De ce să se utilizeze aur în locul argintului și cuprului în fabricarea PCB-urilor?

Plăcile cu circuite imprimate (PCB) formează coloana vertebrală a electronicii, oferind suport mecanic și conexiuni electrice între componente. Pad-urile și traseele de pe PCB-uri sunt de obicei fabricate din cupru, care se oxidează ușor atunci când este expus la aer. Această oxidare poate afecta lipirea și performanța electrică. Prin urmare, se aplică finisaje de suprafață precum aur, argint sau acoperiri organice pentru a proteja cuprul de coroziune.

Acest articol explorează rațiunea din spatele utilizării aurului scump față de argintul sau cuprul mai ieftin în fabricarea PCB-urilor.

Prezentare generală a finisajelor comune ale suprafețelor PCB

Urmele de cupru expuse de pe PCB-uri sunt placate cu acoperiri metalice sau pelicule organice pentru a preveni oxidarea. Printre finisajele metalice populare se numără:

• Argint prin imersie – Proces de placare chimică cu argint
• Conservanți organici pentru lipire (OSP) – Filme protectoare organice
• Nichel/aur electrolitic – Nichel electrolizat care stă la baza aurului
• Nichel electrolit/aur prin imersie (ENIG) – Nichel electrolit apoi aur prin imersie

Dintre acestea, ENIG și nichel/aur electrolitic utilizează aurul pentru a maximiza rezistența la coroziune și conductivitatea. Dar aurul este și cel mai scump finisaj.

Nevoia de finisaje de suprafață pe PCB-uri

PCB-urile acționează ca platformă pentru montarea și interconectarea componentelor electronice. Traseele de cupru gravate pe PCB-uri asigură căile conductive pentru semnale și energie.

Totuși, cuprul formează cu ușurință oxid de cupru neconductor atunci când este expus la oxigen și umiditate. Această oxidare poate începe deja în timpul fabricării PCB-urilor, atunci când cuprul este expus.

Procesul de oxidare continuă pe măsură ce cuprul gol este lăsat expus mediilor ambientale. Acest lucru este valabil mai ales pentru plăcuțele de lipire, care trebuie lipite ulterior pentru a atașa componentele. Formarea de oxid pe plăcuțe deteriorează lipibilitatea.

În plus, oxidarea crește rezistivitatea, ceea ce afectează conectivitatea electrică. Prin urmare, îmbinările de lipire defectuoase pot cauza defecțiuni ale dispozitivelor sau o fiabilitate redusă.

Prin urmare, finisajele suprafețelor PCB au funcții multiple:

• Preveniți oxidarea cuprului înainte de lipire
• Permite formarea fiabilă a îmbinărilor de lipire
• Mențineți o rezistență de contact scăzută la nivelul articulațiilor
• Protejați cuprul de coroziune pe durata de viață a produsului

De ce se folosește aurul în fabricarea PCB-urilor

Aurul oferă avantaje unice care îl fac metalul preferat pentru finisajele suprafețelor PCB în multe aplicații:

Rezistență excelentă la coroziune

Aurul este foarte inert și nu se oxidează și nu corodează în condiții tipice de utilizare sau în medii ambientale. Acest lucru păstrează puritatea și conductivitatea urmelor placate cu aur pe parcursul a decenii de viață a produsului.

Conductivitate electrică ridicată

Aurul are cea mai mare conductivitate electrică după argint și cupru. Însă atât argintul, cât și cuprul sunt predispuse la coroziunea superficială. Conductivitatea excelentă a aurului se combină cu rezistența sa la coroziune.

Opțiuni flexibile de depunere

Acoperirile cu aur pot fi aplicate cu ușurință pe PCB-uri prin procese precum placarea electrolitică sau fără electrod. Grosimea poate fi controlată după cum este necesar.

Sudabilitate remarcabilă

Aurul permite formarea unor îmbinări de lipire extrem de fiabile, fără probleme de umezire. Sudabilitatea rămâne intactă pe perioadele de depozitare.

Durată lungă de valabilitate

Aurul își menține puritatea și proprietățile pe termen nelimitat. Acest lucru permite o durată de valabilitate excepțional de lungă pentru PCB-urile placate cu aur.

Depozite ductile

Aurul oferă acoperiri ductile care sunt mai puțin predispuse la fisuri sau fracturi sub solicitări termice ciclate.

Capacitatea de legare a firelor

Finisajul auriu permite lipirea firelor cu randament ridicat, importantă pentru microelectronică.

Relucrabilitate

Acoperirile cu aur permit multiple cicluri de prelucrare și reparare fără a pierde integritatea sau proprietățile suprafeței.

Compatibilitate fără plumb

Aurul este complet compatibil cu aliajele de lipire și cu procesele de lipire fără plumb.

Dezavantajele finisajelor din argint și cupru

Argintul și cuprul oferă avantaje precum o conductivitate mai mare și un cost mai mic față de placarea cu aur. Cu toate acestea, atât argintul, cât și cuprul suferă de limitări:

Oxidare și coroziune: Argintul și cuprul se oxidează și corodează ușor în medii ambientale. Acest lucru duce la o rezistență de contact crescută și la o lipire slabă în timp.

Fiabilitate slabă a lipirii: Formarea oxizilor interferează cu umectarea corespunzătoare la lipire. Interfețele metalice diferite cu aliajele de lipit cresc, de asemenea, riscurile de defecțiune.

Durată de viață redusă: Impactul oxidării și coroziunii asupra suprafețelor de argint și cupru începe imediat după placare. Acest lucru necesită lipirea imediat după placare.

Lipire inferioară a firelor: Riscurile de oxidare prezintă dificultăți la lipirea firelor cu suprafețe de argint/cupru în comparație cu aurul.

Fiabilitatea ciclului termic: Oxizii de argint și cupru sunt mai predispuși la deteriorare sub fluctuațiile de temperatură față de aurul ductil.

Constrângeri de mediu: Oxidarea straturilor de argint poate elibera compuși toxici ai argintului în mediu în timpul utilizării și eliminării.

Costuri mai mari pe durata de viață: Problemele frecvente de coroziune și lipire a suprafețelor din argint/cupru se traduc în costuri mai mari de reparații, recondiționare și garanție.

Procese de finisare a suprafeței PCB pentru aur

Aur de imersie cu nichel fără electrolit (ENIG)

Aur prin imersie în nichel electrolitic (ENIG) este un finisaj de suprafață utilizat pe scară largă pentru plăcile cu circuite imprimate (PCB). Acesta constă într-un proces în doi pași care implică depunerea de straturi de nichel și aur pe urmele de cupru ale PCB-ului. Iată o descriere a procesului ENIG și a caracteristicilor sale cheie:

Placare cu nichel electroless

• În prima etapă, urmele de cupru ale PCB-ului sunt imersate într-o baie chimică care conține o soluție de săruri de nichel, agenți reducători și stabilizatori.
• Ionii de nichel din soluție sunt reduși catalitic pe suprafața cuprului, formând un strat uniform și continuu de nichel electrolizat.
• Grosimea stratului de nichel variază de obicei între 3-6 μm (micrometri). Această grosime oferă o bună acoperire și servește ca o barieră de difuzie între straturile de cupru și aur.

Depunere de aur prin imersie

• După nichelare, PCB-ul este apoi imersat într-o soluție care conține săruri de aur.
• Ionii de aur din soluție sunt reduși chimic, depunând un strat subțire de aur pe suprafața de nichel printr-un proces de imersie.
• Stratul de aur are de obicei o grosime cuprinsă între 0.03-0.15 μm, oferind un înveliș protector subțire, dar eficient.

Caracteristici și beneficii cheie ale ENIG

1. Barieră de difuzie: Stratul de nichel acționează ca o barieră de difuzie, împiedicând migrarea cuprului în stratul de aur și invers. Această barieră ajută la menținerea integrității stratului de aur și previne formarea compușilor intermetalici care ar putea afecta fiabilitatea îmbinării prin lipire.
2. Sudabilitate: ENIG oferă o lipire excelentă datorită suprafeței plate și netede din aur. Stratul de aur facilitează umectarea aliajului de lipire în timpul procesului de asamblare, asigurând îmbinări fiabile cu lipire.
3. Protecție împotriva coroziunii: Aurul este foarte rezistent la oxidare și coroziune, oferind un strat protector fiabil pentru nichelul și cuprul care stau la baza lor. Această rezistență la coroziune este deosebit de importantă pentru PCB-urile utilizate în medii dure sau expuse la umiditate.
4. Planeitatea suprafeței: Procesul ENIG are ca rezultat o suprafață plană și plană, ceea ce este important pentru componentele cu tehnologie de montare pe suprafață cu pas fin (SMT). Suprafața netedă din aur ajută la asigurarea plasării precise a componentelor și a conexiunilor de lipire fiabile.
5. Performanță electrică bună: ENIG are o conductivitate electrică bună și o rezistență de contact redusă, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații digitale de înaltă frecvență și mare viteză.
6. Compatibilitate cu lipirea prin cabluri: Stratul de aur din ENIG este compatibil cu tehnicile de lipire prin cabluri utilizate pentru conectarea cipurilor semiconductoare la PCB. Suprafața netedă de aur facilitează conexiuni fiabile prin lipire prin cabluri.

Per total, aurul prin imersie fără electroliți (ENIG) oferă un finisaj de suprafață fiabil și versatil pentru PCB-uri, oferind o lipire excelentă, rezistență la coroziune și performanțe electrice excelente. Utilizarea sa este răspândită în diverse industrii, inclusiv electronică de larg consum, telecomunicații, industria aerospațială și dispozitive medicale.

Caracteristicile procesului de placare cu aur a PCB-urilor

Probleme de lipire

Deși stratul de placare cu aur prezintă o bună stabilitate chimică, această stabilitate înseamnă și că aurul nu formează ușor un aliaj bun cu aliajul de lipire, afectând astfel calitatea îmbinărilor cu lipire.
În timpul procesului de lipire, dacă stratul de aur este prea gros, aurul se poate dizolva în aliajul de lipire, rezultând îmbinări fragile ale lipiturii. Acest fenomen este cunoscut sub numele de „fragilizare a aurului”.

Materialul, construcția straturilor, găurile și finisajul suprafeței trebuie să fie incluse într-un singur cadru de fabricație pentru plăci neacoperite . Conductivitatea generală sau comportamentul la coroziune al unui metal nu stabilesc în sine finisajul potrivit pentru fiecare aplicație PCB.

Limitări de utilizare

Din cauza problemelor de lipire, placarea cu aur nu este de obicei utilizată în zone care necesită lipire extinsă. În schimb, este mai frecvent utilizată pentru punctele de contact ale conectorilor sau zonele destinate lipirii firelor de aluminiu.
În zonele în care lipirea este necesară, se utilizează adesea metode alternative de tratare a suprafețelor, cum ar fi conservanții organici de lipire (OSP), aliajele de lipire fără plumb sau aliajele de staniu-plumb.

Considerații de proiectare

Atunci când se proiectează un PCB cu placare cu aur, trebuie acordată o atenție deosebită grosimii stratului de aur și locației de aplicare a acestuia pentru a se asigura că se pot utiliza beneficiile aurului, evitând în același timp dezavantajele sale la lipire.
Prin urmare, în ciuda performanței superioare a PCB-urilor placate cu aur în anumite aspecte, există într-adevăr limitări în ceea ce privește performanța de lipire. Aceste limitări necesită o atenție specială în timpul procesului de proiectare și fabricație.

Aplicații cheie ale PCB-urilor placate cu aur

Câteva exemple de aplicații critice care se bazează pe PCB-uri placate cu aur includ:

• Aerospațială și avionică: Fiabilitatea produselor Gold asigură performanță pe tot parcursul vieții în misiunile spațiale.
• Dispozitive medicale: Acoperirile cu aur previn coroziunea dispozitivelor implantate și a dispozitivelor de diagnosticare.
• Electronică subacvatică: Aurul rezistă la presiune înaltă și condiții saline întâlnite în echipamentele oceanografice.
• Circuite digitale de mare viteză: Conductivitatea aurului permite transmiterea datelor fără erori până la frecvențe multi-GHz.
• Module cu microunde și radar: Placarea cu aur oferă cele mai mici pierderi la frecvențele microundelor.
• Conectori și relee electromecanice: Aurul dur de pe punctele de contact face față a milioane de cicluri de comutare.
• Sisteme fotonice/optoelectronice: Acoperirile de aur asigură o reflectivitate ridicată necesară în instrumentele optice de precizie.

Concluzie

În concluzie, aurul este finisajul ideal pentru suprafața PCB-urilor, în aplicațiile care necesită fiabilitate maximă, conductivitate, rezistență la coroziune, lipire și performanță de lipire a firelor. Costul inițial mai mare al materialului pentru aur este justificat de calitatea îmbunătățită a produsului, de durata de viață îmbunătățită și de riscurile reduse de defecțiune în sistemele critice. Acest lucru face ca aurul să merite greutatea sa în a permite electronicii de generație următoare să continue să depășească limitele de performanță și durabilitate.

postări asemănatoare

1. Care este procesul de fabricație a PCB-urilor?
2. Avantajele și dezavantajele finisajului suprafeței PCB
3. Un ghid complet pentru finisajele suprafețelor PCB: Selecție, proprietăți și considerații privind fiabilitatea