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(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(zhuǎn)移和為元件的裝配提供一個耐久的、導(dǎo)電性表面。
PCB對非電解鎳涂層的要求
非電解鎳涂層應(yīng)該完成幾個功能：
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(dāng)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。可是，金不會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(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度的應(yīng)用中，如汽車傳動的軸承。PCB的需要遠(yuǎn)沒有這些應(yīng)用嚴(yán)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(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，因為電子傾向于在一個導(dǎo)電路線的表面流動(“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，鎳可影響高頻信號的電氣特性。微波PCB的信號損失可超過設(shè)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(dá)焊錫點。在許多應(yīng)用中，電氣信號可通過規(guī)定鎳沉淀小于2.5μm恢復(fù)到設(shè)計規(guī)格之內(nèi)。
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(nèi)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(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)的一個正常最高溫度，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(yīng)用所規(guī)定；200°C，這個溫度對飛行設(shè)備變得越來越重要?！?/P>
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(zhuǎn)移的鎳的數(shù)量增加(表二)。
表二、鎳/金的接觸電阻(1000小時結(jié)果)
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%
在Antler的研究中使用的鎳是電鍍的。預(yù)計從非電解鎳中將得到改善，如Baudrand所證實的4。可是，這些結(jié)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(yīng)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(fù)摩擦?xí)r會從鎳上摩損掉。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(zhuǎn)移結(jié)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(dāng)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 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
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，最少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(jìn)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(hù)，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(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(nèi)，沒有俄歇電子能譜學(xué)(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)。
表四、PCB材料在焊接中的擴散率
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
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(yīng)該沉淀足夠的鎳以保證焊錫將不會到達(dá)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(biāo)準(zhǔn)，來決定平面表面的相對多孔性，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個小孔。
結(jié)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。最小鎳的規(guī)格應(yīng)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。最大鎳的規(guī)格應(yīng)該允許板制造的靈活性，因為沒有嚴(yán)重的失效方式是與厚的鎳沉淀有關(guān)的。
對于大多數(shù)今天的電路板設(shè)計，2.0μm(80μinches)的非電解鎳涂層是所要求的最小鎳厚度。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(圖二)。鎳厚度的變化將是浸浴化學(xué)品特性的變化和自動起吊機器的駐留時間的變化結(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(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。