Навіщо використовувати золото, а не срібло та мідь у виробництві друкованих плат?

Друковані плати (PCB) утворюють основу електроніки, забезпечуючи механічну підтримку та електричні з’єднання між компонентами. Прокладки та доріжки на друкованих платах зазвичай виготовляються з міді, яка легко окислюється під впливом повітря. Це окислення може погіршити здатність до пайки та електричні характеристики. Тому для захисту міді від корозії застосовують оздоблення поверхні, як-от золото, срібло або органічні покриття.

У цій статті досліджується обґрунтування використання дорогого золотого покриття в порівнянні з дешевшим сріблом або міддю при виготовленні друкованих плат.

Огляд поширених покриттів поверхні друкованих плат

Відкриті сліди міді на друкованих платах покриті металевими покриттями або органічними плівками для запобігання окисленню. До популярних металевих поверхонь відносяться:

• Імерсійне срібло – процес хімічного сріблення
• Organic solderability preservants (OSP) – органічні захисні плівки
• Електролітичний нікель/золото – гальванічний нікель із золотом
• Електричний нікель/імерсійне золото (ENIG) – нікель без електричного тиску, потім іммерсійне золото

З них ENIG і електролітичний нікель/золото використовують золото для максимального підвищення стійкості до корозії та провідності. Але золото також є найдорожчою обробкою.

Потреба в обробці поверхні друкованих плат

Плати виконують роль платформи для монтажу та з’єднання електронних компонентів. Мідні доріжки, вигравірувані на друкованих платах, забезпечують провідні шляхи для сигналів і живлення.

Однак мідь легко утворює непровідний оксид міді під впливом кисню та вологи. Це окислення може початися вже під час виготовлення друкованої плати, коли мідь піддається впливу.

Процес окислення триває, оскільки чиста мідь залишається під впливом навколишнього середовища. Це особливо вірно для паяльних майданчиків, які потрібно припаяти пізніше, щоб приєднати компоненти. Утворення оксидів на колодках погіршує здатність до паяння.

Крім того, окислення збільшує питомий опір, що погіршує електричне з’єднання. Як результат, погані паяні з’єднання можуть призвести до поломки пристрою або зниження надійності.

Таким чином, покриття поверхні друкованої плати виконує кілька функцій:

• Запобігайте окисленню міді перед паянням
• Забезпечують надійне формування паяного з’єднання
• Підтримуйте низький контактний опір на з'єднаннях
• Захищайте мідь від корозії протягом усього терміну експлуатації

Чому золото використовується у виготовленні друкованих плат

Золото має унікальні переваги, які роблять його кращим металом для обробки поверхні друкованих плат у багатьох сферах застосування:

Відмінна корозійна стійкість

Золото є високоінертним і не окислюється та не піддається корозії за звичайних умов використання чи навколишнього середовища. Це зберігає чистоту та провідність позолочених слідів протягом десятиліть терміну служби продукту.

Висока електропровідність

Золото має найвищий показник електропровідності після срібла та міді. Але і срібло, і мідь схильні до поверхневої корозії. Відмінна провідність золота поєднується з його стійкістю до корозії.

Гнучкі варіанти осадження

Золоті покриття можна легко наносити на друковані плати за допомогою таких процесів, як електролітичне або електролітичне покриття. Товщину можна контролювати за потреби.

Видатна паяність

Золото дозволяє утворювати високонадійні паяні з'єднання без проблем зволоження. Здатність до паювання залишається незмінною протягом періодів зберігання.

Тривалий термін зберігання

Золото зберігає свою чистоту і властивості нескінченно довго. Це забезпечує надзвичайно тривалий термін зберігання позолочених друкованих плат.

Пластичні відкладення

Золото створює пластичні покриття, які менш схильні до розтріскування або руйнування під впливом термічних циклічних навантажень.

Можливість склеювання дроту

Золоте покриття забезпечує високоефективне склеювання проводів, що важливо для мікроелектроніки.

Можливість переробки

Покриття із золота допускає кілька циклів повторної обробки та ремонту без втрати цілісності поверхні або властивостей.

Сумісність без свинцю

Золото повністю сумісне з безсвинцевими припоями та процесами пайки.

Недоліки сріблястих і мідних покриттів

Срібло та мідь мають такі переваги, як вища провідність і нижча вартість порівняно з золотим покриттям. Однак і срібло, і мідь мають обмеження:

Окислення та корозія: срібло та мідь легко окислюються та піддаються корозії в навколишньому середовищі. Це призводить до збільшення контактного опору та поганої паяльності з часом.

Погана надійність пайки: утворення оксиду заважає належному зволоженню під час пайки. Різнорідні металеві інтерфейси з припоями також підвищують ризик відмови.

Зменшений термін придатності: окислення та корозія срібних і мідних поверхонь починаються відразу після покриття. Це вимагає паяння відразу після покриття.

Неякісне склеювання дроту: Ризики окислення створюють проблеми зі склеюванням дроту зі срібними/мідними поверхнями порівняно із золотом.

Термоциклічна надійність: оксиди срібла та міді більш схильні до пошкоджень під час коливань температури порівняно з пластичним золотом.

Екологічні обмеження: Потьмяніння срібних покриттів може вивільняти токсичні сполуки срібла в навколишнє середовище під час використання та утилізації.

Вищі витрати протягом життєвого циклу: часті проблеми з корозією та спаюванням срібних/мідних поверхонь призводять до вищих витрат на ремонт, доопрацювання та гарантію.

Обробка поверхні PCB для золота

Безелектричне нікелеве іммерсійне золото (ENIG)

Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) — це широко використовуване покриття поверхні для друкованих плат (PCB). Він складається з двоетапного процесу, який включає осадження шарів нікелю та золота на мідні доріжки друкованої плати. Ось розбивка процесу ENIG і його ключові характеристики:

Безелектронікельне покриття

• На першому етапі мідні сліди друкованої плати занурюють у хімічну ванну, що містить розчин солей нікелю, відновників і стабілізаторів.
• Іони нікелю в розчині каталітично відновлюються на поверхні міді, утворюючи рівномірний безперервний шар нікелю без електроліту.
• Товщина шару нікелю зазвичай становить 3-6 мкм (мікрометрів). Така товщина забезпечує гарне покриття та служить дифузійним бар’єром між шарами міді та золота.

Осадження золота методом занурення

• Після нікелювання друковану плату занурюють у розчин, що містить солі золота.
• Іони золота в розчині хімічно відновлюються, осаджуючи тонкий шар золота на поверхні нікелю за допомогою процесу занурення.
• Шар золота зазвичай має товщину в межах 0.03-0.15 мкм, що забезпечує тонке, але ефективне захисне покриття.

Основні характеристики та переваги ENIG

1. Дифузійний бар’єр: шар нікелю діє як дифузійний бар’єр, запобігаючи міграції міді в шар золота і навпаки. Цей бар’єр допомагає підтримувати цілісність золотого шару та запобігає утворенню інтерметалічних сполук, які можуть вплинути на надійність паяного з’єднання.
2. Здатність до пайки: ENIG забезпечує чудову здатність до пайки завдяки плоскій і гладкій поверхні золота. Золотий шар сприяє змочуванню припою в процесі складання, забезпечуючи надійні паяні з'єднання.
3. Захист від корозії: золото має високу стійкість до окислення та корозії, створюючи надійний захисний шар для нікелю та міді, що лежить під ним. Ця стійкість до корозії особливо важлива для друкованих плат, які використовуються в суворих умовах або піддаються впливу вологи.
4. Рівність поверхні: процес ENIG забезпечує плоску та плоску поверхню, що важливо для компонентів технології поверхневого монтажу з дрібним кроком (SMT). Гладка золота поверхня допомагає забезпечити точне розміщення компонентів і надійне паяне з’єднання.
5. Хороші електричні характеристики: ENIG має хорошу електропровідність і низький контактний опір, що робить його придатним для високочастотних і високошвидкісних цифрових програм.
6. Сумісність із з’єднанням дротів: шар золота в ENIG сумісний із методами з’єднання дротів, які використовуються для підключення напівпровідникових мікросхем до друкованої плати. Гладка золота поверхня забезпечує надійне з’єднання проводів.

Загалом Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) пропонує надійну та універсальну обробку поверхні для друкованих плат, забезпечуючи чудову паяність, стійкість до корозії та електричні характеристики. Його використання поширене в різних галузях, включаючи споживчу електроніку, телекомунікації, аерокосмічну та медичну техніку.

Особливості процесу виготовлення друкованих плат із золотим покриттям

Проблеми паяності

Хоча шар золотого покриття демонструє добру хімічну стабільність, ця стабільність також означає, що золото не легко утворює хороший сплав із припоєм, що впливає на якість паяних з’єднань.
Під час процесу пайки, якщо шар золота занадто товстий, золото може розчинитися в припої, що призведе до крихкості паяних з’єднань. Це явище відоме як «крихкість золота».

Обмеження використання

Через проблеми з паянням золоте покриття зазвичай не використовується в областях, де потрібне інтенсивне паяння. Замість цього він частіше використовується для контактних точок з’єднувача або ділянок, призначених для скріплення алюмінієвого дроту.
У областях, де необхідна пайка, часто використовуються альтернативні методи обробки поверхні, такі як органічні консерванти паяльності (OSP), безсвинцевий припій або сплави олова і свинцю.

Проектні вимоги

Розробляючи друковану плату з позолоченим покриттям, необхідно ретельно розглянути товщину шару золота та місце його нанесення, щоб переконатися, що переваги золота можна використати, уникаючи його недоліків при паянні.
Таким чином, незважаючи на чудову продуктивність позолочених друкованих плат у певних аспектах, справді існують обмеження щодо продуктивності пайки. Ці обмеження вимагають особливої ​​уваги під час проектування та процесу виробництва.

Основні сфери застосування позолочених друкованих плат

Деякі приклади критично важливих застосувань, які покладаються на позолочені друковані плати, включають:

• Аерокосмічна та авіаційна електроніка: надійність Gold забезпечує безперервну роботу в космічних місіях.
• Медичні пристрої: золоті покриття запобігають корозії в імплантованих пристроях і діагностиці.
• Підводна електроніка: золото витримує високий тиск і соляні умови, які спостерігаються в океанографічному обладнанні.
• Високошвидкісні цифрові схеми: провідність Gold забезпечує безпомилкову передачу даних на частотах до кількох ГГц.
• Мікрохвильові та радарні модулі: позолота забезпечує найменші втрати на мікрохвильових частотах.
• Роз’єми та електромеханічні реле: тверде золото на контактних точках витримує мільйони циклів перемикання.
• Фотонні/оптоелектронні системи: золоті покриття забезпечують високу відбивну здатність, необхідну в точних оптичних інструментах.

Висновок

Підводячи підсумок, можна сказати, що золото є ідеальним покриттям поверхні друкованої плати для додатків, які вимагають найвищої надійності, провідності, стійкості до корозії, здатності до пайки та ефективності з’єднання проводів. Вища початкова вартість матеріалу для золота виправдана покращеною якістю продукту, терміном служби та зниженням ризиків відмови в критичних системах. Завдяки цьому електроніка нового покоління продовжує розширювати межі продуктивності та довговічності.

схожі повідомлення

1. Що таке процес виробництва друкованої плати?
2. Переваги та недоліки обробки поверхні друкованої плати
3. Вичерпний посібник із обробки поверхні друкованих плат: вибір, властивості та міркування щодо надійності