تولید برد مدار چاپی ENIG: فرآیند، کنترل کیفیت و استانداردهای صنعت

تصاویر مجاز مشتری

نیکل بدون الکترولیت غوطه وری طلا (ENIG) به استاندارد طلایی برای پوشش های سطحی PCB در الکترونیک با قابلیت اطمینان بالا، از دستگاه های پزشکی گرفته تا سیستم های هوافضا تبدیل شده است. ترکیب منحصر به فرد مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت لحیم کاری و سازگاری آن با اجزای با گام ریز، آن را برای PCB های مدرن ضروری می کند. با این حال، عملکرد ENIG کاملاً به پایبندی دقیق به فرآیندهای تولید و استانداردهای کیفیت بستگی دارد. حتی انحرافات جزئی می تواند منجر به خرابی های فاجعه باری مانند نقص های «پد سیاه» یا اتصالات لحیم ضعیف شود. این راهنما فرآیند تولید ENIG، اقدامات کنترل کیفیت حیاتی و استانداردهای جهانی را که نتایج ثابت و قابل اعتمادی را تضمین می کند، بررسی می کند.​

ENIG چیست و چرا اهمیت دارد​
ENIG یک پوشش سطحی دو لایه است که بر روی پدهای مسی PCB اعمال می شود:​
   1. یک لایه نیکل (3 تا 7 میکرومتر ضخامت) که به عنوان مانعی در برابر انتشار مس عمل می کند و پایه ای برای اتصالات لحیم قوی فراهم می کند.​
   2. یک لایه طلا (0.05 تا 0.2 میکرومتر ضخامت) که از نیکل در برابر اکسیداسیون محافظت می کند و قابلیت لحیم کاری طولانی مدت را تضمین می کند.​

برخلاف پوشش های آبکاری شده، ENIG از واکنش های شیمیایی (نه برق) برای رسوب استفاده می کند و پوشش یکنواختی را حتی بر روی هندسه های پیچیده مانند میکروویا و BGAs با گام ریز امکان پذیر می کند. این باعث می شود که برای موارد زیر ایده آل باشد:​
  1. PCB های با فرکانس بالا (5G، رادار) که در آن یکپارچگی سیگنال حیاتی است.​
  2. دستگاه های پزشکی که نیاز به سازگاری زیستی و مقاومت در برابر خوردگی دارند.​
  3. الکترونیک هوافضا که در معرض دما و لرزش شدید قرار دارد.​

فرآیند تولید ENIG: گام به گام​
اعمال ENIG یک فرآیند شیمیایی دقیق با شش مرحله حیاتی است. هر مرحله باید به شدت کنترل شود تا از نقص جلوگیری شود.​

1. پیش تصفیه: تمیز کردن سطح مس​
قبل از اعمال ENIG، پدهای مسی PCB باید کاملاً تمیز شوند. آلاینده هایی مانند روغن ها، اکسیدها یا باقیمانده های شار از چسبندگی مناسب نیکل و طلا جلوگیری می کنند و منجر به لایه برداری می شوند.​
   الف. چربی زدایی: PCB در یک پاک کننده قلیایی غوطه ور می شود تا روغن ها و باقیمانده های آلی از بین برود.​
   ب. اچ کردن اسید: یک اسید ملایم (به عنوان مثال، اسید سولفوریک) اکسیدها را از بین می برد و یک سطح میکرو خشن برای چسبندگی بهتر نیکل ایجاد می کند.​
   ج. میکرو اچ کردن: یک محلول پرسولفات سدیم یا پراکسید هیدروژن سطح مس را به زبری یکنواخت (Ra 0.2 تا 0.4 میکرومتر) اچ می کند و از اتصال ایمن لایه نیکل اطمینان حاصل می کند.​
پارامترهای بحرانی:​
  الف. زمان تمیز کردن: 2 تا 5 دقیقه (خیلی طولانی باعث اچ شدن بیش از حد می شود. خیلی کوتاه آلاینده ها را باقی می گذارد).​
  ب. عمق اچ: 1 تا 2 میکرومتر (اکسیدها را بدون نازک کردن ردیابی های بحرانی از بین می برد).​

2. رسوب نیکل بدون الکترولیت​
PCB تمیز شده در یک حمام نیکل بدون الکترولیت غوطه ور می شود، جایی که یک واکنش شیمیایی آلیاژ نیکل-فسفر را روی سطح مس رسوب می دهد.​
واکنش شیمیایی: یون های نیکل (Ni²⁺) در حمام توسط یک عامل کاهنده (معمولاً هیپوفسفیت سدیم) به نیکل فلزی (Ni⁰) کاهش می یابند. فسفر (5 تا 12٪ وزنی) در لایه نیکل گنجانده شده و مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می دهد.​
کنترل های فرآیند:​
   الف. دما: 85 تا 95 درجه سانتیگراد (تغییرات > ±2 درجه سانتیگراد باعث رسوب ناهموار می شود).​
   ب. pH: 4.5 تا 5.5 (خیلی کم رسوب را کند می کند. خیلی زیاد باعث رسوب هیدروکسید نیکل می شود).​
   ج. هم زدن حمام: توزیع یکنواخت نیکل را در سراسر PCB تضمین می کند.​
نتیجه: یک لایه نیکل متراکم و کریستالی (3 تا 7 میکرومتر ضخامت) که از انتشار مس جلوگیری می کند و یک سطح قابل لحیم کاری را فراهم می کند.​

3. شستشوی پس از نیکل​
پس از رسوب نیکل، PCB کاملاً شسته می شود تا مواد شیمیایی باقیمانده حمام که می توانند حمام طلای بعدی را آلوده کنند، از بین برود.​
  الف. شستشوی چند مرحله ای: معمولاً 3 تا 4 حمام آب، با شستشوی نهایی با استفاده از آب دیونیزه (DI) (خلوص 18 MΩ-cm) برای جلوگیری از رسوبات معدنی.​
  ب. خشک کردن: خشک کردن با هوای گرم (40 تا 60 درجه سانتیگراد) از ایجاد لکه های آب که می تواند سطح را خراب کند، جلوگیری می کند.​

4. رسوب طلای غوطه وری​
PCB در یک حمام طلا فرو برده می شود، جایی که یون های طلا (Au³⁺) اتم های نیکل را در یک واکنش شیمیایی (جابجایی گالوانیکی) جابجا می کنند و یک لایه طلای نازک تشکیل می دهند.​
پویایی واکنش: یون های طلا نجیب تر از نیکل هستند، بنابراین اتم های نیکل (Ni⁰) به Ni²⁺ اکسید می شوند و الکترون هایی را آزاد می کنند که Au³⁺ را به طلای فلزی (Au⁰) کاهش می دهند. این یک لایه طلای 0.05 تا 0.2 میکرومتر را تشکیل می دهد که به نیکل متصل شده است.​
کنترل های فرآیند:​
   الف. دما: 70 تا 80 درجه سانتیگراد (دمای بالاتر رسوب را تسریع می کند اما خطر ضخامت ناهموار را دارد).​
   ب. pH: 5.0 تا 6.0 (نرخ واکنش را بهینه می کند).​
   ج. غلظت طلا: 1 تا 5 گرم در لیتر (خیلی کم باعث ایجاد طلای نازک و لکه دار می شود. خیلی زیاد مواد را هدر می دهد).​
عملکرد کلیدی: لایه طلا از نیکل در برابر اکسیداسیون در حین نگهداری و جابجایی محافظت می کند و قابلیت لحیم کاری را تا 12+ ماه تضمین می کند.​

5. درمان پس از طلا​
پس از رسوب طلا، PCB تحت تمیز کردن و خشک کردن نهایی قرار می گیرد تا برای آزمایش و مونتاژ آماده شود.​
  الف. شستشوی نهایی: شستشوی آب DI برای از بین بردن باقیمانده های حمام طلا.​
  ب. خشک کردن: خشک کردن در دمای پایین (30 تا 50 درجه سانتیگراد) برای جلوگیری از تنش حرارتی روی سطح.​
  ج. غیرفعال سازی اختیاری: برخی از تولیدکنندگان یک پوشش آلی نازک را برای افزایش مقاومت طلا در برابر روغن های انگشت یا آلاینده های محیطی اعمال می کنند.​

6. پخت (اختیاری)​
برای کاربردهایی که به حداکثر سختی نیاز دارند، سطح ENIG ممکن است تحت یک پخت حرارتی قرار گیرد:​
  الف. دما: 120 تا 150 درجه سانتیگراد به مدت 30 تا 60 دقیقه.​
  ب. هدف: کریستالی شدن نیکل-فسفر را بهبود می بخشد و مقاومت در برابر سایش را برای کانکتورهای با چرخه بالا افزایش می دهد.​

آزمایش های کنترل کیفیت حیاتی برای ENIG​
عملکرد ENIG به کنترل کیفیت دقیق بستگی دارد. تولیدکنندگان از این آزمایش ها برای تأیید هر دسته استفاده می کنند:​
1. اندازه گیری ضخامت​
روش: طیف سنجی فلورسانس اشعه ایکس (XRF)، که ضخامت نیکل و طلا را در بیش از 10 نقطه در هر PCB به صورت غیر مخرب اندازه گیری می کند.​
معیارهای پذیرش:​
  نیکل: 3 تا 7 میکرومتر (طبق IPC-4552 کلاس 3).​
  طلا: 0.05 تا 0.2 میکرومتر (طبق IPC-4554).​
چرا اهمیت دارد: نیکل نازک (0.2 میکرومتر) هزینه را بدون مزیت افزایش می دهد و می تواند باعث ایجاد اتصالات لحیم شکننده شود.​

2. تست قابلیت لحیم کاری​
روش: IPC-TM-650 2.4.10 «قابلیت لحیم کاری پوشش های فلزی». PCB ها در معرض رطوبت (85 درجه سانتیگراد/85٪ RH به مدت 168 ساعت) قرار می گیرند و سپس برای آزمایش کوپن ها لحیم می شوند.​
معیارهای پذیرش: ≥95٪ از اتصالات لحیم باید خیس شدن کامل (بدون خیس شدن یا غیر خیس شدن) را نشان دهند.​
حالت شکست: قابلیت لحیم کاری ضعیف نشان دهنده نقص لایه طلا (به عنوان مثال، تخلخل) یا اکسیداسیون نیکل است.​

3. مقاومت در برابر خوردگی​
روش: تست اسپری نمک ASTM B117 (محلول 5٪ NaCl، 35 درجه سانتیگراد، 96 ساعت) یا تست رطوبت IPC-TM-650 2.6.14 (85 درجه سانتیگراد/85٪ RH به مدت 1000 ساعت).​
معیارهای پذیرش: عدم خوردگی، اکسیداسیون یا تغییر رنگ قابل مشاهده در پدها یا ردیابی ها.​
اهمیت: برای الکترونیک های فضای باز (ایستگاه های پایه 5G) یا کاربردهای دریایی حیاتی است.​

4. تست چسبندگی​
روش: IPC-TM-650 2.4.8 «مقاومت پوسته پوشش های فلزی». یک نوار چسب به سطح اعمال می شود و در 90 درجه به عقب کنده می شود.​
معیارهای پذیرش: عدم لایه برداری یا حذف پوشش.​
شاخص شکست: چسبندگی ضعیف نشان دهنده پیش تصفیه ناکافی (آلاینده ها) یا رسوب نیکل نامناسب است.​

5. تشخیص پد سیاه​
«پد سیاه» وحشتناک ترین نقص ENIG است: یک لایه شکننده و متخلخل بین طلا و نیکل که ناشی از رسوب نامناسب نیکل-فسفر است.​
روش ها:​
   الف. بازرسی بصری: زیر بزرگنمایی (40x)، پد سیاه به عنوان یک لایه تیره و ترک خورده ظاهر می شود.​
   ب. میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM): تخلخل و رابط نیکل-طلا ناهموار را نشان می دهد.​
   ج. تست برشی اتصال لحیم: پد سیاه باعث می شود مقاومت برشی 50٪+ در مقایسه با ENIG خوب کاهش یابد.​
پیشگیری: کنترل دقیق pH و دمای حمام نیکل و تجزیه و تحلیل منظم حمام برای جلوگیری از فسفر اضافی (>12٪).​

استانداردهای جهانی حاکم بر ENIG​
تولید ENIG توسط چندین استاندارد کلیدی تنظیم می شود تا از ثبات اطمینان حاصل شود:​

نقص های رایج ENIG و نحوه جلوگیری از آنها​
حتی با کنترل های دقیق، ENIG می تواند نقص هایی ایجاد کند. در اینجا نحوه جلوگیری از آنها آمده است:​

ENIG در مقابل سایر پوشش ها: چه زمانی ENIG را انتخاب کنیم​
ENIG تنها گزینه نیست، اما در زمینه های کلیدی از جایگزین ها بهتر عمل می کند:​

ENIG انتخاب واضحی برای کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا، فرکانس بالا یا گام ریز است که در آن عملکرد طولانی مدت حیاتی است.​

سوالات متداول​
س: آیا ENIG برای لحیم کاری بدون سرب مناسب است؟​
پاسخ: بله. لایه نیکل ENIG با لحیم های بدون سرب (به عنوان مثال، SAC305) اینترمتالیک های قوی تشکیل می دهد و آن را برای دستگاه های سازگار با RoHS ایده آل می کند.​

س: ENIG چه مدت قابلیت لحیم کاری دارد؟​
پاسخ: PCB های ENIG که به درستی ذخیره شده اند (در بسته بندی های مهر و موم شده) قابلیت لحیم کاری را به مدت 12 تا 24 ماه حفظ می کنند، که بسیار بیشتر از OSP (3 تا 6 ماه) یا HASL (6 تا 9 ماه) است.​

س: آیا می توان از ENIG در PCB های انعطاف پذیر استفاده کرد؟​
پاسخ: قطعا. ENIG به خوبی به زیرلایه های پلی آمید می چسبد و بدون ترک خوردن در برابر خم شدن مقاومت می کند و آن را برای دستگاه های انعطاف پذیر پوشیدنی و پزشکی مناسب می کند.​

س: هزینه ENIG در مقایسه با HASL چقدر است؟​
پاسخ: ENIG 30 تا 50 درصد بیشتر از HASL هزینه دارد، اما با به حداقل رساندن خرابی ها در کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا، هزینه های بلندمدت را کاهش می دهد.

نتیجه​
ENIG یک پوشش سطحی پیچیده است که در هر مرحله از تولید - از پیش تصفیه تا رسوب طلا - دقت می طلبد. هنگامی که مطابق با استانداردهای جهانی (IPC-4552، IPC-4554) اجرا شود و از طریق آزمایش های دقیق تأیید شود، مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت لحیم کاری و سازگاری بی نظیری را با طرح های PCB مدرن ارائه می دهد.​
برای تولیدکنندگان و مهندسان، درک فرآیند و الزامات کیفیت ENIG برای بهره بردن از مزایای آن ضروری است. با مشارکت با تامین کنندگانی که کنترل های دقیق و قابلیت ردیابی را در اولویت قرار می دهند، می توانید اطمینان حاصل کنید که PCB های شما نیازهای پزشکی، هوافضا، 5G و سایر برنامه های کاربردی حیاتی را برآورده می کنند.​
ENIG فقط یک پایان نیست - تعهدی به قابلیت اطمینان است.​
نکته کلیدی: عملکرد ENIG به تسلط بر فرآیندهای شیمیایی و اجرای کنترل کیفیت دقیق بستگی دارد. وقتی درست انجام شود، بهترین پوشش سطحی برای الکترونیک با قابلیت اطمینان بالا است.​