Miért használjon aranyat az ezüst és a rezet helyett a nyomtatott áramköri lapok gyártásában?

A nyomtatott áramköri kártyák (PCB-k) alkotják az elektronika gerincét, mechanikai támogatást és elektromos kapcsolatokat biztosítanak az alkatrészek között. A PCB-ken lévő párnák és nyomok jellemzően rézből készülnek, amely levegővel érintkezve könnyen oxidálódik. Ez az oxidáció ronthatja a forraszthatóságot és az elektromos teljesítményt. Ezért olyan felületkezeléseket alkalmaznak, mint az arany, ezüst vagy szerves bevonatok, hogy megvédjék a rezet a korróziótól.

Ez a cikk feltárja a drága aranyozás és az olcsóbb ezüst vagy réz használatának okait a PCB-gyártásban.

Az általános nyomtatott áramköri felületkezelések áttekintése

A PCB-ken lévő réznyomokat fémbevonattal vagy szerves filmekkel vonják be, hogy megakadályozzák az oxidációt. A népszerű fémes felületkezelések a következők:

• Merítési ezüst – Kémiai ezüstözési eljárás
• Organic forrasztási tartósítószerek (OSP) – Organikus védőfóliák
• Elektrolitikus nikkel/arany – Galvanizált nikkel arany alapon
• Elektromentes nikkel/immerziós arany (ENIG) – Elektromos nikkel, majd immerziós arany

Ezek közül az ENIG és az elektrolitikus nikkel/arany aranyat használ a korrózióállóság és a vezetőképesség maximalizálása érdekében. De az arany a legdrágább kivitel is.

A PCB-k felületkezelésének szükségessége

A PCB-k platformként szolgálnak az elektronikus alkatrészek felszereléséhez és összekapcsolásához. A NYÁK-ra maratott réznyomok biztosítják a jelek és a teljesítmény vezető útját.

A réz azonban könnyen nem vezető réz-oxidot képez, ha oxigénnek és nedvességnek van kitéve. Ez az oxidáció már a NYÁK gyártása során elkezdődhet, amikor a réz ki van téve.

Az oxidációs folyamat folytatódik, miközben a csupasz réz ki van téve a környezeti hatásoknak. Ez különösen igaz a forrasztóbetétekre, amelyeket később forrasztani kell az alkatrészek rögzítéséhez. Az oxidok képződése a párnákon rontja a forraszthatóságot.

Ezenkívül az oxidáció növeli az ellenállást, ami rontja az elektromos csatlakozást. Ennek eredményeként a rossz forrasztási kötések az eszköz meghibásodását vagy a megbízhatóság csökkenését okozhatják.

Ezért a PCB felületkezelések több funkciót is ellátnak:

• Forrasztás előtt akadályozza meg a réz oxidációját
• Lehetővé teszi a megbízható forrasztási kötés kialakítását
• Tartson alacsony érintkezési ellenállást az ízületeknél
• Védje a rezet a korróziótól a termék élettartama alatt

Miért használják az aranyat a PCB-gyártásban?

Az arany olyan egyedülálló előnyökkel rendelkezik, amelyek miatt számos alkalmazásnál a választott fém a PCB felületkezeléshez:

Kiváló korrózióállóság

Az arany rendkívül inert, és nem oxidálódik vagy korrodálódik tipikus használati körülmények között vagy környezeti környezetben. Ez megőrzi az aranyozott nyomok tisztaságát és vezetőképességét a termék több évtizedes élettartama alatt.

Magas elektromos vezetőképesség

Az ezüst és a réz után az arany rendelkezik a legmagasabb elektromos vezetőképességgel. De mind az ezüst, mind a réz hajlamos a felületi korrózióra. Az arany kiváló vezetőképessége a korrózióállósággal párosul.

Rugalmas lerakási lehetőségek

Az aranybevonatok könnyen felvihetők a PCB-kre olyan eljárásokkal, mint például az elektrolitmentes vagy elektrolitikus bevonat. A vastagság igény szerint szabályozható.

Kiváló forraszthatóság

Az arany lehetővé teszi a rendkívül megbízható forrasztási kötések kialakítását nedvesítési problémák nélkül. A forraszthatóság a tárolási időn keresztül változatlan marad.

Hosszú élettartam

Az arany a végtelenségig megőrzi tisztaságát és tulajdonságait. Ez kivételesen hosszú eltarthatóságot tesz lehetővé az aranyozott PCB-k számára.

Képlékeny lerakódások

Az arany olyan képlékeny bevonatokat biztosít, amelyek kevésbé hajlamosak a repedésre vagy törésre a ciklusos hőterhelés hatására.

Huzalkötési képesség

Az arany bevonat nagy teljesítményű huzalkötést tesz lehetővé, ami fontos a mikroelektronika számára.

Újradolgozhatóság

Az aranybevonatok többszöri átdolgozást és javítási ciklust tesznek lehetővé anélkül, hogy elveszítenék a felület integritását vagy tulajdonságait.

Ólommentes kompatibilitás

Az arany teljes mértékben kompatibilis az ólommentes forrasztóanyagokkal és forrasztási eljárásokkal.

Az ezüst és réz felületek hátrányai

Az ezüst és a réz olyan előnyöket biztosít, mint a nagyobb vezetőképesség és az alacsonyabb költség az aranyozással szemben. Az ezüstnek és a réznek azonban vannak korlátai:

Oxidáció és korrózió: Az ezüst és a réz környezeti környezetben könnyen oxidálódik és korrodálódik. Ez idővel megnövekedett érintkezési ellenálláshoz és rossz forraszthatósághoz vezet.

Gyenge forrasztási megbízhatóság: Az oxidképződés megzavarja a megfelelő nedvesedést forrasztáskor. A forraszanyagokkal való eltérő fémfelületek szintén növelik a meghibásodás kockázatát.

Csökkentett eltarthatóság: Az ezüst és réz felületeken az oxidáció és a korrózió közvetlenül a bevonat után kezdődik. Ez szükségessé teszi a forrasztást röviddel a bevonat után.

Gyengébb huzalkötés: Az oxidációs kockázatok kihívást jelentenek a huzalkötés során az ezüst/réz felületeknél az aranyhoz képest.

Hőciklusos megbízhatóság: Az ezüst- és réz-oxidok hajlamosabbak a hőmérséklet-ingadozások miatti károsodásra, mint a képlékeny arany.

Környezeti korlátok: Az ezüstbevonatok elszíneződése mérgező ezüstvegyületeket bocsáthat ki a környezetbe a használat és az ártalmatlanítás során.

Magasabb életciklus-költségek: Az ezüst/réz felületek gyakori korróziós és forrasztási problémái magasabb javítási, utómunkálati és garanciális költségeket jelentenek.

PCB felületkezelési eljárások aranyhoz

Elektromentes nikkelmerítési arany (ENIG)

Az elektromentes Nickel Immersion Gold (ENIG) a nyomtatott áramköri lapok (PCB) széles körben használt felületkezelése. Ez egy kétlépéses folyamatból áll, amely magában foglalja a nikkel és az arany rétegek lerakódását a PCB réznyomaira. Íme az ENIG folyamat lebontása és főbb jellemzői:

Elektromos nikkelezés

• Az első lépésben a PCB réznyomait vegyi fürdőbe merítik, amely nikkelsók, redukálószerek és stabilizátorok oldatát tartalmazza.
• Az oldatban lévő nikkelionok katalitikusan redukálódnak a réz felületére, egységes és folytonos elektroless nikkelréteget képezve.
• A nikkelréteg vastagsága jellemzően 3-6 μm (mikrométer) között mozog. Ez a vastagság jó fedést biztosít, és diffúziós gátként szolgál a réz és az arany réteg között.

Merítési aranylerakódás

• A nikkelezés után a PCB-t aranysókat tartalmazó oldatba merítik.
• Az oldatban lévő aranyionok kémiailag redukálódnak, és egy bemerítési eljárással vékony aranyréteget raknak le a nikkel felületére.
• Az aranyréteg vastagsága jellemzően 0.03-0.15 μm között van, vékony, de hatékony védőbevonatot biztosítva.

Az ENIG legfontosabb jellemzői és előnyei

1. Diffúziós gát: A nikkelréteg diffúziós gátként működik, megakadályozva a réz vándorlását az aranyrétegbe és fordítva. Ez a gát segít megőrizni az aranyréteg integritását, és megakadályozza az intermetallikus vegyületek képződését, amelyek befolyásolhatják a forrasztási kötések megbízhatóságát.
2. Forraszthatóság: Az ENIG kiváló forraszthatóságot biztosít a lapos és sima aranyfelületnek köszönhetően. Az aranyréteg megkönnyíti a forrasztóanyag átnedvesedését az összeszerelési folyamat során, megbízható forrasztási kötéseket biztosítva.
3. Korrózióvédelem: Az arany rendkívül ellenáll az oxidációnak és a korróziónak, megbízható védőréteget biztosítva az alatta lévő nikkelnek és réznek. Ez a korrózióállóság különösen fontos a zord környezetben használt vagy nedvességnek kitett PCB-k esetében.
4. Felületi síkosság: Az ENIG-eljárás lapos és sík felületet eredményez, ami fontos a finom osztású felületi szerelési technológia (SMT) komponensei számára. A sima arany felület segít az alkatrészek pontos elhelyezésében és a megbízható forrasztási csatlakozásokban.
5. Jó elektromos teljesítmény: Az ENIG jó elektromos vezetőképességgel és alacsony érintkezési ellenállással rendelkezik, így alkalmas nagyfrekvenciás és nagy sebességű digitális alkalmazásokhoz.
6. Kompatibilitás a huzalkötéssel: Az ENIG aranyrétege kompatibilis a félvezető chipek PCB-hez történő csatlakoztatására használt huzalkötési technikákkal. A sima arany felület megkönnyíti a megbízható huzalkötéseket.

Összességében az Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) megbízható és sokoldalú felületkezelést kínál a PCB-k számára, kiváló forraszthatóságot, korrózióállóságot és elektromos teljesítményt biztosítva. Használata elterjedt a különböző iparágakban, beleértve a fogyasztói elektronikát, a távközlést, a repülőgépgyártást és az orvosi eszközöket.

Az aranyozott NYÁK-eljárás jellemzői

Forraszthatósági problémák

Míg az aranyozott réteg jó kémiai stabilitást mutat, ez a stabilitás azt is jelenti, hogy az arany nem képez könnyen jó ötvözetet a forraszanyaggal, ami befolyásolja a forrasztási kötések minőségét.
A forrasztás során, ha az aranyréteg túl vastag, az arany feloldódhat a forraszanyagban, ami rideg forrasztási kötéseket eredményezhet. Ezt a jelenséget „arany ridegedésnek” nevezik.

Az anyagot, a rétegszerkezetet, a furatokat és a felületkezelést egyetlen , csupasz NYÁK-gyártási körként kell közzétenni . Egy fém általános vezetőképessége vagy korróziós viselkedése önmagában nem határozza meg a megfelelő felületkezelést minden NYÁK-alkalmazáshoz.

Használati korlátozások

A forraszthatósági problémák miatt az aranyozást általában nem használják olyan területeken, amelyek kiterjedt forrasztást igényelnek. Ehelyett gyakrabban használják a csatlakozó érintkezési pontjaira vagy az alumíniumhuzal kötésére szolgáló területekre.
Azokon a területeken, ahol forrasztásra van szükség, gyakran alkalmaznak alternatív felületkezelési módszereket, például szerves forrasztási védőanyagokat (OSP), ólommentes forrasztóanyagot vagy ón-ólom ötvözeteket.

Tervezési szempontok

Az aranyozott NYÁK tervezésénél gondosan mérlegelni kell az aranyréteg vastagságát és felhordásának helyét, hogy az arany előnyeit ki lehessen használni, miközben elkerüljük a forrasztási hátrányait.
Ezért annak ellenére, hogy az aranyozott PCB-k bizonyos szempontból kiváló teljesítményt nyújtanak, valóban vannak korlátok a forrasztási teljesítmény tekintetében. Ezek a korlátozások különös figyelmet igényelnek a tervezési és gyártási folyamat során.

Az aranyozott nyomtatott áramköri lapok legfontosabb alkalmazásai

Néhány példa az aranyozott PCB-ken alapuló kritikus alkalmazásokra:

• Repülés és repüléstechnika: Az arany megbízhatósága egész életen át tartó teljesítményt biztosít az űrmissziókban.
• Orvosi eszközök: Az aranybevonatok megakadályozzák a korróziót a beültetett eszközökben és a diagnosztikában.
• Tenger alatti elektronika: Az arany ellenáll az oceanográfiai berendezésekben tapasztalt nagy nyomásnak és sós körülményeknek.
• Nagy sebességű digitális áramkörök: A Gold vezetőképessége hibamentes adatátvitelt tesz lehetővé akár több GHz-es frekvencián.
• Mikrohullámú és radarmodulok: Az aranyozás biztosítja a legkisebb veszteséget a mikrohullámú frekvenciákon.
• Csatlakozók és elektromechanikus relék: Az érintkezési pontokon lévő keményarany több millió kapcsolási ciklust kezel.
• Fotonikus/optoelektronikai rendszerek: Az aranybevonatok nagy fényvisszaverő képességet biztosítanak a precíziós optikai műszerekben.

Összegzés

Összefoglalva, az arany ideális PCB felületkezelés olyan alkalmazásokhoz, amelyek maximális megbízhatóságot, vezetőképességet, korrózióállóságot, forraszthatóságot és huzalkötési teljesítményt igényelnek. Az arany magasabb kezdeti anyagköltségét a jobb termékminőség, élettartam és a kritikus rendszerekben a meghibásodási kockázatok csökkentése indokolja. Emiatt az arany megéri a súlyát, és lehetővé teszi, hogy a következő generációs elektronika folyamatosan feszegesse a teljesítmény és a tartósság határait.

Kapcsolódó hozzászólások

1. Mi az a PCB gyártási folyamat?
2. A PCB felületkezelés előnyei és hátrányai
3. Átfogó útmutató a nyomtatott áramköri lapok felületkezeléséhez: Kiválasztás, tulajdonságok és megbízhatósági szempontok