2022年PCB表面最终涂层种类介.doc

《2022年PCB表面最终涂层种类介.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年PCB表面最终涂层种类介.doc（9页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、PCB外表最终涂层品种介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外表。铜(Cu)是焊接元件的非常好的外表，但容易氧化；氧化铜阻碍焊锡的熔湿(wetting)。尽管如今使用金(Au)来覆盖铜，由于金不会氧化；金与铜会迅速互相扩散浸透。任何暴露的铜都将非常快构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、导电性外表。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：金沉淀的外

2、表电路的最终目的是在PCB与元件之间构成物理强度高、电气特性好的连接。假如在PCB外表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。但是，金不会沉淀在氧化的镍上面，因而镍必须在镍浴(nickel bath)与金溶解之间保持纯洁。如此，镍的第一个要求是保持无氧化足够长的时间，以同意金的沉淀。元件开发出化学浸浴，以同意在镍的沉淀中610%的磷含量。非电解镍涂层中的这个磷含量是作为浸浴操纵、氧化物、和电气与物理特性的细心平衡考虑的。硬度非电解镍涂层外表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

3、是关于引线接合(wire-bonding)、触感垫的接触点、插件连接器(edge-connetor)和处理可持续性，一定的硬度依然重要的。引线接合要求一个镍的硬度。假如引线使沉淀物变形，摩擦力的损失可能发生，它协助引线“熔”到基板上。SEM照片显示没有浸透到平面镍/金或镍/钯(Pd)/金的外表。电气特性由于容易制造，铜是选作电路构成的金属。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，是最外层金属的完满选择，由于电子倾向于在一个导电道路的外表流淌(“表层”效益)。表一、PCB金属的电阻率铜 1.7 cm 金 2.4 cm 镍 7.4 cm 非电解镍镀层 5590 cm 尽

4、管多数消费板的电气特性不受镍层妨碍，镍可妨碍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2.5m恢复到设计规格之内。接触电阻接触电阻与可焊接性不同，由于镍/金外表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/金外表的接触要求。研究了各种最终使用环境：3“65C，在室温下工作的电子系统的一个正常最高温度，如计算机；125C，通用连接器必须工作的温度，经常为军事应用所规定；200C，这个温度对飞行设备变得

5、越来越重要。”关于低温环境，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 65C时的满意接触 125C时的满意接触 200C时的满意接触 0.0 m 100% 40% 0% 0.5 m 100% 90% 5% 2.0 m 100% 100% 10% 4.0 m 100% 100% 60% 在Antler的研究中使用的镍是电镀的。估计从非电解镍中将得到改善，如Baudrand所证明的4。但是，这些结果是对0.5 m的金，这里平面通常沉淀0.2 m。平面能够推断关于在125C操作的接触元件是足够的，但更高的温度元件

6、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制造的实际情况鼓舞工程师只沉淀所需要的镍量。平面镍/金如今已经用于那些使用触感垫接触点的蜂窝和寻呼机。这类元件的规格是至少2 m镍。连接器非电解镍/浸金使用于含有弹簧配合、压入配合、低压滑动合其他无焊接连接器的电路板消费。插件连接器要求更长的物理耐久性。在这些情况中，非电解镍涂层关于PCB应用的强度是足够的，但是浸金则不够。非常薄的纯金(6090 Knoop)在重复摩擦时会从镍上摩损掉。当金去掉后，暴露的镍非常快氧化，结果增加接触电阻。非电解镍涂层/浸金可能不是那些在整个产品寿命内经受屡次插入的插件连接器的

7、最正确选择。推荐镍/钯/金外表用于多用处连接器。屏障层非电解镍在板上有三个屏障层的功能：1)防止铜对金的扩散；2)防止金对镍的扩散；3)Ni3Sn4金属间化合物构成的镍的来源。铜对镍的扩散铜通过镍的转移结果将是铜对外表金的分解。铜将非常快氧化，造成装配时的可焊性差，这发生在漏镀镍的情况。镍需要用来防止空板储运期间和当板的其他区域已经焊接时的装配期间的迁移扩散。因而，屏障层的温度要求是低于250C之下少于一分钟。Turn与Owen6研究过不同的屏障层对铜和金的作用。他们发觉“.在400C和550C时铜浸透值的比拟显示，有810%磷含量的六价铬与镍是所研究的最有效的屏障层”。(表三)表三、铜穿过镍

8、向金的浸透镍厚度 400C 24小时 400C 53小时 550C 12小时 0.25 m 1 m 12 m 18 m 0.50 m 1 m 6 m 15 m 1.00 m 1 m 1 m 8 m 2.00 m 无扩散 无扩散 无扩散按照Arrhenius方程，在较低温度下的扩散是成指数地慢。有趣的是，在这个试验中，非电解镍比电镀镍效率高210倍。Turn与Owen指出“.一个(8%)这种合金的2m(80inch)屏障将铜的扩散减少到一个能够忽略的地步。”从这个极端温度试验看出，最少2m的镍厚度是一个平安的规格。镍对金的扩散非电解镍的第二要求是镍不要穿过浸金的“颗粒”或“细孔”迁移。假如镍与空

9、气接触，它将氧化。氧化镍是不可焊接和用助焊剂去掉困难的。有几篇文章是关于镍和金用于陶瓷芯片载体的。这些材料经受装配的极端温度到达非常长的时间。这些外表的一个常见试验是500C温度15分钟。为了评估平面非电解镍/浸金外表防止镍氧化的才能，进展了温度老化外表的可焊性研究。测试了不同的热/湿度和时间条件。这些研究已经显示镍遭到浸金的充分保护，在长时的老化之后同意良好的可焊性。镍对金的扩散可能是在某些情况中对装配的一个限定要素，如金热声波引线接合(gold thermalsonic wire-bonding)。在这个应用中，镍/金外表比镍/钯/金外表更次一些。Iacovangelo研究了钯作为镍与金的

10、障碍层的扩散特性，发觉0.5m的钯可防止甚至在极端温度的迁移。这个研究也证明在500C温度15分钟内，没有俄歇电子能谱学(Auger spectroscopy)所决定的铜扩散穿过2.5m的镍/钯。镍锡金属间化合物在外表贴装或波峰焊接运转期间，从PCB外表的原子将与焊锡原子混合，决定于金属的扩散特性和构成“金属间化合物”的才能(表四)。表四、PCB材料在焊接中的扩散率金属 温度C 扩散率(inches/sec.) 金 450 486 117.9 167.5 铜 450 525 4.1 7.0 钯 450 525 1.4 6.2 镍 700 1.7 在镍/金与锡/铅系统中，金立即溶入散锡之中。焊锡

11、通过构成Ni3Sn4金属间化合物构成对下面镍的强附着性。应该沉淀足够的镍以保证焊锡将不会到达铜下面。Bader的测量说明不需要多过0.5m的镍来维持这个屏障层，甚至要经历超过六次的温度巡回。实际上，所观察到的最大金属间化合层厚度小于0.5m(20inch)。多孔性非电解镍/金只是最近才成为一种一般的最终PCB外表涂层，因而工业程序可能对这种外表并不合适。如今有一种用于测试用作插件连接器的电解镍/金的多孔性的硝酸蒸汽工艺(IPC-TM-650 2.3.24.2)9。非电解镍/浸金通不过这个测试。已经开发出一个使用铁氰化钾的欧洲多孔性标准，来决定平面外表的相对多孔性，结果是以单位每平方毫米的小孔数

12、(pores/mm2)给出的。一个好的平面外表应该在100倍放大系数下少于每平方毫米10个小孔。结论PCB制造工业由于本钱、周期时间和材料兼容性的缘故，对减少沉淀在电路板上的镍的数量感兴趣。最小镍的规格应该协助防止铜对金外表的扩散、保持良好的焊接点强度、和较低的接触电阻。最大镍的规格应该同意板制造的灵敏性，由于没有严峻的失效方式是与厚的镍沉淀有关的。关于大多数今天的电路板设计，2.0m(80inches)的非电解镍涂层是所要求的最小镍厚度。在实际操作中，在PCB的一个消费批号中将使用一个范围的镍厚度(图二)。镍厚度的变化将是浸浴化学品特性的变化和自动起吊机器的驻留时间的变化结果。为了保证2.0m的最小值，来自最终用户的规格应该要求3.5m，最小为2.0m，最大为8.0m。镍厚度的这个规定范围已经证明是合适于上百万电路板的消费的。该范围满足可焊性、货架寿命和今天电子产品的接触要求。由于装配要求是从一个产品不同于另一个产品，外表涂层可能需要针对每个特别应用进展优化。