Proč používat zlato spíše než stříbro a měď při výrobě PCB?

Desky s plošnými spoji (PCB) tvoří páteř elektroniky, poskytují mechanickou podporu a elektrické spojení mezi součástmi. Podložky a stopy na deskách plošných spojů jsou obvykle vyrobeny z mědi, která snadno oxiduje, když je vystavena vzduchu. Tato oxidace může zhoršit pájitelnost a elektrický výkon. K ochraně mědi před korozí se proto nanášejí povrchové úpravy jako zlato, stříbro nebo organické povlaky.

Tento článek zkoumá důvody použití drahého pozlacení oproti levnějšímu stříbru nebo mědi při výrobě PCB.

Přehled běžných povrchových úprav desek plošných spojů

Exponované stopy mědi na deskách plošných spojů jsou pokryty kovovými povlaky nebo organickými filmy, aby se zabránilo oxidaci. Mezi oblíbené kovové povrchové úpravy patří:

• Imerzní stříbro – proces chemického stříbření
• Organické konzervanty pájitelnosti (OSP) – Organické ochranné fólie
• Elektrolytický nikl/zlato – Elektrolytický nikl jako podklad zlata
• Bezproudový nikl/imerzní zlato (ENIG) – Bezproudový nikl a poté imerzní zlato

Z nich ENIG a elektrolytický nikl/zlato využívají zlato k maximalizaci odolnosti proti korozi a vodivosti. Ale zlato je také nejdražší povrchová úprava.

Potřeba povrchových úprav na deskách plošných spojů

Desky plošných spojů fungují jako platforma pro montáž a propojování elektronických součástek. Měděné stopy vyleptané na deskách plošných spojů poskytují vodivé cesty pro signály a napájení.

Měď však snadno tvoří nevodivý oxid mědi, když je vystavena kyslíku a vlhkosti. Tato oxidace může začít již při samotné výrobě DPS, když je vystavena měď.

Proces oxidace pokračuje, když je holá měď vystavena okolnímu prostředí. To platí zejména pro pájecí plošky, které je třeba později připájet k připevnění součástek. Tvorba oxidu na destičkách zhoršuje pájitelnost.

Kromě toho oxidace zvyšuje měrný odpor, což zhoršuje elektrickou konektivitu. Špatné pájené spoje v důsledku toho mohou způsobit poruchy zařízení nebo sníženou spolehlivost.

Proto povrchové úpravy desek plošných spojů plní několik funkcí:

• Před pájením zabraňte oxidaci mědi
• Umožňují spolehlivou tvorbu pájených spojů
• Udržujte nízký kontaktní odpor ve spojích
• Chraňte měď před korozí po celou dobu životnosti produktu

Proč se zlato používá při výrobě PCB

Zlato poskytuje jedinečné výhody, které z něj činí kov volby pro povrchové úpravy PCB v mnoha aplikacích:

Vynikající odolnost proti korozi

Zlato je vysoce inertní a za typických podmínek použití nebo okolního prostředí neoxiduje ani nekoroduje. To zachovává čistotu a vodivost pozlacených stop po celá desetiletí životnosti produktu.

Vysoká elektrická vodivost

Zlato má nejvyšší hodnocení elektrické vodivosti po stříbře a mědi. Stříbro i měď jsou ale náchylné k povrchové korozi. Vynikající vodivost zlata se snoubí s jeho odolností proti korozi.

Flexibilní možnosti uložení

Povlaky zlata lze snadno aplikovat na PCB pomocí procesů, jako je bezproudové nebo elektrolytické pokovování. Tloušťku lze regulovat podle potřeby.

Vynikající pájitelnost

Zlato umožňuje tvorbu vysoce spolehlivých pájených spojů bez jakýchkoliv problémů se smáčením. Pájitelnost zůstává po dobu skladování nedotčena.

Dlouhá životnost

Zlato si zachovává svou čistotu a vlastnosti po neomezenou dobu. To umožňuje výjimečně dlouhou životnost pozlacených PCB.

Tvárné vklady

Zlato poskytuje tvárné povlaky, které jsou méně náchylné k praskání nebo lámání při tepelném namáhání.

Schopnost lepení drátu

Zlatá povrchová úprava umožňuje lepení drátů s vysokou výtěžností, což je důležité pro mikroelektroniku.

Přepracovatelnost

Zlaté povlaky umožňují několik cyklů přepracování a oprav bez ztráty integrity povrchu nebo vlastností.

Bezolovnatá kompatibilita

Zlato je plně kompatibilní s bezolovnatými pájkami a pájecími procesy.

Nevýhody stříbrné a měděné povrchové úpravy

Stříbro a měď poskytují výhody, jako je vyšší vodivost a nižší cena oproti pozlacení. Stříbro i měď však trpí omezeními:

Oxidace a koroze: Stříbro a měď snadno oxidují a korodují v okolním prostředí. To vede ke zvýšenému kontaktnímu odporu a špatné pájitelnosti v průběhu času.

Špatná spolehlivost pájení: Tvorba oxidu narušuje správné smáčení při pájení. Nepodobná kovová rozhraní s pájkami také zvyšují riziko selhání.

Snížená životnost: Oxidační a korozní dopady na stříbrné a měděné povrchy začínají ihned po pokovení. To vyžaduje pájení brzy po pokovení.

Slabší lepení drátů: Rizika oxidace představují problémy s lepením drátů se stříbrným/měděným povrchem ve srovnání se zlatem.

Spolehlivost tepelného cyklování: Oxidy stříbra a mědi jsou náchylnější k poškození při kolísání teploty než tvárné zlato.

Environmentální omezení：Znečištění stříbrných povlaků může během používání a likvidace uvolňovat toxické sloučeniny stříbra do životního prostředí.

Vyšší náklady životního cyklu：Časté problémy s korozí a pájením u stříbrných/měděných povrchů se promítají do vyšších nákladů na opravy, přepracování a záruku.

PCB Povrchová úprava Procesy pro zlato

Bezproudové niklové imerzní zlato (ENIG)

Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) je široce používaná povrchová úprava desek plošných spojů (PCB). Skládá se z dvoustupňového procesu zahrnujícího nanášení vrstev niklu a zlata na stopy mědi na desce plošných spojů. Zde je rozpis procesu ENIG a jeho klíčových charakteristik:

Bezproudové niklování

• V prvním kroku jsou stopy mědi PCB ponořeny do chemické lázně obsahující roztok solí niklu, redukční činidla a stabilizátory.
• Ionty niklu v roztoku jsou katalyticky redukovány na měděný povrch a vytvářejí stejnoměrnou a souvislou vrstvu bezproudového niklu.
• Tloušťka vrstvy niklu se typicky pohybuje v rozmezí 3-6 μm (mikrometrů). Tato tloušťka poskytuje dobré krytí a slouží jako difúzní bariéra mezi měděnými a zlatými vrstvami.

Imerzní depozice zlata

• Po poniklování se PCB ponoří do roztoku obsahujícího soli zlata.
• Ionty zlata v roztoku jsou chemicky redukovány a na povrch niklu se ponořením ukládá tenká vrstva zlata.
• Zlatá vrstva má typicky tloušťku v rozmezí 0.03-0.15 μm, což poskytuje tenký, ale účinný ochranný povlak.

Klíčové vlastnosti a výhody ENIG

1. Difúzní bariéra: Vrstva niklu působí jako difúzní bariéra, která zabraňuje migraci mědi do vrstvy zlata a naopak. Tato bariéra pomáhá udržovat integritu zlaté vrstvy a zabraňuje tvorbě intermetalických sloučenin, které by mohly ovlivnit spolehlivost pájeného spoje.
2. Pájitelnost: ENIG poskytuje vynikající pájitelnost díky plochému a hladkému zlatému povrchu. Zlatá vrstva usnadňuje smáčení pájky během procesu montáže a zajišťuje spolehlivé pájené spoje.
3. Ochrana proti korozi: Zlato je vysoce odolné vůči oxidaci a korozi a poskytuje spolehlivou ochrannou vrstvu pro podkladový nikl a měď. Tato odolnost proti korozi je zvláště důležitá pro PCB používané v drsném prostředí nebo vystavené vlhkosti.
4. Plochost povrchu: Výsledkem procesu ENIG je plochý a rovinný povrch, který je důležitý pro komponenty technologie povrchové montáže s jemným roztečem (SMT). Hladký zlatý povrch pomáhá zajistit přesné umístění součástek a spolehlivé pájené spoje.
5. Dobrý elektrický výkon: ENIG má dobrou elektrickou vodivost a nízký přechodový odpor, díky čemuž je vhodný pro vysokofrekvenční a vysokorychlostní digitální aplikace.
6. Kompatibilita drátového spojování: Zlatá vrstva v ENIG je kompatibilní s technikami spojování drátů používanými pro připojení polovodičových čipů k PCB. Hladký zlatý povrch usnadňuje spolehlivé spojení drátů.

Celkově, Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) nabízí spolehlivou a všestrannou povrchovou úpravu pro PCB, poskytuje vynikající pájitelnost, odolnost proti korozi a elektrický výkon. Jeho použití převládá v různých průmyslových odvětvích, včetně spotřební elektroniky, telekomunikací, letectví a lékařských zařízení.

Vlastnosti procesu Gold-Plated PCBs

Problémy s pájitelností

Zatímco zlacená vrstva vykazuje dobrou chemickou stabilitu, tato stabilita také znamená, že zlato snadno netvoří dobrou slitinu s pájkou, což ovlivňuje kvalitu pájených spojů.
Pokud je během pájení vrstva zlata příliš silná, může se zlato rozpustit v pájce, což má za následek křehké pájené spoje. Tento jev je známý jako „zlatá křehkost“.

Omezení použití

Kvůli problémům s pájitelností se pozlacení obvykle nepoužívá v oblastech, které vyžadují rozsáhlé pájení. Místo toho se častěji používá pro kontaktní body konektorů nebo oblasti určené pro spojování hliníkových drátů.
V oblastech, kde je nutné pájení, se často používají alternativní metody povrchové úpravy, jako jsou organické konzervační prostředky na pájení (OSP), bezolovnaté pájky nebo slitiny cínu a olova.

Důležité informace o návrhu

Při navrhování desky plošných spojů se zlacením je třeba pečlivě zvážit tloušťku zlaté vrstvy a místo jejího použití, aby bylo zajištěno, že lze využít výhody zlata a zároveň se vyhnout jeho nevýhodám při pájení.
Proto i přes vynikající výkon pozlacených PCB v určitých aspektech skutečně existují omezení, pokud jde o výkon pájení. Tato omezení vyžadují zvláštní pozornost během procesu návrhu a výroby.

Klíčové aplikace pozlacených desek plošných spojů

Některé příklady kritických aplikací spoléhajících na pozlacené PCB zahrnují:

• Aerospace and Avionics: Spolehlivost Gold zajišťuje celoživotní výkon při vesmírných misích.
• Lékařská zařízení: Zlaté povlaky zabraňují korozi v implantovaných zařízeních a diagnostice.
• Podmořská elektronika: Zlato odolává vysokým tlakům a slaným podmínkám, které se vyskytují v oceánografických zařízeních.
• Vysokorychlostní digitální obvody: Vodivost zlata umožňuje bezchybný přenos dat až do frekvencí více GHz.
• Mikrovlnné a radarové moduly: Pozlacení poskytuje nejnižší ztráty na mikrovlnných frekvencích.
• Konektory a elektromechanická relé: Tvrdé zlato na kontaktních bodech zvládne miliony spínacích cyklů.
• Fotonické/optoelektronické systémy: Zlaté povlaky poskytují vysokou odrazivost potřebnou u přesných optických přístrojů.

Závěr

Stručně řečeno, zlato je ideální povrchová úprava PCB pro aplikace vyžadující maximální spolehlivost, vodivost, odolnost proti korozi, pájitelnost a výkon při spojování drátů. Vyšší počáteční materiálová cena zlata je odůvodněna zvýšenou kvalitou produktu, životností a sníženým rizikem selhání v kritických systémech. Díky tomu zlato stojí za to, že umožňuje elektronice nové generace neustále posouvat hranice výkonu a odolnosti.

Související příspěvky

1.Co je proces výroby PCB?
2.Výhody a nevýhody povrchové úpravy DPS
3. Komplexní průvodce povrchovými úpravami PCB: výběr, vlastnosti a spolehlivost