PCB表面最终涂层种类介绍

文章摘要：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生产。插件连接器要求更长的物理耐久性。在这些情况中，非电解镍涂层对于PCB应用的强度是足够的，但是浸金则不够。很薄的纯金(60~90 Knoop)在重复摩擦时会从镍上摩损掉。当金去掉后，暴露的镍很快氧化，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多次插入的插件连接器的最佳选择。推荐镍/钯/金表面用于多用途连接器。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金属间化合物形成的镍的来源。铜对镍的扩散铜通过镍的转移结果将是铜对表面金的分

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　　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生产。

　　插件连接器要求更长的物理耐久性。在这些情况中，非电解镍涂层对于PCB应用的强度是足够的，但是浸金则不够。很薄的纯金(60~90 Knoop)在重复摩擦时会从镍上摩损掉。当金去掉后，暴露的镍很快氧化，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多次插入的插件连接器的最佳选择。推荐镍/钯/金表面用于多用途连接器。

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金属间化合物形成的镍的来源。

　　铜对镍的扩散

　　铜通过镍的转移结果将是铜对表面金的分解。铜将很快氧化，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。因此，屏障层的温度要求是低于250°C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。他们发现“...在400°C和550°C时铜渗透值的比较显示，有8~10%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、铜穿过镍向金的渗透　

　　镍厚度 400°C 24小时 400°C 53小时 550°C 12小时
　　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 　　　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2~10倍。Turn与Owen指出“...一个(8%)这种合金的2µm(80µinch)屏障将铜的扩散减少到一个可以忽略的地步。”

　　从这个极端温度试验看出，最少2µm的镍厚度是一个安全的规格。

　　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。如果镍与空气接触，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达到很长的时间。这些表面的一个常见试验是500°C温度15分钟。

　　为了评估平面非电解镍/浸金表面防止镍氧化的能力，进行了温度老化表面的可焊性研究。测试了不同的热/湿度和时间条件。这些研究已经显示镍受到浸金的充分保护，在长时的老化之后允许良好的可焊性。

　　镍对金的扩散可能是在某些情况中对装配的一个限定因素，如金热声波引线接合(gold thermalsonic wire-bonding)。在这个应用中，镍/金表面比镍/钯/金表面更次一些。Iacovangelo研究了钯作为镍与金的障碍层的扩散特性，发现0.5µm的钯可防止甚至在极端温度的迁移。这个研究也证明在500°C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2.5µm的镍/钯。

　　镍锡金属间化合物

　　在表面贴装或波峰焊接运行期间，从PCB表面的原子将与焊锡原子混合，决定于金属的扩散特性和形成“金属间化合物”的能力(表四)。

　　表四、PCB材料在焊接中的扩散率

　　金属 　　温度°C 　　扩散率(µinches/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，金马上溶入散锡之中。焊锡通过形成Ni3Sn4金属间化合物形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的测量表明不需要多过0.5µm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0.5µm(20µinch)。

　　多孔性

　　非电解镍/金只是最近才成为一种普通的最终PCB表面涂层，因此工业程序可能对这种表面并不适合。现在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，来决定平面表面的相对多孔性，结果是以单位每平方毫米的小孔数(pores/mm2)给出的。一个好的平面表面应该在100倍放大系数下少于每平方毫米10个小孔。

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