Miksi käyttää kultaa mieluummin kuin hopeaa ja kuparia piirilevyjen valmistuksessa?

Piirilevyt (PCB) muodostavat elektroniikan selkärangan ja tarjoavat mekaanista tukea ja sähköisiä liitäntöjä komponenttien välillä. PCB-levyjen tyynyt ja jäljet ​​on tyypillisesti valmistettu kuparista, joka hapettuu helposti joutuessaan alttiiksi ilmalle. Tämä hapettuminen voi heikentää juotettavuutta ja sähköistä suorituskykyä. Siksi pintakäsittelyjä, kuten kultaa, hopeaa tai orgaanisia pinnoitteita, käytetään suojaamaan kuparia korroosiolta.

Tässä artikkelissa tarkastellaan perusteita käyttää kalliita kultapinnoituksia verrattuna halvempaan hopeaan tai kupariin piirilevyjen valmistuksessa.

Yleiskatsaus PCB-pintakäsittelyihin

Piirilevyjen paljaat kuparijäljet ​​on pinnoitettu metallipinnoitteilla tai orgaanisilla kalvoilla hapettumisen estämiseksi. Suosittuja metallipintakäsittelyjä ovat mm.

• Immersiohopea – Kemiallinen hopeapinnoitusprosessi
• Organic Solderability preservants (OSP) – Orgaaniset suojakalvot
• Elektrolyyttinen nikkeli/kulta – Galvanoitu nikkeli kullan alla
• Sähkötön nikkeli/immersiokulta (ENIG) – Sähkötön nikkeli ja sitten upotuskulta

Näistä ENIG ja elektrolyyttinen nikkeli/kulta käyttävät kultaa korroosionkestävyyden ja johtavuuden maksimoimiseksi. Mutta kulta on myös kallein viimeistely.

Piirilevyjen pintakäsittelyn tarve

Piirilevyt toimivat alustana elektronisten komponenttien asentamiseen ja yhdistämiseen. Piirilevyihin syövytetyt kuparijäljet ​​tarjoavat johtavat reitit signaaleille ja teholle.

Kupari kuitenkin muodostaa helposti johtamatonta kuparioksidia altistuessaan hapelle ja kosteudelle. Tämä hapettuminen voi alkaa jo itse piirilevyn valmistuksen aikana, kun kupari paljastetaan.

Hapetusprosessi jatkuu, kun paljas kupari jätetään alttiiksi ympäröivälle ympäristölle. Tämä pätee erityisesti juotostyynyihin, jotka on juotettava myöhemmin komponenttien kiinnittämiseksi. Oksidin muodostuminen tyynyihin heikentää juotettavuutta.

Lisäksi hapettuminen lisää resistiivisyyttä, mikä heikentää sähköliitettävyyttä. Huonot juotosliitokset voivat aiheuttaa laitevikoja tai heikentää luotettavuutta.

Siksi piirilevyjen pintakäsittelyt palvelevat useita toimintoja:

• Estä kuparin hapettumista ennen juottamista
• Ota käyttöön luotettava juotosliitoksen muodostus
• Säilytä alhainen kosketusvastus liitoksissa
• Suojaa kuparia korroosiolta tuotteen käyttöiän ajan

Miksi kultaa käytetään piirilevyjen valmistuksessa

Kulta tarjoaa ainutlaatuisia etuja, joiden ansiosta se on valittu metalli PCB-pintojen viimeistelyyn monissa sovelluksissa:

Erinomainen korroosionkestävyys

Kulta on erittäin inerttiä eikä hapetu tai syövy tyypillisissä käyttöolosuhteissa tai ympäristössä. Tämä säilyttää kullattujen jälkien puhtauden ja johtavuuden tuotteen vuosikymmenten elinkaaren ajan.

Korkea sähkönjohtavuus

Kultalla on korkein sähkönjohtavuusluokitus hopean ja kuparin jälkeen. Mutta sekä hopea että kupari ovat alttiita pintakorroosiolle. Kullan erinomainen johtavuus yhdistyy sen korroosionkestävyyteen.

Joustavat pinnoitusvaihtoehdot

Kultapinnoitteita voidaan helposti levittää PCB-levyille prosesseilla, kuten sähköttömällä tai elektrolyyttisellä pinnoituksella. Paksuutta voidaan säätää tarpeen mukaan.

Erinomainen juotettavuus

Kulta mahdollistaa erittäin luotettavien juotosliitosten muodostamisen ilman kostutusongelmia. Juotettavuus säilyy ennallaan varastoinnin ajan.

Pitkä käyttöikä

Kulta säilyttää puhtautensa ja ominaisuutensa ikuisesti. Tämä mahdollistaa kullattujen piirilevyjen poikkeuksellisen pitkän säilyvyyden.

sitkeät talletukset

Kulta tarjoaa sitkeitä pinnoitteita, jotka ovat vähemmän alttiita halkeilemaan tai murtumaan lämpösyklisissä jännityksissä.

Johdon liimauskyky

Kultainen viimeistely mahdollistaa korkeamyötäisen langan liittämisen, mikä on tärkeää mikroelektroniikassa.

Uudelleentyöstettävyys

Kultapinnoitteet mahdollistavat useita uudelleenkäsittely- ja korjausjaksoja menettämättä pinnan eheyttä tai ominaisuuksia.

Lyijytön yhteensopivuus

Kulta on täysin yhteensopiva lyijyttömien juotteiden ja juotosprosessien kanssa.

Hopea- ja kuparipintojen haitat

Hopea ja kupari tarjoavat etuja, kuten korkeamman johtavuuden ja alhaisemmat kustannukset verrattuna kullattuihin pinnoitteisiin. Sekä hopealla että kuparilla on kuitenkin rajoituksia:

Hapetus ja korroosio: Hopea ja kupari hapettavat ja syöpyvät helposti ympäröivässä ympäristössä. Tämä johtaa lisääntyneeseen kosketusvastukseen ja huonoon juotettavuuteen ajan myötä.

Huono juottamisen luotettavuus: Oksidin muodostuminen häiritsee asianmukaista kastumista juotettaessa. Erilaiset metalliliitännät juotteiden kanssa lisäävät myös vikariskiä.

Lyhentynyt säilyvyysaika: Hapettumis- ja korroosiovaikutukset hopea- ja kuparipinnoilla alkavat välittömästi pinnoituksen jälkeen. Tämä edellyttää juottamista pian pinnoituksen jälkeen.

Huono lankaliitos: Hapettumisriskit aiheuttavat langansidontahaasteita hopea-/kuparipinnoilla verrattuna kultaan.

Lämpöpyöräilyn luotettavuus: Hopea- ja kuparioksidit ovat alttiimpia vaurioille lämpötilanvaihteluissa kuin sitkeä kulta.

Ympäristörajoitukset: Hopeapinnoitteiden tahriintuminen voi vapauttaa myrkyllisiä hopeayhdisteitä ympäristöön käytön ja hävittämisen aikana.

Korkeammat elinkaarikustannukset: Hopea-/kuparipintojen usein esiintyvät korroosio- ja juotosongelmat johtavat korkeampiin korjaus-, korjaus- ja takuukustannuksiin.

PCB-pintakäsittelyprosessit kultaa varten

Sähkötön Nickel Immersion Gold (ENIG)

Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) on laajalti käytetty pintakäsittely piirilevyille (PCB). Se koostuu kaksivaiheisesta prosessista, jossa nikkeli- ja kultakerrokset kerrostetaan PCB:n kuparijäännöksille. Tässä on erittely ENIG-prosessista ja sen tärkeimmistä ominaisuuksista:

Sähkötön nikkelipinnoitus

• Ensimmäisessä vaiheessa PCB:n kuparijäämät upotetaan kemialliseen kylpyyn, joka sisältää nikkelisuolojen, pelkistysaineiden ja stabilointiaineiden liuosta.
• Liuoksen nikkeli-ionit pelkistyvät katalyyttisesti kuparin pinnalle muodostaen tasaisen ja jatkuvan kerroksen kemiallista nikkeliä.
• Nikkelikerroksen paksuus on tyypillisesti 3-6 μm (mikrometriä). Tämä paksuus tarjoaa hyvän peiton ja toimii diffuusioesteenä kupari- ja kultakerroksen välillä.

Immersion Gold Deposition

• Nikkeloinnin jälkeen PCB upotetaan liuokseen, joka sisältää kultasuoloja.
• Liuoksen kulta-ionit pelkistyvät kemiallisesti, jolloin nikkelin pinnalle kerrostetaan ohut kultakerros upotusprosessin kautta.
• Kultakerroksen paksuus on tyypillisesti 0.03-0.15 μm, mikä tarjoaa ohuen mutta tehokkaan suojapinnoitteen.

ENIG:n tärkeimmät ominaisuudet ja edut

1. Diffuusioeste: Nikkelikerros toimii diffuusioesteenä ja estää kuparin kulkeutumisen kultakerrokseen ja päinvastoin. Tämä suoja auttaa säilyttämään kultakerroksen eheyden ja estää metallien välisten yhdisteiden muodostumisen, jotka voivat vaikuttaa juotosliitoksen luotettavuuteen.
2. Juotettavuus: ENIG tarjoaa erinomaisen juotettavuuden tasaisen ja sileän kultapinnan ansiosta. Kultakerros helpottaa juotteen kastumista kokoamisprosessin aikana, mikä varmistaa luotettavat juotosliitokset.
3. Korroosiosuojaus: Kulta kestää erittäin hyvin hapettumista ja korroosiota, mikä tarjoaa luotettavan suojakerroksen alla olevalle nikkelille ja kuparille. Tämä korroosionkestävyys on erityisen tärkeä piirilevyille, joita käytetään ankarissa ympäristöissä tai alttiina kosteudelle.
4. Pinnan tasaisuus: ENIG-prosessi tuottaa tasaisen ja tasaisen pinnan, mikä on tärkeää hienojakoisen pintaliitostekniikan (SMT) komponenteille. Sileä kultapinta auttaa varmistamaan komponenttien tarkan sijoituksen ja luotettavat juotosliitännät.
5. Hyvä sähköinen suorituskyky: ENIG:llä on hyvä sähkönjohtavuus ja alhainen kosketusresistanssi, joten se sopii korkeataajuisiin ja nopeisiin digitaalisiin sovelluksiin.
6. Yhteensopivuus lankojen liittämisellä: ENIG:n kultakerros on yhteensopiva lankojen liitostekniikoiden kanssa, joita käytetään puolijohdesirujen liittämiseen piirilevyyn. Sileä kultainen pinta helpottaa luotettavia johtoliitoksia.

Kaiken kaikkiaan Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) tarjoaa luotettavan ja monipuolisen pintakäsittelyn piirilevyille tarjoten erinomaisen juotettavuuden, korroosionkestävyyden ja sähköisen suorituskyvyn. Sen käyttö on yleistä useilla teollisuudenaloilla, mukaan lukien kulutuselektroniikka, tietoliikenne, ilmailu ja lääketieteelliset laitteet.

Kullattujen piirilevyjen prosessin ominaisuudet

Juotettavuusongelmat

Vaikka kultapinnoituskerroksella on hyvä kemiallinen stabiilisuus, tämä stabiilisuus tarkoittaa myös sitä, että kulta ei helposti muodosta hyvää seosta juotteen kanssa, mikä vaikuttaa juotosliitosten laatuun.
Jos kultakerros on liian paksu juotosprosessin aikana, kulta voi liueta juotteeseen, mikä johtaa hauraisiin juotosliitoksiin. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä "kultahauristuminen".

Käyttörajoitukset

Juotettavuusongelmien vuoksi kultapinnoitusta ei yleensä käytetä alueilla, jotka vaativat laajaa juottamista. Sen sijaan sitä käytetään yleisemmin liittimien kosketuspisteissä tai alueilla, jotka on tarkoitettu alumiinilangan liittämiseen.
Alueilla, joilla juottaminen on välttämätöntä, käytetään usein vaihtoehtoisia pintakäsittelymenetelmiä, kuten orgaanisia juotettavuuden suoja-aineita (OSP), lyijytöntä juotetta tai tina-lyijy-seoksia.

Suunnittelu huomioitavaa

Kullattua piirilevyä suunniteltaessa on harkittava huolellisesti kultakerroksen paksuutta ja sen levityspaikkaa, jotta kullan edut voidaan hyödyntää samalla kun vältetään sen haitat juottamisessa.
Huolimatta kullattujen piirilevyjen erinomaisesta suorituskyvystä tietyiltä osin, juotossuorituskykyyn liittyy todellakin rajoituksia. Nämä rajoitukset vaativat erityistä huomiota suunnittelu- ja valmistusprosessin aikana.

Kullattujen piirilevyjen tärkeimmät sovellukset

Joitakin esimerkkejä kriittisistä sovelluksista, jotka perustuvat kullattuihin piirilevyihin, ovat:

• Ilmailu ja ilmailutekniikka: Goldin luotettavuus takaa elinikäisen suorituskyvyn avaruustehtävissä.
• Lääketieteelliset laitteet: Kultapinnoitteet estävät korroosiota implantoiduissa laitteissa ja diagnostiikassa.
• Merenalainen elektroniikka: Kulta kestää korkeaa painetta ja suolaisia ​​olosuhteita, joita koetaan merentutkimuslaitteissa.
• Nopeat digitaaliset piirit: Goldin johtavuus mahdollistaa virheettömän tiedonsiirron jopa usean GHz:n taajuuksille.
• Mikroaalto- ja tutkamoduulit: Kultapinnoitus tarjoaa pienimmän häviön mikroaaltotaajuuksilla.
• Liittimet ja sähkömekaaniset releet: Kovakulta kosketuspisteissä käsittelee miljoonia kytkentäjaksoja.
• Fotoniset/optoelektroniset järjestelmät: Kultapinnoitteet tarjoavat korkean heijastavuuden, jota tarvitaan tarkkuusoptisissa instrumenteissa.

Yhteenveto

Yhteenvetona voidaan todeta, että kulta on ihanteellinen PCB-pinnan viimeistely sovelluksiin, joissa vaaditaan äärimmäistä luotettavuutta, johtavuutta, korroosionkestävyyttä, juotettavuutta ja langansidontakykyä. Kullan korkeammat alkuperäiset materiaalikustannukset ovat perusteltuja parantuneella tuotteiden laadulla, käyttöiällä ja vähentyneillä kriittisten järjestelmien vikariskillä. Tämä tekee kullasta painonsa arvoisen, koska se mahdollistaa seuraavan sukupolven elektroniikan jatkamisen suorituskyvyn ja kestävyyden rajojen ylittämisessä.

Related Posts

1. Mikä on piirilevyjen valmistusprosessi?
2. PCB-pinnan viimeistelyn edut ja haitat
3. Kattava opas piirilevyjen pintakäsittelyihin: valinta, ominaisuudet ja luotettavuusnäkökohdat