 agujeros por milímetro cuadrado con un aumento de 100x.
Conclusión
La fabricación de PCB está interesada en reducir la cantidad de níquel depositado en las placas de circuito por razones de costo, tiempo de ciclo y compatibilidad de materiales. La especificación mínima de níquel debería ayudar a evitar que el cobre se difunda en la superficie del oro, mantener una buena resistencia de la unión de soldadura y reducir la resistencia de contacto. Las especificaciones para el contenido máximo de níquel deberían permitir flexibilidad en la fabricación de placas, ya que no existen modos de falla graves asociados con la precipitación espesa de níquel.
Para la mayoría de los diseños de placas de circuitos actuales, ¿2.0? m (80? pulgadas) es el espesor mínimo de níquel requerido. En la práctica, se utiliza una variedad de espesores de níquel en los lotes de producción de PCB (Figura 2). Los cambios en el espesor del níquel serán el resultado de cambios en las propiedades químicas del baño de inmersión y cambios en el tiempo de residencia del polipasto automático. ¿Quieres garantizar el 2.0? Valor mínimo de m, ¿la especificación del usuario final debería requerir 3,5? m, mínimo 2,0? m, máximo 8,0? m .
Esta gama específica de espesores de níquel ha demostrado ser adecuada para la producción de millones de placas de circuitos. Esta gama cumple con los requisitos de soldabilidad, vida útil y contacto de los productos electrónicos actuales. Debido a que diferentes productos tienen diferentes requisitos de ensamblaje, es posible que sea necesario optimizar los recubrimientos de superficie para cada aplicación particular.
Referencias
Mallory, G. (1990). Revestimiento no electrolítico. Editorial AESF.
Sisaforanek (1986). Propiedades de los metales y aleaciones electrodepositadas. Editorial AESF.
Antheil, M. (1970, junio). Contactos chapados en oro: efecto del calentamiento sobre la fiabilidad. enchapado.
Bodran, D. (1981, diciembre). Utilice niquelado no electrolítico para reducir la necesidad de oro. Revestimiento y tratamiento superficial.
Kudrak, E. et al. (1991, marzo). Desgaste la confiabilidad del paladio chapado en oro versus el oro duro en sistemas de conectores digitales de alta velocidad. Revestimiento y tratamiento superficial.
Turn, J. C. y Owen, E. L. (noviembre de 1974). Barrera de difusión metálica para sistemas de oro electrodepositado con cobre. enchapado.
Sibald (1969, diciembre). Disolución de oro, plata, paladio, cobre y níquel en soldadura fundida de estaño y plomo. soldadura.
Nuevo recubrimiento autocatalítico de baño de oro y barrera a la difusión.
Cullen, Distrito de Columbia (número de teléfono: 1997). TR-104. Unión de cables de acabados de placas de circuitos metálicos depositados sin electricidad. Actas de la Exposición del Comité Paralímpico Internacional.
Don Cullen es gerente técnico de electrónica en MacDermid Inc. en Waterbury, Connecticut; (203) 575-5700. Comuníquese con él para obtener una versión completa de este artículo.
(22 de mayo de 2006, 5438+0)