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PCB表面最终涂层处理技术

发布时间:2021年07月23日    点击:[24]人次

PCB表面最终涂层处理技术

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替代方法越来越多的结果。

最终涂层是用来保护电路铜箔的表面。铜(Cu)是焊接元件的很好的表面,但容易氧化;氧化铜阻碍焊锡的熔湿(wetting)。虽然现在使用金(Au)来覆盖铜,因为金不会氧化;金与铜会迅速相互扩散渗透。任何暴露的铜都将很快形成不可焊接的氧化铜。一个方法是使用镍(Ni)的“障碍层”,它防止金与铜转移和为元件的装配提供一个耐久的、导电性表面。

PCB对非电解镍涂层的要求

非电解镍涂层应该完成几个功能:

金沉淀的表面

电路的最终目的是在PCB与元件之间形成物理强度高、电气特性好的连接。如果在PCB表面存在任何氧化物或污染,这个焊接的连接用当今的弱助焊剂是不会发生的。

金自然地沉淀在镍上面,并在长期的储存中不会氧化。可是,金不会沉淀在氧化的镍上面,因此镍必须在镍浴(nickel bath)与金溶解之间保持纯净。这样,镍的第一个要求是保持无氧化足够长的时间,以允许金的沉淀。元件开发出化学浸浴,以允许在镍的沉淀中6~10%的磷含量。非电解镍涂层中的这个磷含量是作为浸浴控制、氧化物、和电气与物理特性的仔细平衡考虑的。

硬度

非电解镍涂层表面用在许多要求物理强度的应用中,如汽车传动的轴承。PCB的需要远没有这些应用严格,但是对于引线接合(wire-bonding)、触感垫的接触点、插件连接器(edge-connetor)和处理可持续性,一定的硬度还是重要的。

引线接合要求一个镍的硬度。如果引线使沉淀物变形,摩擦力的损失可能发生,它帮助引线“熔”到基板上。SEM照片显示没有渗透到平面镍/金或镍/钯(Pd)/金的表面。

电气特性

由于容易制作,铜是选作电路形成的金属。铜的导电性优越于几乎每一种金属(表一)1,2。金也具有良好的导电性,是最外层金属的完美选择,因为电子倾向于在一个导电路线的表面流动(“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

虽然多数生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的信号损失可超过设计者的规格。这个现象与镍的厚度成比例 - 电路需要穿过镍到达焊锡点。在许多应用中,电气信号可通过规定镍沉淀小于2.5μm恢复到设计规格之内。

接触电阻

接触电阻与可焊接性不同,因为镍/金表面在整个终端产品的寿命内保持不焊接。镍/金在长期环境暴露之后必须保持对外部接触的导电性。Antler的1970年著作以数量表示镍/金表面的接触要求。研究了各种最终使用环境:3“65°C,在室温下工作的电子系统的一个正常最高温度,如计算机;125°C,通用连接器必须工作的温度,经常为军事应用所规定;200°C,这个温度对飞行设备变得越来越重要。”

对于低温环境,不需要镍的屏障。随着温度的升高,要求用来防止镍/金转移的镍的数量增加(表二)。

表二、镍/金的接触电阻(1000小时结果)

镍屏障层 65°C时的满意接触 125°C时的满意接触 200°C时的满意接触

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的研究中使用的镍是电镀的。预计从非电解镍中将得到改善,如Baudrand所证实的4。可是,这些结果是对0.5 μm的金,这里平面通常沉淀0.2 μm。平面可以推断对于在125°C操作的接触元件是足够的,但更高的温度元件将要求专门的测试。

Antler建议:“镍越厚,屏障越好,在所有情况中都是如此,但是PCB制造的实际情况鼓励工程师只沉淀所需要的镍量。平面镍/金现在已经用于那些使用触感垫接触点的蜂窝电话和寻呼机。这类元件的规格是至少2 μm镍。(待续)

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