PCB Üretiminde Neden Gümüş ve Bakır Yerine Altın Kullanılmalı?

Baskılı devre kartları (PCB'ler), elektroniklerin omurgasını oluşturur ve bileşenler arasında mekanik destek ve elektriksel bağlantılar sağlar. PCB'lerin üzerindeki pedler ve izler genellikle havaya maruz kaldığında kolayca oksitlenen bakırdan yapılır. Bu oksidasyon lehimlenebilirliği ve elektriksel performansı olumsuz etkileyebilir. Bu nedenle bakırı korozyondan korumak için altın, gümüş veya organik kaplamalar gibi yüzey kaplamaları uygulanır.

Bu makale, PCB üretiminde ucuz gümüş veya bakır yerine pahalı altın kaplamanın kullanılmasının ardındaki mantığı araştırıyor.

Yaygın PCB Yüzey Kaplamalarına Genel Bakış

PCB'ler üzerindeki açıkta kalan bakır izleri, oksidasyonu önlemek için metal kaplamalar veya organik filmlerle kaplanır. Popüler metalik yüzey kaplamaları şunları içerir:

• Daldırma gümüşü – Kimyasal gümüş kaplama işlemi
• Organik lehimlenebilirlik koruyucuları (OSP) – Organik koruyucu filmler
• Elektrolitik nikel/altın – Altının altında elektrolizle kaplanmış nikel
• Akımsız nikel / daldırma altın (ENIG) - Akımsız nikel, ardından daldırma altın

Bunlardan ENIG ve elektrolitik nikel/altın, korozyon direncini ve iletkenliği en üst düzeye çıkarmak için altın kullanır. Ancak altın aynı zamanda en pahalı kaplamadır.

PCB'lerde Yüzey Kaplama İhtiyacı

PCB'ler elektronik bileşenlerin montajı ve birbirine bağlanması için bir platform görevi görür. PCB'lerin üzerine kazınan bakır izleri, sinyaller ve güç için iletken yollar sağlar.

Bununla birlikte bakır, oksijene ve neme maruz kaldığında kolaylıkla iletken olmayan bakır oksit oluşturur. Bu oksidasyon, PCB üretimi sırasında bakır açığa çıktığında başlayabilir.

Çıplak bakır ortam koşullarına maruz kaldığında oksidasyon süreci devam eder. Bu özellikle daha sonra bileşenlerin takılması için lehimlenmesi gereken lehim pedleri için geçerlidir. Pedlerde oksit oluşumu lehimlenebilirliği bozar.

Ayrıca oksidasyon direnci arttırır ve bu da elektriksel bağlantıyı bozar. Sonuç olarak zayıf lehim bağlantıları, cihaz arızalarına veya güvenilirliğin azalmasına neden olabilir.

Bu nedenle PCB yüzey kaplamaları birden fazla işleve hizmet eder:

• Lehimlemeden önce bakır oksidasyonunu önleyin
• Güvenilir lehim bağlantısı oluşumunu etkinleştirin
• Eklemlerde düşük temas direncini koruyun
• Ürün ömrü boyunca bakırı korozyondan koruyun

PCB İmalatında Neden Altın Kullanılır?

Altın, birçok uygulamada PCB yüzey kaplamalarında onu tercih edilen metal haline getiren benzersiz avantajlar sağlar:

Mükemmel Korozyon Direnci

Altın oldukça inerttir ve tipik kullanım koşulları veya ortam ortamları altında oksitlenmez veya paslanmaz. Bu, altın kaplamalı izlerin saflığını ve iletkenliğini onlarca yıllık ürün ömrü boyunca korur.

Yüksek Elektrik İletkenliği

Altın, gümüş ve bakırdan sonra en yüksek elektriksel iletkenlik derecesine sahiptir. Ancak hem gümüş hem de bakır yüzey korozyonuna eğilimlidir. Altının mükemmel iletkenliği korozyon direnciyle birleşir.

Esnek Biriktirme Seçenekleri

Altın kaplamalar PCB'lere akımsız veya elektrolitik kaplama gibi işlemlerle kolaylıkla uygulanabilmektedir. Kalınlık gerektiği gibi kontrol edilebilir.

Üstün Lehimlenebilirlik

Altın, herhangi bir ıslanma sorunu olmadan son derece güvenilir lehim bağlantılarının oluşmasına olanak tanır. Lehimlenebilirlik depolama süreleri boyunca bozulmadan kalır.

Uzun raf ömrü

Altın, saflığını ve özelliklerini sonsuza kadar korur. Bu, altın kaplamalı PCB'ler için olağanüstü uzun raf ömrü sağlar.

Sünek Mevduatlar

Altın, termal döngü stresleri altında çatlamaya veya kırılmaya daha az eğilimli olan sünek kaplamalar sağlar.

Tel Bağlama Yeteneği

Altın kaplama, mikroelektronik için önemli olan yüksek verimli tel bağlamaya izin verir.

Yeniden işlenebilirlik

Altın kaplamalar, yüzey bütünlüğünü veya özelliklerini kaybetmeden birden fazla yeniden işleme ve onarım döngüsüne olanak tanır.

Kurşunsuz Uyumluluk

Altın, kurşunsuz lehimler ve lehimleme işlemleriyle tamamen uyumludur.

Gümüş ve Bakır Kaplamaların Dezavantajları

Gümüş ve bakır, altın kaplamalara göre daha yüksek iletkenlik ve daha düşük maliyet gibi avantajlar sağlar. Ancak hem gümüş hem de bakırın bazı sınırlamaları vardır:

Oksidasyon ve Korozyon: Gümüş ve bakır, ortam koşullarında kolayca oksitlenir ve paslanır. Bu, zamanla artan temas direncine ve zayıf lehimlenebilirliğe yol açar.

Zayıf Lehimleme Güvenilirliği: Oksit oluşumu, lehimleme sırasında uygun ıslanmayı engeller. Lehimlerle farklı metal arayüzleri de arıza riskini artırır.

Kısaltılmış Raf Ömrü: Gümüş ve bakır yüzeylerdeki oksidasyon ve korozyon etkileri kaplamadan hemen sonra başlar. Bu, kaplamadan hemen sonra lehimlemeyi gerektirir.

Düşük Tel Bağlaması: Oksidasyon riskleri, altına kıyasla gümüş/bakır yüzeylerde tel bağlama zorlukları yaratır.

Termal Döngü Güvenilirliği: Gümüş ve bakır oksitler, sünek altına kıyasla sıcaklık dalgalanmaları altında hasar görmeye daha yatkındır.

Çevresel Kısıtlamalar: Gümüş kaplamaların kararması, kullanım ve imha sırasında çevreye toksik gümüş bileşikleri salabilir.

Daha Yüksek Yaşam Döngüsü Maliyetleri: Gümüş/bakır yüzeylerde sık görülen korozyon ve lehimleme sorunları, daha yüksek onarım, yeniden işleme ve garanti maliyetlerine neden olur.

Altın için PCB Yüzey İşlemleri

Akımsız Nikel Daldırma Altın (ENIG)

Akımsız Nikel Daldırma Altın (ENIG), baskılı devre kartları (PCB'ler) için yaygın olarak kullanılan bir yüzey kaplamasıdır. Nikel ve altın katmanlarının PCB'nin bakır izleri üzerine biriktirilmesini içeren iki aşamalı bir süreçten oluşur. İşte ENIG sürecinin ve temel özelliklerinin bir dökümü:

Akımsız Nikel Kaplama

• İlk adımda PCB'nin bakır izleri, nikel tuzları, indirgeyici maddeler ve stabilizatörlerden oluşan bir çözelti içeren bir kimyasal banyoya daldırılır.
• Çözeltideki nikel iyonları bakır yüzey üzerinde katalitik olarak indirgenerek düzgün ve sürekli bir akımsız nikel tabakası oluşturur.
• Nikel tabakasının kalınlığı tipik olarak 3-6 μm (mikrometre) arasında değişir. Bu kalınlık iyi bir kaplama sağlar ve bakır ile altın katmanları arasında bir difüzyon bariyeri görevi görür.

Daldırma Altın Biriktirme

• Nikel kaplamanın ardından PCB, altın tuzları içeren bir çözeltiye daldırılır.
• Solüsyondaki altın iyonları kimyasal olarak indirgenir ve bir daldırma işlemi yoluyla nikel yüzeyi üzerinde ince bir altın tabakası biriktirilir.
• Altın katman tipik olarak 0.03-0.15 μm arasında değişen bir kalınlığa sahiptir ve ince fakat etkili bir koruyucu kaplama sağlar.

ENIG'in Temel Özellikleri ve Faydaları

1. Difüzyon Bariyeri: Nikel tabakası bir difüzyon bariyeri görevi görerek bakırın altın tabakaya ve bakırın altın tabakaya geçişini engeller. Bu bariyer, altın katmanın bütünlüğünün korunmasına yardımcı olur ve lehim bağlantısının güvenilirliğini etkileyebilecek metaller arası bileşiklerin oluşumunu engeller.
2. Lehimlenebilirlik: ENIG, düz ve pürüzsüz altın yüzeyi sayesinde mükemmel lehimlenebilirlik sağlar. Altın katman, montaj işlemi sırasında lehimin ıslanmasını kolaylaştırarak güvenilir lehim bağlantıları sağlar.
3. Korozyon Koruması: Altın, oksidasyona ve korozyona karşı oldukça dirençlidir ve alttaki nikel ve bakır için güvenilir bir koruyucu katman sağlar. Bu korozyon direnci özellikle zorlu ortamlarda kullanılan veya neme maruz kalan PCB'ler için önemlidir.
4. Yüzey Düzlüğü: ENIG işlemi, ince aralıklı yüzeye montaj teknolojisi (SMT) bileşenleri için önemli olan düz ve düzlemsel bir yüzeyle sonuçlanır. Pürüzsüz altın yüzey, doğru bileşen yerleşimi ve güvenilir lehim bağlantıları sağlamaya yardımcı olur.
5. İyi Elektrik Performansı: ENIG, iyi elektrik iletkenliğine ve düşük temas direncine sahiptir; bu da onu yüksek frekanslı ve yüksek hızlı dijital uygulamalar için uygun kılar.
6. Tel Bağlama Uyumluluğu: ENIG'deki altın katman, yarı iletken yongaları PCB'ye bağlamak için kullanılan tel bağlama teknikleriyle uyumludur. Pürüzsüz altın yüzey güvenilir tel bağlama bağlantılarını kolaylaştırır.

Genel olarak, Akımsız Nikel Daldırma Altın (ENIG), PCB'ler için mükemmel lehimlenebilirlik, korozyon direnci ve elektriksel performans sağlayan güvenilir ve çok yönlü bir yüzey kaplaması sunar. Kullanımı tüketici elektroniği, telekomünikasyon, havacılık ve tıbbi cihazlar dahil olmak üzere çeşitli endüstrilerde yaygındır.

Altın Kaplama PCB işleminin özellikleri

Lehimlenebilirlik Sorunları

Altın kaplama tabakası iyi bir kimyasal stabilite sergilerken, bu stabilite aynı zamanda altının lehim ile kolayca iyi bir alaşım oluşturmadığı ve dolayısıyla lehim bağlantılarının kalitesini etkilediği anlamına da gelir.
Lehimleme işlemi sırasında, eğer altın tabakası çok kalınsa, altın lehimin içinde çözünerek lehim bağlantılarının kırılgan olmasına neden olabilir. Bu olaya "altın gevrekleşmesi" adı veriliyor.

Malzeme, katman yapısı, delikler ve yüzey işlemi, tek bir çıplak devre kartı üretim kapsamı olarak ele alınmalıdır . Bir metalin genel iletkenliği veya korozyon davranışı, tek başına her PCB uygulaması için doğru yüzey işlemini belirlemez.

Kullanım Sınırlamaları

Lehimlenebilirlik sorunları nedeniyle altın kaplama genellikle kapsamlı lehimleme gerektiren alanlarda kullanılmaz. Bunun yerine, konnektör temas noktaları veya alüminyum tel bağlanmasına yönelik alanlar için daha yaygın olarak kullanılır.
Lehimlemenin gerekli olduğu alanlarda Organik Lehimlenebilirlik Koruyucuları (OSP), kurşunsuz lehim veya kalay-kurşun alaşımları gibi alternatif yüzey işleme yöntemleri sıklıkla kullanılmaktadır.

Tasarım Hususlar

Altın kaplamalı bir PCB tasarlarken, lehimlemedeki dezavantajlarından kaçınırken altının faydalarından yararlanılabilmesini sağlamak için altın katmanının kalınlığına ve uygulama yerine dikkatli bir şekilde dikkat edilmesi gerekir.
Bu nedenle, altın kaplamalı PCB'lerin bazı yönlerden üstün performansına rağmen, lehimleme performansı açısından gerçekten sınırlamalar vardır. Bu sınırlamalar tasarım ve üretim sürecinde özel dikkat gerektirir.

Altın Kaplama PCB'lerin Temel Uygulamaları

Altın kaplamalı PCB'lere dayanan kritik uygulamaların bazı örnekleri şunları içerir:

• Havacılık ve Havacılık: Gold'un güvenilirliği, uzay görevlerinde ömür boyu performans sağlar.
• Tıbbi Cihazlar: Altın kaplamalar implante edilen cihazlarda ve teşhislerde korozyonu önler.
• Denizaltı Elektroniği: Altın, oşinografik ekipmanlarda yaşanan yüksek basınç ve tuzlu koşullara dayanıklıdır.
• Yüksek Hızlı Dijital Devreler: Gold'un iletkenliği, çoklu GHz frekanslarına kadar hatasız veri iletimini sağlar.
• Mikrodalga ve Radar Modülleri: Altın kaplama, mikrodalga frekanslarında en düşük kaybı sağlar.
• Konektörler ve Elektromekanik Röleler: Temas noktalarındaki sert altın, milyonlarca anahtarlama döngüsünü yönetir.
• Fotonik/Optoelektronik Sistemler: Altın kaplamalar, hassas optik cihazlarda ihtiyaç duyulan yüksek yansıtmayı sağlar.

Sonuç

Özetle altın, üstün güvenilirlik, iletkenlik, korozyon direnci, lehimlenebilirlik ve tel bağlama performansı gerektiren uygulamalar için ideal PCB yüzey kaplamasıdır. Altının daha yüksek başlangıç ​​malzeme maliyeti, artan ürün kalitesi, kullanım ömrü ve kritik sistemlerdeki arıza risklerinin azalmasıyla haklı çıkar. Bu, yeni nesil elektroniklerin performans ve dayanıklılık sınırlarını zorlamaya devam etmesini sağlayarak altını ağırlığına değecek hale getiriyor.

İlgili Mesajlar

1.PCB Üretim Süreci Nedir?
2.PCB yüzey kaplamasının avantajları ve dezavantajları
3.PCB Yüzey Kaplamalarına İlişkin Kapsamlı Bir Kılavuz: Seçim, Özellikler ve Güvenilirlik Konuları