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技术文章:PCB表面最终涂层工艺种类
2006年8月18日 10:47   

   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)。
  铜 1.7 μΩcm
  金 2.4 μΩcm
  镍 7.4 μΩcm
  非电解镍镀层 55~90 μΩcm
  表一、PCB金属的电阻率

  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)。
  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%
      表二、镍/金的接触电阻(1000小时结果)