PCB表面終涂層種類介紹

     PCB制造的終涂層工藝在近年來已經(jīng)經(jīng)歷重要變化。這些變化是對克服HASL(hot air solder leveling)局限的不斷需求和HASL替代方法越來越多的結果。 終涂層是用來保護電路銅箔的表面。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


PCB制造的終涂層工藝在近年來已經(jīng)經(jīng)歷重要變化。這些變化是對克服HASL(hot air solder leveling)局限的不斷需求和HASL替代方法越來越多的結果。

終涂層是用來保護電路銅箔的表面。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)來覆蓋銅，因為金不會氧化；金與銅會迅速相互擴散滲透。任何暴露的銅都將很快形成不可焊接的氧化銅。一個方法是使用鎳(Ni)的“障礙層”，它防止金與銅轉移和為元件的裝配提供一個耐久的、導電性表面。

PCB對非電解鎳涂層的要求

非電解鎳涂層應該完成幾個功能：

金沉淀的表面

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

金自然地沉淀在鎳上面，并在長期的儲存中不會氧化?？墒牵鸩粫恋碓谘趸逆嚿厦?，因此鎳必須在鎳浴(nickel bath)與金溶解之間保持純凈。這樣，鎳的一個要求是保持無氧化足夠長的時間，以允許金的沉淀。元件開發(fā)出化學浸浴，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磷含量是作為浸浴控制、氧化物、和電氣與物理特性的仔細平衡考慮的。

硬度

非電解鎳涂層表面用在許多要求物理強度的應用中，如汽車傳動的軸承。PCB的需要遠沒有這些應用嚴格，但是對于引線接合(wire-bonding)、觸感墊的接觸點、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。金也具有良好的導電性，是外層金屬的完美選擇，因為電子傾向于在一個導電路線的表面流動(“表層”效益)。

銅 1.7 μΩcm
金 2.4 μΩcm
鎳 7.4 μΩcm
非電解鎳鍍層 55~90 μΩcm
表一、PCB金屬的電阻率

雖然多數(shù)生產(chǎn)板的電氣特性不受鎳層影響，鎳可影響高頻信號的電氣特性。微波PCB的信號損失可超過設計者的規(guī)格。這個現(xiàn)象與鎳的厚度成比例 - 電路需要穿過鎳到達焊錫點。在許多應用中，電氣信號可通過規(guī)定鎳沉淀小于2.5μm恢復到設計規(guī)格之內。

接觸電阻

接觸電阻與可焊接性不同，因為鎳/金表面在整個終端產(chǎn)品的壽命內保持不焊接。鎳/金在長期環(huán)境暴露之后必須保持對外部接觸的導電性。Antler的1970年著作以數(shù)量表示鎳/金表面的接觸要求。研究了各種終使用環(huán)境：3“65°C，在室溫下工作的電子系統(tǒng)的一個正常高溫度，如計算機；125°C，通用連接器必須工作的溫度，經(jīng)常為軍事應用所規(guī)定；200°C，這個溫度對飛行設備變得越來越重要。”

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

鎳屏障層 65°C時的滿意接觸 125°C時的滿意接觸 200°C時的滿意接觸
0.0 μm 100% 40% 0%
0.5 μm 100% 90% 5%
2.0 μm 100% 100% 10%
4.0 μm 100% 100% 60%
表二、鎳/金的接觸電阻(1000小時結果)

在Antler的研究中使用的鎳是電鍍的。預計從非電解鎳中將得到改善，如Baudrand所證實的4?？墒?，這些結果是對0.5 μm的金，這里平面通常沉淀0.2 μm。平面可以推斷對于在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的測試。

Antler建議：“鎳越厚，屏障越好，在所有情況中都是如此，但是PCB制造的實際情況鼓勵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的蜂窩電話和尋呼機。這類元件的規(guī)格是至少2 μm鎳。

連接器

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

插件連接器要求更長的物理耐久性。在這些情況中，非電解鎳涂層對于PCB應用的強度是足夠的，但是浸金則不夠。很薄的純金(60~90 Knoop)在重復摩擦時會從鎳上摩損掉。當金去掉后，暴露的鎳很快氧化，結果增加接觸電阻。

非電解鎳涂層/浸金可能不是那些在整個產(chǎn)品壽命內經(jīng)受多次插入的插件連接器的佳選擇。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屏障層的功能：1)防止銅對金的擴散；2)防止金對鎳的擴散；3)Ni3Sn4金屬間化合物形成的鎳的來源。

銅對鎳的擴散

銅通過鎳的轉移結果將是銅對表面金的分解。銅將很快氧化，造成裝配時的可焊性差，這發(fā)生在漏鍍鎳的情況。鎳需要用來防止空板儲運期間和當板的其他區(qū)域已經(jīng)焊接時的裝配期間的遷移擴散。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研究過不同的屏障層對銅和金的作用。他們發(fā)現(xiàn)“...在400°C和550°C時銅滲透值的比較顯示，有8~10%磷含量的六價鉻與鎳是所研究的有效的屏障層”。(表三)

鎳厚度 400°C 24小時 400°C 53小時 550°C 12小時
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 無擴散 無擴散 無擴散
表三、銅穿過鎳向金的滲透

按照Arrhenius方程，在較低溫度下的擴散是成指數(shù)地慢。有趣的是，在這個試驗中，非電解鎳比電鍍鎳效率高2~10倍。Turn與Owen指出“...一個(8%)這種合金的2μm(80μinch)屏障將銅的擴散減少到一個可以忽略的地步。”

從這個極端溫度試驗看出，少2μm的鎳厚度是一個安全的規(guī)格。

鎳對金的擴散

非電解鎳的二要求是鎳不要穿過浸金的“顆粒”或“細孔”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到很長的時間。這些表面的一個常見試驗是500°C溫度15分鐘。

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

鎳對金的擴散可能是在某些情況中對裝配的一個限定因素，如金熱聲波引線接合(gold thermalsonic wire-bonding)。在這個應用中，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。這個研究也證明在500°C溫度15分鐘內，沒有俄歇電子能譜學(Auger spectroscopy)所決定的銅擴散穿過2.5μm的鎳/鈀。

鎳錫金屬間化合物

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

金屬 溫度°C 擴散率(μinches/sec.)
金 450 486 117.9 167.5
銅 450 525 4.1 7.0
鈀 450 525 1.4 6.2
鎳 700 1.7
PCB材料在焊接中的擴散率

在鎳/金與錫/鉛系統(tǒng)中，金馬上溶入散錫之中。焊錫通過形成Ni3Sn4金屬間化合物形成對下面鎳的強附著性。應該沉淀足夠的鎳以保證焊錫將不會到達銅下面。Bader的測量表明不需要多過0.5μm的鎳來維持這個屏障層，甚至要經(jīng)歷超過六次的溫度巡回。實際上，所觀察到的大金屬間化合層厚度小于0.5μm(20μinch)。

多孔性

非電解鎳/金只是近才成為一種普通的終PCB表面涂層，因此工業(yè)程序可能對這種表面并不適合?，F(xiàn)在有一種用于測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-650 2.3.24.2)9。非電解鎳/浸金通不過這個測試。已經(jīng)開發(fā)出一個使用鐵氰化鉀的歐洲多孔性標準，來決定平面表面的相對多孔性，結果是以單位每平方毫米的小孔數(shù)(pores/mm2)給出的。一個好的平面表面應該在100倍放大系數(shù)下少于每平方毫米10個小孔。

結論

PCB制造工業(yè)由于成本、周期時間和材料兼容性的原因，對減少沉淀在電路板上的鎳的數(shù)量感興趣。小鎳的規(guī)格應該幫助防止銅對金表面的擴散、保持良好的焊接點強度、和較低的接觸電阻。大鎳的規(guī)格應該允許板制造的靈活性，因為沒有嚴重的失效方式是與厚的鎳沉淀有關的。

對于大多數(shù)今天的電路板設計，2.0μm(80μinches)的非電解鎳涂層是所要求的小鎳厚度。在實際操作中，在PCB的一個生產(chǎn)批號中將使用一個范圍的鎳厚度。鎳厚度的變化將是浸浴化學品特性的變化和自動起吊機器的駐留時間的變化結果。為了保證2.0μm的小值，來自終用戶的規(guī)格應該要求3.5μm，小為2.0μm，大為8.0μm。

鎳厚度的這個規(guī)定范圍已經(jīng)證明是適合于上百萬電路板的生產(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。因為裝配要求是從一個產(chǎn)品不同于另一個產(chǎn)品，表面涂層可能需要針對每個特殊應用進行優(yōu)化。