PCB制造的終涂層工藝在近年來(lái)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(lái)越多的結果。 終涂層是用來(lái)保護電路銅箔的表面。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


PCB制造的終涂層工藝在近年來(lái)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(lái)越多的結果。

終涂層是用來(lái)保護電路銅箔的表面。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)。雖然現在使用金(Au)來(lái)覆蓋銅，因為金不會(huì )氧化；金與銅會(huì )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(gè)方法是使用鎳(Ni)的“障礙層”，它防止金與銅轉移和為元件的裝配提供一個(gè)耐久的、導電性表面。

PCB對非電解鎳涂層的要求

非電解鎳涂層應該完成幾個(gè)功能：

金沉淀的表面

電路的終目的是在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(gè)焊接的連接用當今的弱助焊劑是不會(huì )發(fā)生的。

金自然地沉淀在鎳上面，并在長(cháng)期的儲存中不會(huì )氧化?？墒?，金不會(huì )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，鎳的一個(gè)要求是保持無(wú)氧化足夠長(cháng)的時(shí)間，以允許金的沉淀。元件開(kāi)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(gè)磷含量是作為浸浴控制、氧化物、和電氣與物理特性的仔細平衡考慮的。

硬度

非電解鎳涂層表面用在許多要求物理強度的應用中，如汽車(chē)傳動(dòng)的軸承。PCB的需要遠沒(méi)有這些應用嚴格，但是對于引線(xiàn)接合(wire-bonding)、觸感墊的接觸點(diǎn)、插件連接器(edge-connetor)和處理可持續性，一定的硬度還是重要的。

引線(xiàn)接合要求一個(gè)鎳的硬度。如果引線(xiàn)使沉淀物變形，摩擦力的損失可能發(fā)生，它幫助引線(xiàn)“熔”到基板上。SEM照片顯示沒(méi)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。銅的導電性?xún)?yōu)越于幾乎每一種金屬(表一)1,2。金也具有良好的導電性，是外層金屬的完美選擇，因為電子傾向于在一個(gè)導電路線(xiàn)的表面流動(dòng)(“表層”效益)。

銅 1.7 μΩcm
金 2.4 μΩcm
鎳 7.4 μΩcm
非電解鎳鍍層 55~90 μΩcm
表一、PCB金屬的電阻率

雖然多數生產(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(guò)設計者的規格。這個(gè)現象與鎳的厚度成比例 - 電路需要穿過(guò)鎳到達焊錫點(diǎn)。在許多應用中，電氣信號可通過(guò)規定鎳沉淀小于2.5μm恢復到設計規格之內。

接觸電阻

接觸電阻與可焊接性不同，因為鎳/金表面在整個(gè)終端產(chǎn)品的壽命內保持不焊接。鎳/金在長(cháng)期環(huán)境暴露之后必須保持對外部接觸的導電性。Antler的1970年著(zhù)作以數量表示鎳/金表面的接觸要求。研究了各種終使用環(huán)境：3“65°C，在室溫下工作的電子系統的一個(gè)正常高溫度，如計算機；125°C，通用連接器必須工作的溫度，經(jīng)常為軍事應用所規定；200°C，這個(gè)溫度對飛行設備變得越來(lái)越重要。”

對于低溫環(huán)境，不需要鎳的屏障。隨著(zhù)溫度的升高，要求用來(lái)防止鎳/金轉移的鎳的數量增加(表二)。

鎳屏障層 65°C時(shí)的滿(mǎn)意接觸 125°C時(shí)的滿(mǎn)意接觸 200°C時(shí)的滿(mǎn)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%
表二、鎳/金的接觸電阻(1000小時(shí)結果)

在A(yíng)ntler的研究中使用的鎳是電鍍的。預計從非電解鎳中將得到改善，如Baudrand所證實(shí)的4?？墒?，這些結果是對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(zhuān)門(mén)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(shí)際情況鼓勵工程師只沉淀所需要的鎳量。平面鎳/金現在已經(jīng)用于那些使用觸感墊接觸點(diǎn)的蜂窩電話(huà)和尋呼機。這類(lèi)元件的規格是至少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(dòng)合其他無(wú)焊接連接器的電路板生產(chǎn)。

插件連接器要求更長(cháng)的物理耐久性。在這些情況中，非電解鎳涂層對于PCB應用的強度是足夠的，但是浸金則不夠。很薄的純金(60~90 Knoop)在重復摩擦時(shí)會(huì )從鎳上摩損掉。當金去掉后，暴露的鎳很快氧化，結果增加接觸電阻。

非電解鎳涂層/浸金可能不是那些在整個(gè)產(chǎn)品壽命內經(jīng)受多次插入的插件連接器的佳選擇。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(gè)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(lái)源。

銅對鎳的擴散

銅通過(guò)鎳的轉移結果將是銅對表面金的分解。銅將很快氧化，造成裝配時(shí)的可焊性差，這發(fā)生在漏鍍鎳的情況。鎳需要用來(lái)防止空板儲運期間和當板的其他區域已經(jīng)焊接時(shí)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(guò)不同的屏障層對銅和金的作用。他們發(fā)現“...在400°C和550°C時(shí)銅滲透值的比較顯示，有8~10%磷含量的六價(jià)鉻與鎳是所研究的有效的屏障層”。(表三)

鎳厚度 400°C 24小時(shí) 400°C 53小時(shí) 550°C 12小時(shí)
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(wú)擴散 無(wú)擴散 無(wú)擴散
表三、銅穿過(guò)鎳向金的滲透

按照Arrhenius方程，在較低溫度下的擴散是成指數地慢。有趣的是，在這個(gè)試驗中，非電解鎳比電鍍鎳效率高2~10倍。Turn與Owen指出“...一個(gè)(8%)這種合金的2μm(80μinch)屏障將銅的擴散減少到一個(gè)可以忽略的地步。”

從這個(gè)極端溫度試驗看出，少2μm的鎳厚度是一個(gè)安全的規格。

鎳對金的擴散

非電解鎳的二要求是鎳不要穿過(guò)浸金的“顆粒”或“細孔”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到很長(cháng)的時(shí)間。這些表面的一個(gè)常見(jiàn)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(shí)間條件。這些研究已經(jīng)顯示鎳受到浸金的充分保護，在長(cháng)時(shí)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(gè)限定因素，如金熱聲波引線(xiàn)接合(gold thermalsonic wire-bonding)。在這個(gè)應用中，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0.5μm的鈀可防止甚至在極端溫度的遷移。這個(gè)研究也證明在500°C溫度15分鐘內，沒(méi)有俄歇電子能譜學(xué)(Auger spectroscopy)所決定的銅擴散穿過(guò)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)。

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
PCB材料在焊接中的擴散率

在鎳/金與錫/鉛系統中，金馬上溶入散錫之中。焊錫通過(guò)形成Ni3Sn4金屬間化合物形成對下面鎳的強附著(zhù)性。應該沉淀足夠的鎳以保證焊錫將不會(huì )到達銅下面。Bader的測量表明不需要多過(guò)0.5μm的鎳來(lái)維持這個(gè)屏障層，甚至要經(jīng)歷超過(guò)六次的溫度巡回。實(shí)際上，所觀(guān)察到的大金屬間化合層厚度小于0.5μm(20μinch)。

多孔性

非電解鎳/金只是近才成為一種普通的終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(guò)這個(gè)測試。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一個(gè)使用鐵氰化鉀的歐洲多孔性標準，來(lái)決定平面表面的相對多孔性，結果是以單位每平方毫米的小孔數(pores/mm2)給出的。一個(gè)好的平面表面應該在100倍放大系數下少于每平方毫米10個(gè)小孔。

結論

PCB制造工業(yè)由于成本、周期時(shí)間和材料兼容性的原因，對減少沉淀在電路板上的鎳的數量感興趣。小鎳的規格應該幫助防止銅對金表面的擴散、保持良好的焊接點(diǎn)強度、和較低的接觸電阻。大鎳的規格應該允許板制造的靈活性，因為沒(méi)有嚴重的失效方式是與厚的鎳沉淀有關(guān)的。

對于大多數今天的電路板設計，2.0μm(80μinches)的非電解鎳涂層是所要求的小鎳厚度。在實(shí)際操作中，在PCB的一個(gè)生產(chǎn)批號中將使用一個(gè)范圍的鎳厚度。鎳厚度的變化將是浸浴化學(xué)品特性的變化和自動(dòng)起吊機器的駐留時(shí)間的變化結果。為了保證2.0μm的小值，來(lái)自終用戶(hù)的規格應該要求3.5μm，小為2.0μm，大為8.0μm。

鎳厚度的這個(gè)規定范圍已經(jīng)證明是適合于上百萬(wàn)電路板的生產(chǎn)的。該范圍滿(mǎn)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(gè)產(chǎn)品不同于另一個(gè)產(chǎn)品，表面涂層可能需要針對每個(gè)特殊應用進(jìn)行優(yōu)化。