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PCB表面最終涂層種類有哪些?

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量：2420次  |  2019年08月21日  

pCB表面最終涂層種類有哪些?


pCB制造的最終涂層工藝在近年來(lái)已經(jīng)經(jīng)歷重要變化。這些變化是對(duì)克服HASL(hotairsolderleveling)局限的不斷需求和HASL替代方法越來(lái)越多的結(jié)果。


最終涂層是用來(lái)保護(hù)電路銅箔的表面。銅(Cu)是焊接元件的很好的表面，但容易氧化；氧化銅阻礙焊錫的熔濕(wetTIng)。雖然現(xiàn)在使用金(Au)來(lái)覆蓋銅，因?yàn)榻鸩粫?huì)氧化；金與銅會(huì)迅速相互擴(kuò)散滲透。任何暴露的銅都將很快形成不可焊接的氧化銅。一個(gè)方法是使用鎳(Ni)的“障礙層”，它防止金與銅轉(zhuǎn)移和為元件的裝配提供一個(gè)耐久的、導(dǎo)電性表面。


pCB對(duì)非電解鎳涂層的要求


非電解鎳涂層應(yīng)該完成幾個(gè)功能：


金沉淀的表面


電路的最終目的是在pCB與元件之間形成物理強(qiáng)度高、電氣特性好的連接。如果在pCB表面存在任何氧化物或污染，這個(gè)焊接的連接用當(dāng)今的弱助焊劑是不會(huì)發(fā)生的。


金自然地沉淀在鎳上面，并在長(zhǎng)期的儲(chǔ)存中不會(huì)氧化?？墒?，金不會(huì)沉淀在氧化的鎳上面，因此鎳必須在鎳浴(nickelbath)與金溶解之間保持純凈。這樣，鎳的第一個(gè)要求是保持無(wú)氧化足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以允許金的沉淀。元件開(kāi)發(fā)出化學(xué)浸浴，以允許在鎳的沉淀中6~10%的磷含量。非電解鎳涂層中的這個(gè)磷含量是作為浸浴控制、氧化物、和電氣與物理特性的仔細(xì)平衡考慮的。


硬度


非電解鎳涂層表面用在許多要求物理強(qiáng)度的應(yīng)用中，如汽車傳動(dòng)的軸承。pCB的需要遠(yuǎn)沒(méi)有這些應(yīng)用嚴(yán)格，但是對(duì)于引線接合(wire-bonding)、觸感墊的接觸點(diǎn)、插件連接器(edge-connetor)和處理可持續(xù)性，一定的硬度還是重要的。


引線接合要求一個(gè)鎳的硬度。如果引線使沉淀物變形，摩擦力的損失可能發(fā)生，它幫助引線“熔”到基板上。SEM照片顯示沒(méi)有滲透到平面鎳/金或鎳/鈀(pd)/金的表面。


電氣特性


由于容易制作，銅是選作電路形成的金屬。銅的導(dǎo)電性優(yōu)越于幾乎每一種金屬(表一)1,2。金也具有良好的導(dǎo)電性，是最外層金屬的完美選擇，因?yàn)殡娮觾A向于在一個(gè)導(dǎo)電路線的表面流動(dòng)(“表層”效益)。


表一、pCB金屬的電阻率

銅1.7µΩcm

金2.4µΩcm

鎳7.4µΩcm

非電解鎳鍍層55~90µΩcm


雖然多數(shù)生產(chǎn)板的電氣特性不受鎳層影響，鎳可影響高頻信號(hào)的電氣特性。微波pCB的信號(hào)損失可超過(guò)設(shè)計(jì)者的規(guī)格。這個(gè)現(xiàn)象與鎳的厚度成比例-電路需要穿過(guò)鎳到達(dá)焊錫點(diǎn)。在許多應(yīng)用中，電氣信號(hào)可通過(guò)規(guī)定鎳沉淀小于2.5µm恢復(fù)到設(shè)計(jì)規(guī)格之內(nèi)。


接觸電阻


接觸電阻與可焊接性不同，因?yàn)殒?金表面在整個(gè)終端產(chǎn)品的壽命內(nèi)保持不焊接。鎳/金在長(zhǎng)期環(huán)境暴露之后必須保持對(duì)外部接觸的導(dǎo)電性。Antler的1970年著作以數(shù)量表示鎳/金表面的接觸要求。研究了各種最終使用環(huán)境：3“65°C，在室溫下工作的電子系統(tǒng)的一個(gè)正常最高溫度，如計(jì)算機(jī)；125°C，通用連接器必須工作的溫度，經(jīng)常為特種應(yīng)用所規(guī)定；200°C，這個(gè)溫度對(duì)飛行設(shè)備變得越來(lái)越重要。”


對(duì)于低溫環(huán)境，不需要鎳的屏障。隨著溫度的升高，要求用來(lái)防止鎳/金轉(zhuǎn)移的鎳的數(shù)量增加(表二)。


表二、鎳/金的接觸電阻(1000小時(shí)結(jié)果)


鎳屏障層65°C時(shí)的滿意接觸125°C時(shí)的滿意接觸200°C時(shí)的滿意接觸

0.0µm100%40%0%

0.5µm100%90%5%

2.0µm100%100%10%

4.0µm100%100%60%


在Antler的研究中使用的鎳是電鍍的。預(yù)計(jì)從非電解鎳中將得到改善，如Baudrand所證實(shí)的4?？墒?，這些結(jié)果是對(duì)0.5µm的金，這里平面通常沉淀0.2µm。平面可以推斷對(duì)于在125°C操作的接觸元件是足夠的，但更高的溫度元件將要求專門(mén)的測(cè)試。


Antler建議：“鎳越厚，屏障越好，在所有情況中都是如此，但是pCB制造的實(shí)際情況鼓勵(lì)工程師只沉淀所需要的鎳量。平面鎳/金現(xiàn)在已經(jīng)用于那些使用觸感墊接觸點(diǎn)的蜂窩電話和尋呼機(jī)。這類元件的規(guī)格是至少2µm鎳。


連接器


非電解鎳/浸金使用于含有彈簧配合、壓入配合、低壓滑動(dòng)合其他無(wú)焊接連接器的電路板生產(chǎn)。


插件連接器要求更長(zhǎng)的物理耐久性。在這些情況中，非電解鎳涂層對(duì)于pCB應(yīng)用的強(qiáng)度是足夠的，但是浸金則不夠。很薄的純金(60~90Knoop)在重復(fù)摩擦?xí)r會(huì)從鎳上摩損掉。當(dāng)金去掉后，暴露的鎳很快氧化，結(jié)果增加接觸電阻。


非電解鎳涂層/浸金可能不是那些在整個(gè)產(chǎn)品壽命內(nèi)經(jīng)受多次插入的插件連接器的最佳選擇。推薦鎳/鈀/金表面用于多用途連接器。


屏障層


非電解鎳在板上有三個(gè)屏障層的功能：1)防止銅對(duì)金的擴(kuò)散；2)防止金對(duì)鎳的擴(kuò)散；3)Ni3Sn4金屬間化合物形成的鎳的來(lái)源。


銅對(duì)鎳的擴(kuò)散


銅通過(guò)鎳的轉(zhuǎn)移結(jié)果將是銅對(duì)表面金的分解。銅將很快氧化，造成裝配時(shí)的可焊性差，這發(fā)生在漏鍍鎳的情況。鎳需要用來(lái)防止空板儲(chǔ)運(yùn)期間和當(dāng)板的其他區(qū)域已經(jīng)焊接時(shí)的裝配期間的遷移擴(kuò)散。因此，屏障層的溫度要求是低于250°C之下少于一分鐘。


Turn與Owen6研究過(guò)不同的屏障層對(duì)銅和金的作用。他們發(fā)現(xiàn)“...在400°C和550°C時(shí)銅滲透值的比較顯示，有8~10%磷含量的六價(jià)鉻與鎳是所研究的最有效的屏障層”。(表三)


表三、銅穿過(guò)鎳向金的滲透


鎳厚度400°C24小時(shí)400°C53小時(shí)550°C12小時(shí)

0.25µm1µm12µm18µm

0.50µm1µm6µm15µm

1.00µm1µm1µm8µm

2.00µm無(wú)擴(kuò)散無(wú)擴(kuò)散無(wú)擴(kuò)散


按照Arrhenius方程，在較低溫度下的擴(kuò)散是成指數(shù)地慢。有趣的是，在這個(gè)試驗(yàn)中，非電解鎳比電鍍鎳效率高2~10倍。Turn與Owen指出“...一個(gè)(8%)這種合金的2µm(80µinch)屏障將銅的擴(kuò)散減少到一個(gè)可以忽略的地步?！?/p>
從這個(gè)極端溫度試驗(yàn)看出，最少2µm的鎳厚度是一個(gè)安全的規(guī)格。


鎳對(duì)金的擴(kuò)散


非電解鎳的第二要求是鎳不要穿過(guò)浸金的“顆?！被颉凹?xì)孔”遷移。如果鎳與空氣接觸，它將氧化。氧化鎳是不可焊接和用助焊劑去掉困難的。


有幾篇文章是關(guān)于鎳和金用于陶瓷芯片載體的。這些材料經(jīng)受裝配的極端溫度達(dá)到很長(zhǎng)的時(shí)間。這些表面的一個(gè)常見(jiàn)試驗(yàn)是500°C溫度15分鐘。


為了評(píng)估平面非電解鎳/浸金表面防止鎳氧化的能力，進(jìn)行了溫度老化表面的可焊性研究。測(cè)試了不同的熱/濕度和時(shí)間條件。這些研究已經(jīng)顯示鎳受到浸金的充分保護(hù)，在長(zhǎng)時(shí)的老化之后允許良好的可焊性。


鎳對(duì)金的擴(kuò)散可能是在某些情況中對(duì)裝配的一個(gè)限定因素，如金熱聲波引線接合(goldthermalsonicwire-bonding)。在這個(gè)應(yīng)用中，鎳/金表面比鎳/鈀/金表面更次一些。Iacovangelo研究了鈀作為鎳與金的障礙層的擴(kuò)散特性，發(fā)現(xiàn)0.5µm的鈀可防止甚至在極端溫度的遷移。這個(gè)研究也證明在500°C溫度15分鐘內(nèi)，沒(méi)有俄歇電子能譜學(xué)(Augerspectroscopy)所決定的銅擴(kuò)散穿過(guò)2.5µm的鎳/鈀。


鎳錫金屬間化合物


在表面貼裝或波峰焊接運(yùn)行期間，從pCB表面的原子將與焊錫原子混合，決定于金屬的擴(kuò)散特性和形成“金屬間化合物”的能力(表四)。


表四、pCB材料在焊接中的擴(kuò)散率


金屬溫度°C擴(kuò)散率(µinches/sec.)

金450486117.9167.5

銅4505254.17.0

鈀4505251.46.2

鎳7001.7




在鎳/金與錫/鉛系統(tǒng)中，金馬上溶入散錫之中。焊錫通過(guò)形成Ni3Sn4金屬間化合物形成對(duì)下面鎳的強(qiáng)附著性。應(yīng)該沉淀足夠的鎳以保證焊錫將不會(huì)到達(dá)銅下面。Bader的測(cè)量表明不需要多過(guò)0.5µm的鎳來(lái)維持這個(gè)屏障層，甚至要經(jīng)歷超過(guò)六次的溫度巡回。實(shí)際上，所觀察到的最大金屬間化合層厚度小于0.5µm(20µinch)。


多孔性


非電解鎳/金只是最近才成為一種普通的最終pCB表面涂層，因此工業(yè)程序可能對(duì)這種表面并不適合?，F(xiàn)在有一種用于測(cè)試用作插件連接器的電解鎳/金的多孔性的硝酸蒸汽工藝(IpC-TM-6502.3.24.2)9。非電解鎳/浸金通不過(guò)這個(gè)測(cè)試。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一個(gè)使用鐵氰化鉀的歐洲多孔性標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)決定平面表面的相對(duì)多孔性，結(jié)果是以單位每平方毫米的小孔數(shù)(pores/mm2)給出的。一個(gè)好的平面表面應(yīng)該在100倍放大系數(shù)下少于每平方毫米10個(gè)小孔。


結(jié)論


pCB制造工業(yè)由于成本、周期時(shí)間和材料兼容性的原因，對(duì)減少沉淀在電路板上的鎳的數(shù)量感興趣。最小鎳的規(guī)格應(yīng)該幫助防止銅對(duì)金表面的擴(kuò)散、保持良好的焊接點(diǎn)強(qiáng)度、和較低的接觸電阻。最大鎳的規(guī)格應(yīng)該允許板制造的靈活性，因?yàn)闆](méi)有嚴(yán)重的失效方式是與厚的鎳沉淀有關(guān)的。


對(duì)于大多數(shù)今天的電路板設(shè)計(jì)，2.0µm(80µinches)的非電解鎳涂層是所要求的最小鎳厚度。在實(shí)際操作中，在pCB的一個(gè)生產(chǎn)批號(hào)中將使用一個(gè)范圍的鎳厚度(圖二)。鎳厚度的變化將是浸浴化學(xué)品特性的變化和自動(dòng)起吊機(jī)器的駐留時(shí)間的變化結(jié)果。為了保證2.0µm的最小值，來(lái)自最終用戶的規(guī)格應(yīng)該要求3.5µm，最小為2.0µm，最大為8.0µm。


鎳厚度的這個(gè)規(guī)定范圍已經(jīng)證明是適合于上百萬(wàn)電路板的生產(chǎn)的。該范圍滿足可焊性、貨架壽命和今天電子產(chǎn)品的接觸要求。因?yàn)檠b配要求是從一個(gè)產(chǎn)品不同于另一個(gè)產(chǎn)品，表面涂層可能需要針對(duì)每個(gè)特殊應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。


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