PCB板表面最終涂層種類介紹

       PCB制造的最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(duì)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(jié)果。
　　最終涂層是用來保護(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，并在長期的儲(chǔ)存中不會(huì)氧化?？墒牵鸩粫?huì)沉淀在氧化的鎳上面，因此鎳必須在鎳浴(nickel bath)與金溶解之間保持純凈。這樣，鎳的第一個(gè)要求是保持無氧化足夠長的時(shí)間，以允許金的沉淀。元件開發(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 1.7 μΩcm
　　金 2.4 μΩcm
　　鎳 7.4 μΩcm
　　非電解鎳鍍層 55~90 μΩcm
　　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 - 電路需要穿過鎳到達(dá)焊錫點(diǎn)。在許多應(yīng)用中，電氣信號(hào)可通過規(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)常為軍事應(yīng)用所規(guī)定；200°C，這個(gè)溫度對(duì)飛行設(shè)備變得越來越重要?！?br /> 　　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
　　0.0 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)0.5 μm的金，這里平面通常沉淀0.2 μm。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(dòng)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(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(60~90 Knoop)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源。
　　銅對(duì)鎳的擴(kuò)散
　　銅通過鎳的轉(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、銅穿過鎳向金的滲透　
　　鎳厚度 400°C 24小時(shí) 400°C 53小時(shí) 550°C 12小時(shí)
　　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(kuò)散 　　　　無擴(kuò)散 　　　　無擴(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。”
　　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)到很長的時(shí)間。這些表面的一個(gè)常見試驗(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(gold thermalsonic wire-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)，沒有俄歇電子能譜學(xué)(Auger spectroscopy)所決定的銅擴(kuò)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(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 　　　450 486 117.9 167.5
　　銅 　　　450 525 4.1 7.0
　　鈀 　　　450 525 1.4 6.2
　　鎳 　　　700 1.7

　　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(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0.5μm的鎳來維持這個(gè)屏障層，甚至要經(jīng)歷超過六次的溫度巡回。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。現(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-650 2.3.24.2)9。非電解鎳/浸金通不過這個(gè)測(cè)試。已經(jīng)開發(fā)出一個(gè)使用鐵氰化鉀的歐洲多孔性標(biāo)準(zhǔn)，來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]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。