Waarom goud gebruiken in plaats van zilver en koper bij de productie van PCB's?

Printplaten (PCB's) vormen de ruggengraat van de elektronica en bieden mechanische ondersteuning en elektrische verbindingen tussen componenten. De pads en sporen op PCB's zijn doorgaans gemaakt van koper, dat gemakkelijk oxideert bij blootstelling aan lucht. Deze oxidatie kan de soldeerbaarheid en de elektrische prestaties nadelig beïnvloeden. Daarom worden oppervlakteafwerkingen zoals goud, zilver of organische coatings aangebracht om het koper tegen corrosie te beschermen.

Dit artikel onderzoekt de grondgedachte achter het gebruik van dure vergulding versus goedkoper zilver of koper bij de fabricage van PCB's.

Overzicht van veelgebruikte PCB-oppervlakafwerkingen

De blootliggende kopersporen op PCB's zijn bedekt met metalen coatings of organische films om oxidatie te voorkomen. De populaire metallic oppervlakteafwerkingen zijn onder meer:

• Immersiezilver - Chemisch verzilverproces
• Organische conserveringsmiddelen voor soldeerbaarheid (OSP) – Organische beschermfilms
• Elektrolytisch nikkel/goud – Gegalvaniseerd nikkel onderliggend goud
• Stroomloos nikkel/onderdompelingsgoud (ENIG) – Stroomloos nikkel en vervolgens onderdompelingsgoud

Hiervan gebruiken ENIG en elektrolytisch nikkel/goud goud om de corrosieweerstand en geleidbaarheid te maximaliseren. Maar goud is ook de duurste afwerking.

De behoefte aan oppervlakteafwerkingen op PCB's

PCB's fungeren als platform voor het monteren en onderling verbinden van elektronische componenten. De kopersporen die op de printplaten zijn geëtst, zorgen voor de geleidende paden voor signalen en stroom.

Koper vormt echter gemakkelijk niet-geleidend koperoxide bij blootstelling aan zuurstof en vocht. Deze oxidatie kan al beginnen tijdens de PCB-fabricage zelf, wanneer koper wordt blootgesteld.

Het oxidatieproces gaat door terwijl blank koper wordt blootgesteld aan de omgevingsomgeving. Dit geldt vooral voor de soldeerpads die later moeten worden gesoldeerd om componenten te bevestigen. Oxidevorming op de pads verslechtert de soldeerbaarheid.

Bovendien verhoogt de oxidatie de weerstand, wat de elektrische connectiviteit schaadt. Slechte soldeerverbindingen kunnen daardoor apparaatstoringen of verminderde betrouwbaarheid veroorzaken.

Daarom dienen PCB-oppervlakteafwerkingen meerdere functies:

• Voorkom koperoxidatie vóór het solderen
• Maakt betrouwbare soldeerverbindingvorming mogelijk
• Handhaaf een lage contactweerstand bij verbindingen
• Bescherm koper tegen corrosie gedurende de levensduur van het product

Waarom goud wordt gebruikt bij de fabricage van PCB's

Goud biedt unieke voordelen die het in veel toepassingen tot het metaal bij uitstek maken voor PCB-oppervlakafwerkingen:

Uitstekende corrosiebestendigheid

Goud is zeer inert en oxideert of corrodeert niet onder typische gebruiksomstandigheden of omgevingsomgevingen. Hierdoor blijven de zuiverheid en geleidbaarheid van de vergulde sporen gedurende tientallen jaren van de levensduur van het product behouden.

Hoge elektrische geleidbaarheid

Goud heeft na zilver en koper de hoogste elektrische geleidbaarheidswaarde. Maar zowel zilver als koper zijn gevoelig voor oppervlaktecorrosie. De uitstekende geleidbaarheid van goud wordt gecombineerd met zijn corrosieweerstand.

Flexibele depositieopties

Goudcoatings kunnen eenvoudig op PCB's worden aangebracht via processen zoals stroomloos of elektrolytisch plateren. De dikte kan indien nodig worden gecontroleerd.

Uitstekende soldeerbaarheid

Goud maakt de vorming van zeer betrouwbare soldeerverbindingen mogelijk zonder enige bevochtigingsproblemen. De soldeerbaarheid blijft tijdens opslagperiodes intact.

Lange houdbaarheidstermijn

Goud behoudt zijn zuiverheid en eigenschappen voor onbepaalde tijd. Dit maakt uitzonderlijk lange houdbaarheid van vergulde PCB's mogelijk.

Ductiele afzettingen

Goud biedt ductiele coatings die minder gevoelig zijn voor scheuren of breken onder thermische cyclische spanningen.

Draadverbindingsvermogen

De gouden afwerking maakt draadverbindingen met een hoog rendement mogelijk, belangrijk voor micro-elektronica.

herwerkbaarheid

Goudcoatings maken meerdere herbewerkings- en reparatiecycli mogelijk zonder verlies van oppervlakte-integriteit of eigenschappen.

Loodvrije compatibiliteit

Goud is volledig compatibel met loodvrij soldeer en soldeerprocessen.

Nadelen van zilveren en koperen afwerkingen

Zilver en koper bieden voordelen zoals een hogere geleidbaarheid en lagere kosten vergeleken met vergulden. Zowel zilver als koper hebben echter last van beperkingen:

Oxidatie en corrosie: zilver en koper oxideren en corroderen gemakkelijk in omgevingsomgevingen. Dit leidt na verloop van tijd tot een verhoogde contactweerstand en een slechte soldeerbaarheid.

Slechte soldeerbetrouwbaarheid: Oxidevorming interfereert met een goede bevochtiging tijdens het solderen. Verschillende metaalinterfaces met soldeer verhogen ook het faalrisico.

Verminderde houdbaarheid: Oxidatie- en corrosie-effecten op zilver- en koperoppervlakken beginnen onmiddellijk na het plateren. Dit maakt solderen kort na het plateren noodzakelijk.

Inferieure draadverbindingen: de oxidatierisico's vormen uitdagingen bij het verbinden van draden met zilver/koperoppervlakken in vergelijking met goud.

Betrouwbaarheid van thermische cycli: Zilver- en koperoxiden zijn gevoeliger voor schade onder temperatuurschommelingen dan nodulair goud.

Milieubeperkingen: Door het aantasten van zilvercoatings kunnen tijdens gebruik en verwijdering giftige zilververbindingen in het milieu terechtkomen.

Hogere levenscycluskosten: Frequente corrosie- en soldeerproblemen met zilver/koperoppervlakken vertalen zich in hogere reparatie-, herbewerkings- en garantiekosten.

PCB-oppervlakteafwerkingsprocessen voor goud

Chemisch nikkelonderdompelingsgoud (ENIG)

Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) is een veelgebruikte oppervlakteafwerking voor printplaten (PCB's). Het bestaat uit een tweestapsproces waarbij nikkel- en goudlagen op de kopersporen van de PCB worden aangebracht. Hier volgt een overzicht van het ENIG-proces en de belangrijkste kenmerken ervan:

Chemisch vernikkelen

• In de eerste stap worden de kopersporen van de PCB ondergedompeld in een chemisch bad met een oplossing van nikkelzouten, reductiemiddelen en stabilisatoren.
• De nikkelionen in de oplossing worden katalytisch gereduceerd op het koperoppervlak en vormen een uniforme en continue laag stroomloos nikkel.
• De dikte van de nikkellaag varieert doorgaans van 3-6 μm (micrometer). Deze dikte zorgt voor een goede dekking en dient als diffusiebarrière tussen de koper- en goudlagen.

Onderdompeling van goudafzetting

• Na het vernikkelen wordt de PCB vervolgens ondergedompeld in een oplossing die goudzouten bevat.
• De goudionen in de oplossing worden chemisch gereduceerd, waardoor via een onderdompelingsproces een dunne laag goud op het nikkeloppervlak wordt afgezet.
• De goudlaag heeft doorgaans een dikte variërend van 0.03-0.15 μm, waardoor een dunne maar effectieve beschermende coating ontstaat.

Belangrijkste kenmerken en voordelen van ENIG

1. Diffusiebarrière: De nikkellaag fungeert als diffusiebarrière en voorkomt de migratie van koper naar de goudlaag en omgekeerd. Deze barrière helpt de integriteit van de goudlaag te behouden en voorkomt de vorming van intermetallische verbindingen die de betrouwbaarheid van de soldeerverbinding kunnen beïnvloeden.
2. Soldeerbaarheid: ENIG biedt uitstekende soldeerbaarheid dankzij het vlakke en gladde gouden oppervlak. De goudlaag vergemakkelijkt het bevochtigen van soldeer tijdens het assemblageproces, waardoor betrouwbare soldeerverbindingen worden gegarandeerd.
3. Corrosiebescherming: Goud is zeer goed bestand tegen oxidatie en corrosie en biedt een betrouwbare beschermlaag voor het onderliggende nikkel en koper. Deze corrosieweerstand is vooral belangrijk voor PCB's die worden gebruikt in ruwe omgevingen of worden blootgesteld aan vocht.
4. Oppervlaktevlakheid: Het ENIG-proces resulteert in een vlak en vlak oppervlak, wat belangrijk is voor componenten met fijne pitch-oppervlaktemontagetechnologie (SMT). Het gladde gouden oppervlak zorgt voor een nauwkeurige plaatsing van de componenten en betrouwbare soldeerverbindingen.
5. Goede elektrische prestaties: ENIG heeft een goede elektrische geleidbaarheid en een lage contactweerstand, waardoor het geschikt is voor hoogfrequente en snelle digitale toepassingen.
6. Compatibiliteit met draadverbinding: De goudlaag in ENIG is compatibel met draadverbindingstechnieken die worden gebruikt voor het verbinden van halfgeleiderchips met de PCB. Het gladde gouden oppervlak maakt betrouwbare draadverbindingsverbindingen mogelijk.

Over het geheel genomen biedt Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) een betrouwbare en veelzijdige oppervlakteafwerking voor PCB's, met uitstekende soldeerbaarheid, corrosieweerstand en elektrische prestaties. Het gebruik ervan komt veel voor in verschillende industrieën, waaronder consumentenelektronica, telecommunicatie, ruimtevaart en medische apparatuur.

Kenmerken van het vergulde PCB-proces

Problemen met soldeerbaarheid

Hoewel de verguldingslaag een goede chemische stabiliteit vertoont, betekent deze stabiliteit ook dat goud niet gemakkelijk een goede legering met soldeer vormt, waardoor de kwaliteit van de soldeerverbindingen wordt aangetast.
Als de goudlaag tijdens het soldeerproces te dik is, kan het goud in het soldeer oplossen, wat broze soldeerverbindingen tot gevolg heeft. Dit fenomeen staat bekend als ‘goudverbrossing’.

Gebruiksbeperkingen

Vanwege problemen met de soldeerbaarheid wordt vergulden doorgaans niet gebruikt in gebieden waar uitgebreid moet worden gesoldeerd. In plaats daarvan wordt het vaker gebruikt voor connectorcontactpunten of gebieden die bedoeld zijn voor het verbinden van aluminiumdraden.
In gebieden waar solderen noodzakelijk is, worden vaak alternatieve oppervlaktebehandelingsmethoden gebruikt, zoals organische soldeerbaarheidsconserveermiddelen (OSP), loodvrij soldeer of tin-loodlegeringen.

Ontwerpoverwegingen

Bij het ontwerpen van een PCB met vergulding moet zorgvuldig rekening worden gehouden met de dikte van de goudlaag en de toepassingslocatie om ervoor te zorgen dat de voordelen van goud kunnen worden benut en de nadelen bij het solderen worden vermeden.
Daarom zijn er, ondanks de superieure prestaties van vergulde PCB's in bepaalde aspecten, inderdaad beperkingen op het gebied van soldeerprestaties. Deze beperkingen vereisen speciale aandacht tijdens het ontwerp- en fabricageproces.

Belangrijkste toepassingen van vergulde PCB's

Enkele voorbeelden van kritische toepassingen die afhankelijk zijn van vergulde PCB's zijn:

• Lucht- en ruimtevaart en luchtvaartelektronica: de betrouwbaarheid van Gold garandeert levenslange prestaties bij ruimtemissies.
• Medische apparaten: Gouden coatings voorkomen corrosie in geïmplanteerde apparaten en diagnostiek.
• Onderzeese elektronica: Goud is bestand tegen hoge druk en zoute omstandigheden die voorkomen in oceanografische apparatuur.
• Snelle digitale circuits: de geleidbaarheid van goud maakt foutloze gegevensoverdracht tot multi-GHz-frequenties mogelijk.
• Magnetron- en radarmodules: Vergulden zorgt voor het laagste verlies bij microgolffrequenties.
• Connectoren en elektromechanische relais: hard goud op de contactpunten kan miljoenen schakelcycli aan.
• Fotonische/opto-elektronische systemen: Gouden coatings zorgen voor een hoge reflectiviteit die nodig is in optische precisie-instrumenten.

Conclusie

Samenvattend is goud de ideale PCB-oppervlakteafwerking voor toepassingen die ultieme betrouwbaarheid, geleidbaarheid, corrosieweerstand, soldeerbaarheid en draadverbindingsprestaties vereisen. De hogere initiële materiaalkosten van goud worden gerechtvaardigd door een verbeterde productkwaliteit, levensduur en verminderde faalrisico's in kritieke systemen. Dit maakt goud zijn gewicht waard bij het mogelijk maken van de volgende generatie elektronica om de grenzen van prestaties en duurzaamheid te blijven verleggen.

gerelateerde berichten

1.Wat is het PCB-productieproces?
2.De voor- en nadelen van PCB-oppervlakteafwerking
3. Een uitgebreide gids voor PCB-oppervlakafwerkingen: overwegingen inzake selectie, eigenschappen en betrouwbaarheid