Почему погружение никеля имеет решающее значение перед погружением золота в поверхностные отделки ПКБ

В мире производства печатных пластин поверхностные отделки являются незаслуженными героями, которые защищают медные подложки, обеспечивают надежное запорство и продлевают срок службы доски.Среди наиболее надежных отделки является электролесное никелевое погружение золото (ENIG)Но что делает ENIG столь эффективным? Ответ кроется в его двухслойной структуре: основание из погружения никеля,с тонким слоем погруженного золотаВ то время как золото привлекает большое внимание своей коррозионной устойчивостью, слой никеля является неизвестной рабочей лошадью, без которой ENIG терпит неудачу.Вот почему погруженный никель не подлежит обсуждению перед погруженным золотом., и как он обеспечивает производительность ПХБ в критических приложениях.

Роль погружения никеля: больше, чем просто средний слой
Никель погружения располагается между медными подложками ПХБ и внешним золотым слоем, выполняя три незаменимые функции, которые делают ENIG золотым стандартом для высоконадежной электроники.

1Защита от барьера: предотвращение диффузии меди
Медь является отличным проводником, но она химически реактивна, особенно при воздействии на золото.Эта смесь разрушает целостность золота.Результат - ослабление сварных соединений, деградация сигнала и преждевременный отказ.

Его кристаллическая структура достаточно плотная, чтобы блокировать выход ионов меди к золоту, даже в условиях высокой температуры (например, во время рефлюмовой сварки).Испытания показывают, что слой никеля 3 ‰ 5 мкм уменьшает диффузию меди более чем на 99% по сравнению с золотом, покрытым непосредственно меди..

2Улучшение сварной способности: основа крепких суставов
Для печатных пластмасс сварчивость заключается не только в том, что они прилипают, но и в том, что они формируют прочные, последовательные связи, которые выдерживают температурные циклы, вибрации и время.

a.Плоская, равномерная поверхность: в отличие от голый меди (которая быстро окисляется) или грубой отделки (например, HASL), никель создает гладкую, равномерную основу для сварки.уменьшение дефектов, таких как “поля сварки” или “холодные соединения”.??
b. Контролируемое межметаллическое образование: во время сварки никель вступает в реакцию с оловом в сварке, образуя Ni3Sn4, сильное межметаллическое соединение, которое блокирует соединение на месте.медь в реакции с оловами образует Cu6Sn5, который хрупкий и склонный к трещинам под давлением.

Исследование IPC показало, что сварные соединения ENIG (с никелем) выдерживают в 3 раза больше тепловых циклов (-55°C - 125°C) чем соединения, использующие позолоченную медь без никеля.

3Механическая прочность: предотвращает деламинирование и износ
ПХБ подвергаются постоянному механическому напряжению от вставки/удаления соединителей до вибрации в автомобильной или аэрокосмической среде.

a.Адхезия: Никель плотно связывается как с медью, так и с золотом, предотвращая деламинирование (очищение), которое подвергает медь коррозии.
b.Устойчивость к износу: в то время как золото мягкое, твердость никеля (200-300 HV) защищает отделку от царапин во время обработки или сборки, что необходимо для ПХБ в прочных устройствах, таких как промышленные датчики.

Процесс ENIG: как никель и золото работают вместе
ENIG - это не просто "покрытие никелем, а затем золотом", это точный химический процесс, который зависит от уникальных свойств каждого слоя.

Шаг 1: Осаждение никеля по погружению
В отличие от электропластировки (которая использует электричество), погруженный никель образуется посредством химической реакции:ионы никеля в ванне уменьшаются и оседают на поверхности меди, в то время как медь окисляется и растворяется в растворе.

a,Сложность толщины: слои никеля строго контролируются в пределах от 3 до 7 мкм. Слишком тонкий (< 3 мкм) и не работает как барьер; слишком толстый (> 7 мкм) и становится хрупким, рискуя трещинами при изгибе.
b. Содержание фосфора: большинство никеля ENIG содержит 711% фосфора, что повышает коррозионную стойкость и уменьшает напряжение в слое.

Шаг 2: Осаждение золота по погружению
После того, как никелевый слой отвердевает, ПКБ погружается в золотое ванно.2 мкм), которая уплотняет никель.

Роль золота заключается в защите никеля от окисления перед сваркой.Он достаточно тонкий, чтобы раствориться в сварке во время сборки (открывая никель для межметаллического образования), но достаточно толстый, чтобы противостоять запятнанию во время хранения (до 12+ месяцев).

Почему нельзя пропустить этот двухэтапный процесс
Золото само по себе не может заменить слой никеля. Золото слишком мягкое, чтобы блокировать диффузию меди, и оно не образует сильных межметаллических соединений с пайкой.Золото, нанесенное непосредственно на медь, создает гальваническую пару, которая ускоряет коррозию.Волшебство ENIG заключается в синергии: никель блокирует диффузию и обеспечивает сильную сварку, а золото защищает никель от окисления.

Что происходит, когда николь не используется?
Некоторые производители пытаются сократить расходы, исключая никель или используя низкие слои.но последствия серьезны, особенно для ПХБ в критических приложениях, таких как медицинские устройства или аэрокосмические системы.

1. "Черный блок" - наиболее распространенная катастрофа
Чёрная подкладка - это страшный дефект, когда слой никеля разрушается, оставляя темный, пористый остаток между золотом и меди.или подвергались воздействию загрязняющих веществБез нетронутого никелевого барьера золото-медный интерфейс разрушается, делая невозможным сварку. Соединения либо не будут прилипать, либо оттягиваться с минимальной силой.

Исследование, проведенное IPC, показало, что 80% сбоев ENIG в ПКБ для аэрокосмической промышленности связаны с недостаточными слоями никеля, что обходится производителям в среднем в 50 000 долларов США за партию в переработке и задержке.

2Коррозия и окисление
Никель гораздо более устойчив к коррозии, чем медь. без него медные подушки быстро окисляются, даже при контролируемом хранении.что приводит к "сухим соединениям", которые отказываются под электрической нагрузкой.Например, телекоммуникационная компания, использующая позолоченные (без никеля) ПХБ в базовых станциях 5G, сообщила о 30%-ном уровне отказов в течение 6 месяцев из-за окисления по сравнению с 0,5% с ENIG.

3- Плохая надежность сварного соединения.
Если у него нет никеля, то он слабо прилепится к позолоченной меди, создавая соединения, которые трескаются при тепловых или механических нагрузках.В автомобильных ПХБ (подвержены вибрациям и колебаниям температуры), это приводит к периодическим сбоям в критических системах, таких как ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) — риску, который не может себе позволить ни один из производителей.

ENIG против других отделочных материалов: почему никель делает разницу
ENIG - это не единственная отделка ПКБ, но ее никелевый слой дает ей преимущества, которые не могут сравниться с альтернативами.

Никелевый слой ENIG является причиной его превосходства над другими в суровой среде, например, в морских приложениях (высокая влажность, воздействие соли),ПХБ ENIG длится в 5 раз дольше, чем те, которые имеют HASL или OSP отделки.

Лучшая практика погружения никеля в ENIG
Чтобы получить максимальную пользу от никеля, производители должны соблюдать строгие стандарты толщины, чистоты и контроля процесса.

1Контроль толщины: 3 ‰ 7 μm не подлежит обсуждению.
Как отмечалось, слои никеля, тоньше 3 мкм, не работают как барьеры, в то время как слои толщиной более 7 мкм становятся хрупкими.IPC-4552 (мировой стандарт для безэлектроника никель) требует допуска ± 1 мкм для обеспечения последовательностиВедущие производители используют рентгеновскую флуоресценцию (XRF) для проверки толщины на 100% прокладок.

2Содержание фосфора: 711% для оптимальной производительности
Никель-фосфорные сплавы с содержанием фосфора в 711% балансируют твердость и коррозионную устойчивость.

3. Процесс мониторинга: избегание "черной подкладки"
Чёрная прокладка возникает при плохом обслуживании никелевой ванны (например, неправильный pH, загрязненные химические вещества).

a. Проверяйте химию ванны ежедневно (идеально pH 4,5−5,5).
b.Фильтровать ванну для удаления загрязняющих частиц.
c. Использовать автоматизированное оборудование для окрашивания для обеспечения единообразного оседания.

Влияние на реальный мир: ENIG в критических приложениях
Надежность ENIG, обеспечиваемая ее никелевым слоем, делает ее незаменимой в тех областях, где отказ не является вариантом:

a.Медицинские устройства: кардиостимуляторы и дефибрилляторы используют ENIG для обеспечения устойчивости сварных суставов к жидкостям тела и колебаниям температуры более 10 лет.
b.Аэрокосмическая промышленность: ПХБ спутников используют ENIG для устойчивости к радиации и экстремальным колебаниям температуры (от 200 до 150 °C) без коррозии.
c.5G инфраструктура: плоская поверхность ENIG поддерживает тонкозвуковые BGA (0,4 мм) в базовых станциях, обеспечивая стабильные высокочастотные сигналы (28+ ГГц).

Частые вопросы
Вопрос: Что происходит, если погруженный никель слишком тонкий (<3 мкм)?
О: Тонкий никель не может блокировать диффузию меди, что приводит к окислению, ломкости золота и слабым соединителям для сварки.

Вопрос: Могут ли другие металлы заменить никель в ENIG?
Ответ: Нет. Альтернативы, такие как палладий, дорогие и не образуют те же сильные межметаллические соединения с пайкой. Никель является единственным материалом, который уравновешивает барьерную защиту, сварную способность и стоимость.

Вопрос: Как долго никел погружения держится в ENIG?
A: При правильном покрытии (толщина 37μm, 711% фосфора) никель остается эффективным на протяжении жизни ПХБ, часто более 10 лет в контролируемой среде.

Вопрос: Почему ENIG дороже, чем другие отделочные материалы?
Ответ: стоимость ENIG отражает точность двухслойного процесса, включающего высокочистый никель и золото, и строгий контроль качества.специально для высококачественной электроники.

Заключение
Никель для погружения не является последующей мыслью в ENIG. это основа. его роль как барьер против диффузии меди, способствует сильным сварным соединениям,и защитный элемент от механического напряжения делает его незаменимымПропускание никеля или резка углов на его толщине не только ухудшает отделку, но и ставит под угрозу всю производительность ПХБ, особенно в критических применениях.

Для инженеров и производителей послание ясное: при определении ENIG следует отдавать приоритет никелевому слою.