Obrazy autoryzowane przez klienta
Elektrolityczne niklowanie zanurzeniowe w złocie (ENIG) stało się złotym standardem dla wykończeń powierzchni PCB w elektronice o wysokiej niezawodności, od urządzeń medycznych po systemy lotnicze. Jego unikalne połączenie odporności na korozję, lutowności i kompatybilności z elementami o małym rastrze sprawia, że jest niezbędne dla nowoczesnych PCB. Jednak wydajność ENIG zależy całkowicie od ścisłego przestrzegania procesów produkcyjnych i standardów jakości. Nawet drobne odchylenia mogą prowadzić do katastrofalnych awarii, takich jak defekty „czarnej podkładki” lub słabe połączenia lutowane. Niniejszy przewodnik omawia proces produkcji ENIG, krytyczne środki kontroli jakości i globalne standardy, które zapewniają spójne i niezawodne wyniki.
Co to jest ENIG i dlaczego to ważne
ENIG to dwuwarstwowe wykończenie powierzchni nakładane na pady miedziane PCB:
1. Warstwa niklu (o grubości 3–7 µm), która działa jako bariera przed dyfuzją miedzi i zapewnia podstawę dla mocnych połączeń lutowanych.
2. Warstwa złota (o grubości 0,05–0,2 µm), która chroni nikiel przed utlenianiem, zapewniając długotrwałą lutowność.
W przeciwieństwie do wykończeń galwanicznych, ENIG wykorzystuje reakcje chemiczne (a nie elektryczność) do osadzania, umożliwiając równomierne pokrycie nawet na złożonych geometriach, takich jak mikrootwory i elementy BGA o małym rastrze. To sprawia, że jest idealny dla:
1. PCB o wysokiej częstotliwości (5G, radar), gdzie integralność sygnału jest krytyczna.
2. Urządzeń medycznych wymagających biokompatybilności i odporności na korozję.
3. Elektroniki lotniczej narażonej na ekstremalne temperatury i wibracje.
Proces produkcji ENIG: krok po kroku
Aplikacja ENIG to precyzyjny proces chemiczny z sześcioma krytycznymi etapami. Każdy krok musi być ściśle kontrolowany, aby uniknąć defektów.
1. Wstępne przygotowanie: Czyszczenie powierzchni miedzianej
Przed nałożeniem ENIG, pady miedziane PCB muszą być idealnie czyste. Zanieczyszczenia, takie jak oleje, tlenki lub pozostałości topnika, zapobiegają prawidłowemu przyleganiu niklu i złota, prowadząc do delaminacji.
a. Odtłuszczanie: PCB jest zanurzane w alkalicznym środku czyszczącym w celu usunięcia olejów i pozostałości organicznych.
b. Trawienie kwasem: Łagodny kwas (np. kwas siarkowy) usuwa tlenki i tworzy mikro-szorstką powierzchnię dla lepszej przyczepności niklu.
c. Mikro-trawienie: Roztwór nadsiarczanu sodu lub nadtlenku wodoru wytrawia powierzchnię miedzi do jednolitej chropowatości (Ra 0,2–0,4 µm), zapewniając pewne wiązanie warstwy niklu.
Krytyczne parametry:
a. Czas czyszczenia: 2–5 minut (zbyt długi powoduje przetrawienie; zbyt krótki pozostawia zanieczyszczenia).
b. Głębokość wytrawiania: 1–2 µm (usuwa tlenki bez ścieńczania krytycznych ścieżek).
2. Osadzanie niklu bezprądowe
Oczyszczone PCB jest zanurzane w kąpieli niklowej bezprądowej, gdzie reakcja chemiczna osadza stop niklu-fosforu na powierzchni miedzi.
Chemia reakcji: Jony niklu (Ni²⁺) w kąpieli są redukowane do metalicznego niklu (Ni⁰) przez środek redukujący (zazwyczaj podfosforyn sodu). Fosfor (5–12% wagowych) jest wbudowany w warstwę niklu, zwiększając odporność na korozję.
Kontrola procesu:
a. Temperatura: 85–95°C (odchylenia >±2°C powodują nierównomierne osadzanie).
b. pH: 4,5–5,5 (zbyt niskie spowalnia osadzanie; zbyt wysokie powoduje wytrącanie wodorotlenku niklu).
c. Mieszanie kąpieli: Zapewnia równomierne rozprowadzenie niklu na PCB.
Wynik: Gęsta, krystaliczna warstwa niklu (o grubości 3–7 µm), która blokuje dyfuzję miedzi i zapewnia powierzchnię lutowniczą.
3. Płukanie po niklu
Po osadzeniu niklu, PCB jest dokładnie płukane w celu usunięcia pozostałości chemikaliów z kąpieli, które mogłyby zanieczyścić kolejną kąpiel złota.
a. Płukanie wieloetapowe: Zazwyczaj 3–4 kąpiele wodne, z ostatnim płukaniem z użyciem wody dejonizowanej (DI) (czystość 18 MΩ-cm), aby uniknąć osadów mineralnych.
b. Suszenie: Suszenie ciepłym powietrzem (40–60°C) zapobiega powstawaniu plam wodnych, które mogłyby zniszczyć powierzchnię.
4. Osadzanie złota zanurzeniowego
PCB jest zanurzane w kąpieli złota, gdzie jony złota (Au³⁺) wypierają atomy niklu w reakcji chemicznej (wypieranie galwaniczne), tworząc cienką warstwę złota.
Dynamika reakcji: Jony złota są bardziej szlachetne niż nikiel, więc atomy niklu (Ni⁰) utleniają się do Ni²⁺, uwalniając elektrony, które redukują Au³⁺ do metalicznego złota (Au⁰). Powoduje to powstanie warstwy złota o grubości 0,05–0,2 µm związanej z niklem.
Kontrola procesu:
a. Temperatura: 70–80°C (wyższe temperatury przyspieszają osadzanie, ale grożą nierównomierną grubością).
b. pH: 5,0–6,0 (optymalizuje szybkość reakcji).
c. Stężenie złota: 1–5 g/L (zbyt niskie powoduje cienkie, nierówne złoto; zbyt wysokie marnuje materiał).
Kluczowa funkcja: Warstwa złota chroni nikiel przed utlenianiem podczas przechowywania i obsługi, zapewniając lutowność przez okres do 12+ miesięcy.
5. Obróbka po złoceniu
Po osadzeniu złota, PCB przechodzi końcowe czyszczenie i suszenie w celu przygotowania do testowania i montażu.
a. Ostateczne płukanie: Płukanie wodą DI w celu usunięcia pozostałości kąpieli złota.
b. Suszenie: Suszenie w niskiej temperaturze (30–50°C), aby uniknąć naprężeń termicznych na wykończeniu.
c. Opcjonalna pasywacja: Niektórzy producenci nakładają cienką powłokę organiczną, aby zwiększyć odporność złota na oleje z palców lub zanieczyszczenia środowiskowe.
6. Utwardzanie (opcjonalne)
W przypadku zastosowań wymagających maksymalnej twardości, wykończenie ENIG może przejść obróbkę cieplną:
a. Temperatura: 120–150°C przez 30–60 minut.
b. Cel: Poprawia krystaliczność niklu-fosforu, zwiększając odporność na zużycie w złączach o wysokim cyklu pracy.
Krytyczne testy kontroli jakości dla ENIG
Wydajność ENIG zależy od ścisłej kontroli jakości. Producenci używają tych testów do walidacji każdej partii:
1. Pomiar grubości
Metoda: Spektroskopia fluorescencji rentgenowskiej (XRF), która nieniszcząco mierzy grubość niklu i złota w 10+ punktach na PCB.
Kryteria akceptacji:
Nikiel: 3–7 µm (zgodnie z IPC-4552 Klasa 3).
Złoto: 0,05–0,2 µm (zgodnie z IPC-4554).
Dlaczego to ważne: Cienki nikiel (0,2 µm) zwiększa koszty bez korzyści i może powodować kruche połączenia lutowane.
2. Testowanie lutowności
Metoda: IPC-TM-650 2.4.10 „Lutowność powłok metalicznych”. PCB są wystawiane na działanie wilgoci (85°C/85% RH przez 168 godzin), a następnie lutowane do próbek testowych.
Kryteria akceptacji: ≥95% połączeń lutowanych musi wykazywać pełne zwilżenie (brak odzwilżania lub niezwilżania).
Tryb awarii: Słaba lutowność wskazuje na defekty warstwy złota (np. porowatość) lub utlenianie niklu.
3. Odporność na korozję
Metoda: Test natryskiwania solą ASTM B117 (5% roztwór NaCl, 35°C, 96 godzin) lub test wilgotności IPC-TM-650 2.6.14 (85°C/85% RH przez 1000 godzin).
Kryteria akceptacji: Brak widocznej korozji, utleniania lub przebarwień na padach lub ścieżkach.
Znaczenie: Krytyczne dla elektroniki zewnętrznej (stacje bazowe 5G) lub zastosowań morskich.
4. Testowanie przyczepności
Metoda: IPC-TM-650 2.4.8 „Wytrzymałość na odrywanie powłok metalicznych”. Pasek taśmy klejącej jest nakładany na wykończenie i odrywany pod kątem 90°.
Kryteria akceptacji: Brak delaminacji lub usuwania powłoki.
Wskazanie awarii: Słaba przyczepność sugeruje niewłaściwe wstępne przygotowanie (zanieczyszczenia) lub nieprawidłowe osadzanie niklu.
5. Wykrywanie czarnej podkładki
„Czarna podkładka” to najbardziej przerażający defekt ENIG: krucha, porowata warstwa między złotem a niklem, spowodowana nieprawidłowym osadzaniem niklu-fosforu.
Metody:
a. Inspekcja wizualna: Pod powiększeniem (40x), czarna podkładka wygląda jak ciemna, pęknięta warstwa.
b. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM): Ujawnia porowatość i nierówną powierzchnię nikiel-złoto.
c. Test ścinania połączeń lutowanych: Czarna podkładka powoduje spadek wytrzymałości na ścinanie o 50% + w porównaniu z dobrym ENIG.
Zapobieganie: Ścisła kontrola pH i temperatury kąpieli niklowej oraz regularna analiza kąpieli w celu uniknięcia nadmiaru fosforu (>12%).
Globalne standardy regulujące ENIG
Produkcja ENIG jest regulowana przez kilka kluczowych standardów w celu zapewnienia spójności:
|
Standard
|
Organ wydający
|
Obszar zainteresowania
|
Kluczowe wymagania
|
|
IPC-4552
|
IPC
|
Galwanizacja niklem bezprądowa
|
Grubość niklu (3–7 µm), zawartość fosforu (5–12%)
|
|
IPC-4554
|
IPC
|
Galwanizacja złotem zanurzeniowym
|
Grubość złota (0,05–0,2 µm), lutowność
|
|
IPC-A-600
|
IPC
|
Akceptowalność płyt drukowanych
|
Standardy wizualne dla ENIG (brak korozji, delaminacji)
|
|
ISO 10993-1
|
ISO
|
Biokompatybilność (urządzenia medyczne)
|
ENIG musi być nietoksyczny i nie drażniący
|
|
AS9100
|
SAE
|
Zarządzanie jakością w lotnictwie
|
Identyfikowalność materiałów i procesów ENIG
|
Typowe defekty ENIG i jak ich unikać
Nawet przy ścisłej kontroli, ENIG może rozwinąć defekty. Oto jak im zapobiegać:
|
Defekt
|
Przyczyna
|
Środek zapobiegawczy
|
|
Czarna podkładka
|
Nadmiar fosforu w niklu (>12%), niewłaściwe pH
|
Kontrolować chemię kąpieli niklowej; codziennie testować zawartość fosforu
|
|
Wżery złota
|
Zanieczyszczenia w kąpieli złota (np. chlorki)
|
Filtrować kąpiel złota; używać chemikaliów o wysokiej czystości
|
|
Cienkie plamy złota
|
Nierówna powierzchnia niklu (z powodu słabego czyszczenia)
|
Ulepszyć wstępne przygotowanie; zapewnić równomierne mikro-trawienie
|
|
Delaminacja niklu
|
Pozostałości oleju lub tlenków na miedzi
|
Ulepszyć etapy odtłuszczania i trawienia
|
|
Matowienie złota
|
Ekspozycja na związki siarki
|
Przechowywać PCB w szczelnym, wolnym od siarki opakowaniu
|
ENIG vs. Inne wykończenia: Kiedy wybrać ENIG
ENIG to nie jedyna opcja, ale przewyższa alternatywy w kluczowych obszarach:
|
Wykończenie
|
Najlepsze dla
|
Ograniczenia w porównaniu do ENIG
|
|
HASL
|
Niskokosztowa elektronika użytkowa
|
Słaba wydajność w małym rastrze; nierówna powierzchnia
|
|
OSP
|
Urządzenia o krótkiej żywotności (np. czujniki)
|
Utlenia się szybko; brak odporności na korozję
|
|
Złoto galwaniczne
|
Złącza o wysokim zużyciu
|
Wyższy koszt; wymaga energii elektrycznej; porowate bez niklu
|
|
Srebro zanurzeniowe
|
PCB przemysłowe średniego zasięgu
|
Matowieje w wilgotnym środowisku; krótszy okres przydatności do spożycia
|
ENIG to oczywisty wybór dla zastosowań o wysokiej niezawodności, wysokiej częstotliwości lub małym rastrze, gdzie kluczowa jest długoterminowa wydajność.
FAQ
P: Czy ENIG nadaje się do lutowania bezołowiowego?
O: Tak. Warstwa niklu ENIG tworzy mocne połączenia międzymetaliczne z lutowiami bezołowiowymi (np. SAC305), co czyni go idealnym dla urządzeń zgodnych z RoHS.
P: Jak długo ENIG pozostaje lutowny?
O: Prawidłowo przechowywane PCB ENIG (w szczelnym opakowaniu) zachowują lutowność przez 12–24 miesiące, znacznie dłużej niż OSP (3–6 miesięcy) lub HASL (6–9 miesięcy).
P: Czy ENIG może być używany na elastycznych PCB?
O: Zdecydowanie. ENIG dobrze przylega do podłoży polimidowych i wytrzymuje zginanie bez pękania, co czyni go odpowiednim dla urządzeń elastycznych do noszenia i medycznych.
P: Jaki jest koszt ENIG w porównaniu do HASL?
O: ENIG kosztuje 30–50% więcej niż HASL, ale zmniejsza koszty długoterminowe, minimalizując awarie w zastosowaniach o wysokiej niezawodności.
Wnioski
ENIG to zaawansowane wykończenie powierzchni, które wymaga precyzji na każdym etapie produkcji — od wstępnego przygotowania po osadzanie złota. Po wykonaniu zgodnie z globalnymi standardami (IPC-4552, IPC-4554) i zweryfikowaniu poprzez rygorystyczne testy, zapewnia niezrównaną odporność na korozję, lutowność i kompatybilność z nowoczesnymi konstrukcjami PCB.
Dla producentów i inżynierów zrozumienie procesu ENIG i wymagań jakościowych jest niezbędne do wykorzystania jego zalet. Współpracując z dostawcami, którzy priorytetowo traktują ścisłą kontrolę i identyfikowalność, możesz zapewnić, że Twoje PCB spełniają wymagania medyczne, lotnicze, 5G i inne krytyczne zastosowania.
ENIG to nie tylko wykończenie — to zobowiązanie do niezawodności.
Kluczowe przesłanie: Wydajność ENIG zależy od opanowania procesów chemicznych i egzekwowania ścisłej kontroli jakości. Jeśli zostanie wykonane prawidłowo, jest to najlepsze wykończenie powierzchni dla elektroniki o wysokiej niezawodności.
Twoja wiadomość musi mieć od 20 do 3000 znaków!
