Tại sao mạ niken nhúng lại quan trọng trước mạ vàng nhúng trong hoàn thiện bề mặt PCB

Trong thế giới sản xuất PCB, kết thúc bề mặt là những anh hùng không nổi tiếng bảo vệ miếng đệm, đảm bảo hàn đáng tin cậy và kéo dài tuổi thọ của bảng.Trong số các kết thúc đáng tin cậy nhất là vàng ngâm nickel không điện (ENIG)Nhưng điều gì làm cho ENIG hiệu quả đến vậy? Câu trả lời nằm trong cấu trúc hai lớp của nó: một nền tảng của nickel ngâm,được phủ một lớp mỏng vàng ngâmTrong khi vàng nhận được nhiều sự chú ý cho khả năng chống ăn mòn của nó, lớp niken là con ngựa không được ghi danh mà không có nó, ENIG thất bại.Đây là lý do tại sao nickel ngâm không thể trao đổi trước khi ngâm vàng, và làm thế nào nó đảm bảo hiệu suất PCB trong các ứng dụng quan trọng.

Vai trò của Nickel ngâm: Không chỉ là một lớp giữa
Nickel ngâm nằm giữa các tấm đồng PCB và lớp vàng bên ngoài, phục vụ ba chức năng không thể thay thế khiến ENIG trở thành tiêu chuẩn vàng cho điện tử độ tin cậy cao.

1Bảo vệ rào cản: Ngăn chặn sự lan truyền đồng
Đồng là một chất dẫn xuất sắc, nhưng nó phản ứng hóa học đặc biệt khi tiếp xúc với vàng.Sự pha trộn này làm hỏng tính toàn vẹn của vàng.Kết quả là các khớp hàn bị suy yếu, tín hiệu bị suy giảm, và thất bại sớm.

Nickel ngâm hoạt động như một tường lửa hóa học. Cấu trúc tinh thể của nó đủ dày để ngăn chặn các ion đồng tiếp cận vàng, ngay cả trong môi trường nhiệt độ cao (ví dụ, trong quá trình hàn lại).Các thử nghiệm cho thấy một lớp niken 3 ¢ 5μm làm giảm sự khuếch tán đồng hơn 99% so với vàng được mạ trực tiếp trên đồng.

2Cải thiện khả năng hàn: Nền tảng của các khớp mạnh
Đối với PCB, khả năng hàn không chỉ là "nhét" nó mà còn tạo ra các liên kết mạnh mẽ, nhất quán chịu được chu kỳ nhiệt độ, rung động và thời gian.

a. Bề mặt phẳng, đồng đều: Không giống như đồng trần (mà oxy hóa nhanh chóng) hoặc kết thúc thô (như HASL), niken tạo ra một cơ sở mượt mà, đồng đều cho hàn. Điều này đảm bảo hàn lan rộng đồng đều trên các miếng đệm,Giảm các khiếm khuyết như “bông hàn” hay “bối lạnh”.
b.Sự hình thành liên kim loại được kiểm soát: Trong quá trình hàn, niken phản ứng với thiếc trong hàn để tạo thành Ni3Sn4, một hợp chất liên kim loại mạnh khóa khớp vào vị trí.đồng phản ứng với thiếc để tạo thành Cu6Sn5, là mỏng manh và dễ bị nứt dưới áp lực.

Một nghiên cứu của IPC cho thấy các khớp hàn ENIG (với niken) chịu được chu kỳ nhiệt nhiều gấp 3 lần (-55 °C đến 125 °C) so với các khớp sử dụng đồng mạ vàng không niken.

3- Sức mạnh cơ học: ngăn chặn delamination và mặc
PCB phải đối mặt với căng thẳng cơ học liên tục từ việc chèn / loại bỏ các đầu nối đến rung động trong môi trường ô tô hoặc hàng không vũ trụ.

a. Chăm sóc: Nickel liên kết chặt chẽ với cả đồng và vàng, ngăn chặn việc tách lớp (đánh vỏ) sẽ làm cho đồng dưới đó bị ăn mòn.
b. Chống mài mòn: Trong khi vàng mềm, độ cứng của niken (200 ¢ 300 HV) bảo vệ kết thúc khỏi trầy xước trong khi xử lý hoặc lắp ráp, một điều bắt buộc đối với PCB trong các thiết bị bền như cảm biến công nghiệp.

Quá trình ENIG: Làm thế nào Nickel và Vàng làm việc cùng nhau
ENIG không chỉ là "bọc niken sau đó vàng" nó là một quá trình hóa học chính xác dựa trên các tính chất độc đáo của mỗi lớp.

Bước 1: Nạp Nickel
Các miếng đệm đồng của PCB được làm sạch trước tiên để loại bỏ oxit, sau đó ngâm trong bồn tắm nickel-phosphorus.các ion niken trong bồn tắm được giảm và lắng đọng trên bề mặt đồng, trong khi đồng oxy hóa và hòa tan vào dung dịch.

a,Độ dày quan trọng: Các lớp niken được kiểm soát chặt chẽ trong khoảng 3 ¢ 7μm. Quá mỏng (< 3μm) và nó không hoạt động như một rào cản; quá dày (> 7μm) và nó trở nên mong manh, có nguy cơ nứt trong khi uốn cong.
b. Hàm lượng Phosphorus: Hầu hết niken ENIG chứa 7~11% Phosphorus, làm tăng khả năng chống ăn mòn và giảm căng thẳng trong lớp.

Bước 2: Lưu trữ vàng ngâm
Một khi lớp niken đã khắc phục, PCB được ngâm trong bồn tắm vàng.2μm) niêm phong niken.

Vai trò của vàng là bảo vệ niken khỏi oxy hóa trước khi hàn.Nó đủ mỏng để hòa tan trong hàn trong quá trình lắp ráp (phơi bày nickel để hình thành liên kim loại) nhưng đủ dày để chống lại mờ trong quá trình lưu trữ (lên đến 12 tháng).

Tại sao không thể bỏ qua quá trình hai bước này
Vàng một mình không thể thay thế lớp niken. Vàng quá mềm để ngăn chặn sự phân tán đồng, và nó không tạo thành các chất liên kim loại mạnh mẽ với hàn. Tệ hơn,Vàng được mạ trực tiếp trên đồng tạo ra một cặp galvanic (một hiệu ứng giống như pin) làm tăng tốc độ ăn mònSiêu phép của ENIG nằm ở sự phối hợp: niken ngăn chặn sự khuếch tán và cho phép hàn mạnh, trong khi vàng bảo vệ niken khỏi oxy hóa.

Điều gì xảy ra khi bỏ qua niken?
Một số nhà sản xuất cố gắng giảm chi phí bằng cách bỏ qua niken hoặc sử dụng các lớp thấp hơn,nhưng hậu quả là nghiêm trọng đặc biệt đối với PCB trong các ứng dụng quan trọng như thiết bị y tế hoặc hệ thống hàng không vũ trụ.

1. ¢ Black Pad ¢ Thất bại: thảm họa phổ biến nhất
Đen pad là một khiếm khuyết đáng sợ nơi mà lớp niken bị tổn thương, để lại một dư lượng mờ, xốp giữa vàng và đồng.hoặc tiếp xúc với các chất gây ô nhiễmNếu không có một rào cản niken nguyên vẹn, giao diện vàng-nước đồng sẽ bị phá vỡ, làm cho hàn bất khả thi - các khớp sẽ không dính hoặc kéo ra với lực tối thiểu.

Một nghiên cứu của IPC cho thấy 80% các lỗi ENIG trong PCB hàng không vũ trụ bắt nguồn từ các lớp niken không đầy đủ, khiến các nhà sản xuất phải trả trung bình 50.000 đô la mỗi lô trong việc sửa chữa và trì hoãn.

2. ăn mòn và oxy hóa
Nickel có khả năng chống ăn mòn cao hơn đồng, vì nếu không có nó, các tấm đệm đồng sẽ bị oxy hóa nhanh chóng, ngay cả khi được lưu trữ có kiểm soát.dẫn đến "đối kết khô" bị hỏng dưới tải điệnVí dụ, một công ty viễn thông sử dụng PCB bọc vàng (không có niken) trong trạm cơ sở 5G báo cáo tỷ lệ thất bại 30% trong vòng 6 tháng do oxy hóa so với 0,5% với ENIG.

3- Sự tin cậy của khớp hàn kém
Khi không có niken, hàn gắn yếu với đồng mạ vàng, tạo ra các khớp bị nứt do nhiệt hoặc căng cơ khí.Trong PCB ô tô (có thể chịu rung động và biến động nhiệt độ), điều này dẫn đến sự cố liên tục trong các hệ thống quan trọng như ADAS (Hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến) - một rủi ro mà không nhà sản xuất nào có thể đủ khả năng.

ENIG so với các kết thúc khác: Tại sao niken tạo ra sự khác biệt
ENIG không phải là kết thúc PCB duy nhất, nhưng lớp niken của nó mang lại cho nó những lợi thế mà các lựa chọn thay thế không thể sánh được.

Lớp niken của ENIG là lý do nó vượt trội hơn những người khác trong môi trường khắc nghiệt.PCB ENIG tồn tại lâu hơn 5 lần so với các PCB có kết thúc HASL hoặc OSP.

Thực hành tốt nhất cho việc ngâm niken trong ENIG
Để tối đa hóa lợi ích của niken, các nhà sản xuất phải tuân thủ các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về độ dày, độ tinh khiết và kiểm soát quy trình.

1. Kiểm soát độ dày: 3 ¢ 7μm là không thể thương lượng
Như đã lưu ý, các lớp niken mỏng hơn 3μm không hoạt động như một rào cản, trong khi các lớp dày hơn 7μm trở nên mong manh.IPC-4552 (tiêu chuẩn toàn cầu cho niken không điện) yêu cầu độ khoan độ ± 1μm để đảm bảo tính nhất quánCác nhà sản xuất hàng đầu sử dụng quang quang tia X (XRF) để xác minh độ dày trên 100% các miếng đệm.

2. hàm lượng Phosphorus: 711% cho hiệu suất tối ưu
Các hợp kim niken-phốt pho với 711% phốt pho cân bằng độ cứng và khả năng chống ăn mòn. Phốt pho thấp hơn (<7%) làm cho niken quá mềm; mức độ cao hơn (>11%) làm tăng độ mỏng.

3. Giám sát quy trình: Tránh “Black Pad”
Bàn đệm đen xảy ra khi bồn tắm niken được duy trì kém (ví dụ, pH không chính xác, hóa chất bị ô nhiễm).

a. Kiểm tra hóa chất tắm hàng ngày (pH 4,5 ∼ 5,5 là lý tưởng).
b. Xử lý bồn tắm để loại bỏ các chất gây ô nhiễm hạt.
c. Sử dụng thiết bị mạ tự động để đảm bảo lắng đọng đồng nhất.

Tác động thực tế: ENIG trong các ứng dụng quan trọng
Độ tin cậy của ENIG được hỗ trợ bởi lớp niken của nó làm cho nó trở nên không thể thiếu trong các lĩnh vực mà thất bại không phải là một lựa chọn:

a. Các thiết bị y tế: Máy tạo nhịp tim và máy khử rung sử dụng ENIG để đảm bảo các khớp hàn chịu được chất lỏng cơ thể và biến động nhiệt độ trong hơn 10 năm.
b. Hàng không vũ trụ: PCB vệ tinh dựa trên ENIG để chống lại bức xạ và biến động nhiệt độ cực đoan (-200 °C đến 150 °C) mà không bị ăn mòn.
c.5G cơ sở hạ tầng: bề mặt phẳng của ENIG hỗ trợ BGA pitch mỏng (0,4mm pitch) trong các trạm cơ sở, đảm bảo tín hiệu tần số cao ổn định (28+ GHz).

Câu hỏi thường gặp
Q: Điều gì xảy ra nếu nickel ngâm quá mỏng (< 3μm)?
A: Nickel mỏng không thể ngăn chặn sự phân tán đồng, dẫn đến oxy hóa, vàng dễ vỡ và các khớp hàn yếu. Nó làm tăng nguy cơ bị lỗi “black pad”.

Q: Các kim loại khác có thể thay thế niken trong ENIG không?
A: Không. Các chất thay thế như palladium tốn kém và không tạo thành các chất liên kim loại mạnh như với hàn. Nickel là vật liệu duy nhất cân bằng bảo vệ rào cản, hàn và chi phí.

Hỏi: Nickel ngâm trong ENIG kéo dài bao lâu?
A: Với lớp phủ thích hợp (trong độ dày 37μm, phốt pho 711%), niken vẫn có hiệu quả trong tuổi thọ của PCB, thường là hơn 10 năm trong môi trường được kiểm soát.

Hỏi: Tại sao ENIG đắt hơn so với các loại kết thúc khác?
A: Chi phí của ENIG phản ánh độ chính xác của quá trình hai lớp của nó, bao gồm niken và vàng tinh khiết cao và kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt.đặc biệt cho các thiết bị điện tử có giá trị cao.

Kết luận
Nickel ngâm không phải là một suy nghĩ sau trong ENIG ơi nó là nền tảng. vai trò của nó như là một rào cản chống lại sự phân tán đồng, một khả năng của các khớp hàn mạnh mẽ,và một bộ bảo vệ chống căng thẳng cơ học làm cho nó không thể thay thếBỏ qua niken hoặc cắt góc trên độ dày của nó không chỉ làm tổn hại đến kết thúc mà còn gây nguy hiểm cho toàn bộ hiệu suất của PCB, đặc biệt là trong các ứng dụng quan trọng.

Đối với các kỹ sư và nhà sản xuất, thông điệp rất rõ ràng: Khi xác định ENIG, ưu tiên lớp niken.