چرا نیکل غوطه ور شدن قبل از غوطه ور شدن طلا در سطح PCB ضروری است

در دنیای تولید PCB، پوشش‌های سطحی قهرمانان گمنامی هستند که از پدهای مسی محافظت می‌کنند، لحیم‌کاری قابل اطمینان را تضمین می‌کنند و طول عمر برد را افزایش می‌دهند. در میان قابل اعتمادترین پوشش‌ها، نیکل بدون الکترولیز غوطه‌وری در طلا (ENIG) قرار دارد که به دلیل دوام، قابلیت لحیم‌کاری و سازگاری با طرح‌های با چگالی بالا مورد توجه قرار می‌گیرد. اما چه چیزی ENIG را اینقدر موثر می‌کند؟ پاسخ در ساختار دو لایه آن نهفته است: یک پایه از نیکل غوطه‌وری، که با یک لایه نازک از طلای غوطه‌وری پوشانده شده است. در حالی که طلا به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، توجه زیادی را به خود جلب می‌کند، لایه نیکل اسب کار گمنام است - بدون آن، ENIG شکست می‌خورد. در اینجا دلیل غیرقابل مذاکره بودن نیکل غوطه‌وری قبل از طلای غوطه‌وری و چگونگی اطمینان از عملکرد PCBها در کاربردهای حیاتی آورده شده است.

نقش نیکل غوطه‌وری: بیش از یک «لایه میانی»
نیکل غوطه‌وری بین پدهای مسی PCB و لایه طلای بیرونی قرار می‌گیرد و سه عملکرد غیرقابل جایگزین را انجام می‌دهد که ENIG را به استاندارد طلایی برای الکترونیک با قابلیت اطمینان بالا تبدیل می‌کند.

1. محافظت از مانع: متوقف کردن انتشار مس
مس یک رسانای عالی است، اما از نظر شیمیایی واکنش‌پذیر است - به خصوص زمانی که در معرض طلا قرار می‌گیرد. بدون مانع، اتم‌های مس در طول زمان به لایه طلا مهاجرت می‌کنند، فرآیندی که به آن انتشار می‌گویند. این اختلاط یکپارچگی طلا را فاسد می‌کند و آن را شکننده و مستعد اکسیداسیون می‌کند. نتیجه؟ اتصالات لحیم‌کاری ضعیف، تخریب سیگنال و خرابی زودرس.

نیکل غوطه‌وری به عنوان یک فایروال شیمیایی عمل می‌کند. ساختار کریستالی آن به اندازه کافی متراکم است که از رسیدن یون‌های مس به طلا جلوگیری می‌کند، حتی در محیط‌های با حرارت بالا (به عنوان مثال، در طول لحیم‌کاری مجدد). آزمایش‌ها نشان می‌دهد که یک لایه نیکل 3 تا 5 میکرومتر انتشار مس را بیش از 99٪ در مقایسه با طلای مستقیماً روی مس کاهش می‌دهد.

2. افزایش قابلیت لحیم‌کاری: پایه اتصالات قوی
برای PCBها، قابلیت لحیم‌کاری فقط به معنای «چسبیدن» نیست - بلکه به معنای تشکیل پیوندهای قوی و سازگار است که در برابر چرخه‌های دما، لرزش و زمان مقاومت می‌کنند. نیکل غوطه‌وری این امکان را فراهم می‌کند.

الف. سطح صاف و یکنواخت: برخلاف مس برهنه (که به سرعت اکسید می‌شود) یا پوشش‌های خشن (مانند HASL)، نیکل یک پایه صاف و یکنواخت برای لحیم ایجاد می‌کند. این امر تضمین می‌کند که لحیم به طور مساوی در سراسر پدها پخش می‌شود و نقص‌هایی مانند «گلوله‌های لحیم» یا «اتصالات سرد» را کاهش می‌دهد.
ب. تشکیل بین فلزی کنترل شده: در طول لحیم‌کاری، نیکل با قلع موجود در لحیم واکنش نشان می‌دهد و Ni3Sn4 را تشکیل می‌دهد، یک ترکیب بین فلزی قوی که اتصال را در جای خود قفل می‌کند. بدون نیکل، مس با قلع واکنش نشان می‌دهد و Cu6Sn5 را تشکیل می‌دهد که شکننده است و مستعد ترک خوردن تحت فشار است.

مطالعه‌ای توسط IPC نشان داد که اتصالات لحیم‌کاری ENIG (با نیکل) 3 برابر بیشتر از چرخه‌های حرارتی (-55 درجه سانتی‌گراد تا 125 درجه سانتی‌گراد) در مقایسه با اتصالات با استفاده از مس روکش شده با طلا بدون نیکل مقاومت می‌کنند.

3. استحکام مکانیکی: جلوگیری از لایه‌برداری و سایش
PCBها تحت تنش مکانیکی مداوم قرار دارند - از وارد کردن/خارج کردن کانکتورها تا لرزش در محیط‌های خودرو یا هوافضا. نیکل غوطه‌وری چقرمگی حیاتی را اضافه می‌کند:

الف. چسبندگی: نیکل محکم به مس و طلا متصل می‌شود و از لایه‌برداری (پوسته‌پوسته‌شدن) که مس زیرین را در معرض خوردگی قرار می‌دهد، جلوگیری می‌کند.
ب. مقاومت در برابر سایش: در حالی که طلا نرم است، سختی نیکل (200 تا 300 HV) از پوشش در برابر خراش در هنگام جابجایی یا مونتاژ محافظت می‌کند، که برای PCBها در دستگاه‌های ناهموار مانند حسگرهای صنعتی ضروری است.

فرآیند ENIG: چگونه نیکل و طلا با هم کار می‌کنند
ENIG فقط «نیکل اندود شده و سپس طلا» نیست - این یک فرآیند شیمیایی دقیق است که به خواص منحصر به فرد هر لایه متکی است. در اینجا نحوه عملکرد آن آمده است:

مرحله 1: رسوب نیکل غوطه‌وری
پدهای مسی PCB ابتدا تمیز می‌شوند تا اکسیدها از بین بروند، سپس در یک حمام نیکل-فسفر فرو برده می‌شوند. برخلاف آبکاری الکتریکی (که از برق استفاده می‌کند)، نیکل غوطه‌وری از طریق یک واکنش شیمیایی تشکیل می‌شود: یون‌های نیکل موجود در حمام کاهش می‌یابند و روی سطح مس رسوب می‌کنند، در حالی که مس اکسید می‌شود و در محلول حل می‌شود.

الف، ضخامت مهم است: لایه‌های نیکل به شدت بین 3 تا 7 میکرومتر کنترل می‌شوند. خیلی نازک (7 میکرومتر) و شکننده می‌شود و خطر ترک خوردن در هنگام خم شدن را دارد.
ب. محتوای فسفر: اکثر نیکل ENIG حاوی 7 تا 11٪ فسفر است که مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد و استرس را در لایه کاهش می‌دهد.

مرحله 2: رسوب طلای غوطه‌وری
هنگامی که لایه نیکل پخته شد، PCB در یک حمام طلا فرو برده می‌شود. یون‌های طلا جایگزین اتم‌های نیکل در سطح می‌شوند (فرآیندی که به آن آبکاری جابجایی می‌گویند) و یک لایه نازک (0.05 تا 0.2 میکرومتر) تشکیل می‌دهند که نیکل را مهر و موم می‌کند.

نقش طلا محافظت از نیکل در برابر اکسیداسیون قبل از لحیم‌کاری است. به اندازه کافی نازک است که در طول مونتاژ در لحیم حل شود (نیکل را برای تشکیل بین فلزی در معرض دید قرار می‌دهد) اما به اندازه کافی ضخیم است که در برابر کدر شدن در هنگام ذخیره‌سازی (تا 12+ ماه) مقاومت کند.

چرا نمی‌توان از این فرآیند دو مرحله‌ای صرف‌نظر کرد
طلا به تنهایی نمی‌تواند جایگزین لایه نیکل شود. طلا برای مسدود کردن انتشار مس خیلی نرم است و با لحیم، بین فلزات قوی تشکیل نمی‌دهد. بدتر از آن، طلای مستقیماً روی مس آبکاری شده یک «جفت گالوانیکی» (یک اثر شبیه باتری) ایجاد می‌کند که خوردگی را تسریع می‌کند. جادوی ENIG در هم‌افزایی نهفته است: نیکل از انتشار جلوگیری می‌کند و لحیم‌کاری قوی را امکان‌پذیر می‌کند، در حالی که طلا از نیکل در برابر اکسیداسیون محافظت می‌کند.

چه اتفاقی می‌افتد وقتی از نیکل صرف‌نظر شود؟ خطرات کم‌کاری
برخی از تولیدکنندگان سعی می‌کنند با صرف‌نظر از نیکل یا استفاده از لایه‌های نامرغوب، هزینه‌ها را کاهش دهند، اما عواقب آن شدید است - به ویژه برای PCBها در کاربردهای حیاتی مانند دستگاه‌های پزشکی یا سیستم‌های هوافضا.

1. خرابی «پد سیاه»: رایج‌ترین فاجعه
«پد سیاه» یک نقص ترسناک است که در آن لایه نیکل به خطر می‌افتد و یک باقیمانده تیره و متخلخل بین طلا و مس باقی می‌ماند. این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که نیکل خیلی نازک، ضعیف آبکاری شده یا در معرض آلاینده‌ها قرار گیرد. بدون یک مانع نیکل دست نخورده، رابط طلا-مس از بین می‌رود و لحیم‌کاری را غیرممکن می‌کند - اتصالات یا نمی‌چسبند یا با حداقل نیرو از بین می‌روند.

مطالعه‌ای توسط IPC نشان داد که 80٪ از خرابی‌های ENIG در PCBهای هوافضا به لایه‌های نیکل ناکافی برمی‌گردد که به طور متوسط ​​50000 دلار در هر دسته در بازسازی و تاخیر برای تولیدکنندگان هزینه دارد.

2. خوردگی و اکسیداسیون
نیکل بسیار بیشتر از مس در برابر خوردگی مقاوم است. بدون آن، پدهای مسی به سرعت اکسید می‌شوند، حتی در ذخیره‌سازی کنترل‌شده. مس اکسید شده لحیم را دفع می‌کند و منجر به «اتصالات خشک» می‌شود که تحت بار الکتریکی از کار می‌افتند. به عنوان مثال، یک شرکت مخابراتی که از PCBهای روکش شده با طلا (بدون نیکل) در ایستگاه‌های پایه 5G استفاده می‌کند، نرخ خرابی 30٪ را در عرض 6 ماه گزارش کرد - در مقایسه با 0.5٪ با ENIG.

3. قابلیت اطمینان ضعیف اتصال لحیم‌کاری
لحیم به نیکل متصل می‌شود، نه طلا. هنگامی که نیکل وجود ندارد، لحیم به طور ضعیف به مس روکش شده با طلا می‌چسبد و اتصالات ایجاد می‌کند که تحت تنش حرارتی یا مکانیکی ترک می‌خورند. در PCBهای خودرو (در معرض لرزش و نوسانات دما)، این امر منجر به خرابی‌های متناوب در سیستم‌های حیاتی مانند ADAS (سیستم‌های پیشرفته کمک راننده) می‌شود - خطری که هیچ سازنده‌ای نمی‌تواند از عهده آن برآید.

ENIG در مقابل سایر پوشش‌ها: چرا نیکل تفاوت ایجاد می‌کند
ENIG تنها پوشش PCB نیست، اما لایه نیکل آن مزایایی را به آن می‌دهد که جایگزین‌ها نمی‌توانند با آن مطابقت داشته باشند. در اینجا نحوه انباشته شدن آن آمده است:

لایه نیکل ENIG دلیل برتری آن نسبت به سایرین در محیط‌های خشن است. به عنوان مثال، در کاربردهای دریایی (رطوبت بالا، قرار گرفتن در معرض نمک)، PCBهای ENIG 5 برابر بیشتر از PCBهایی با پوشش‌های HASL یا OSP دوام می‌آورند.

بهترین روش‌ها برای نیکل غوطه‌وری در ENIG
برای به حداکثر رساندن مزایای نیکل، تولیدکنندگان باید از استانداردهای سختگیرانه برای ضخامت، خلوص و کنترل فرآیند پیروی کنند.

1. کنترل ضخامت: 3 تا 7 میکرومتر غیرقابل مذاکره است
همانطور که اشاره شد، لایه‌های نیکل نازک‌تر از 3 میکرومتر به عنوان مانع شکست می‌خورند، در حالی که لایه‌های ضخیم‌تر از 7 میکرومتر شکننده می‌شوند. IPC-4552 (استاندارد جهانی برای نیکل بدون الکترولیز) تلرانس ±1 میکرومتر را برای اطمینان از سازگاری الزامی می‌کند. تولیدکنندگان پیشرو از فلورسانس اشعه ایکس (XRF) برای تأیید ضخامت در سراسر 100٪ پدها استفاده می‌کنند.

2. محتوای فسفر: 7 تا 11٪ برای عملکرد بهینه
آلیاژهای نیکل-فسفر با 7 تا 11٪ فسفر، سختی و مقاومت در برابر خوردگی را متعادل می‌کنند. فسفر کمتر (11٪) شکنندگی را افزایش می‌دهد.

3. نظارت بر فرآیند: اجتناب از «پد سیاه»
پد سیاه زمانی رخ می‌دهد که حمام نیکل به درستی نگهداری نشود (به عنوان مثال، pH نادرست، مواد شیمیایی آلوده). تولیدکنندگان باید:

الف. شیمی حمام را روزانه آزمایش کنید (pH 4.5 تا 5.5 ایده‌آل است).
ب. حمام را فیلتر کنید تا آلاینده‌های ذرات را از بین ببرید.
ج. از تجهیزات آبکاری خودکار برای اطمینان از رسوب یکنواخت استفاده کنید.

تأثیر در دنیای واقعی: ENIG در کاربردهای حیاتی
قابلیت اطمینان ENIG - که توسط لایه نیکل آن تقویت می‌شود - آن را در زمینه‌هایی که شکست گزینه نیست، ضروری می‌کند:

الف. دستگاه‌های پزشکی: ضربان‌سازها و دفیبریلاتورها از ENIG استفاده می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که اتصالات لحیم‌کاری در برابر مایعات بدن و نوسانات دما به مدت 10+ سال مقاومت می‌کنند.
ب. هوافضا: PCBهای ماهواره‌ای برای مقاومت در برابر تشعشعات و نوسانات شدید دما (-200 درجه سانتی‌گراد تا 150 درجه سانتی‌گراد) بدون خوردگی به ENIG متکی هستند.
ج. زیرساخت‌های 5G: سطح صاف ENIG از BGAs با گام ریز (گام 0.4 میلی‌متری) در ایستگاه‌های پایه پشتیبانی می‌کند و سیگنال‌های با فرکانس بالا (28+ گیگاهرتز) را تضمین می‌کند.

سوالات متداول
س: اگر نیکل غوطه‌وری خیلی نازک باشد چه اتفاقی می‌افتد (<3 میکرومتر)؟
پاسخ: نیکل نازک از مسدود کردن انتشار مس باز می‌ماند و منجر به اکسیداسیون، طلای شکننده و اتصالات لحیم‌کاری ضعیف می‌شود. خطر نقص «پد سیاه» را افزایش می‌دهد.

س: آیا فلزات دیگر می‌توانند جایگزین نیکل در ENIG شوند؟
پاسخ: خیر. جایگزین‌هایی مانند پالادیوم پرهزینه هستند و بین فلزات قوی مشابهی با لحیم تشکیل نمی‌دهند. نیکل تنها ماده‌ای است که محافظت از مانع، قابلیت لحیم‌کاری و هزینه را متعادل می‌کند.

س: نیکل غوطه‌وری در ENIG چقدر دوام می‌آورد؟
پاسخ: با آبکاری مناسب (ضخامت 3 تا 7 میکرومتر، 7 تا 11٪ فسفر)، نیکل در طول عمر PCB - اغلب 10+ سال در محیط‌های کنترل‌شده - موثر باقی می‌ماند.

س: چرا ENIG گران‌تر از سایر پوشش‌ها است؟
پاسخ: هزینه ENIG دقت فرآیند دو لایه آن، از جمله نیکل و طلای با خلوص بالا و کنترل کیفیت دقیق را منعکس می‌کند. این سرمایه‌گذاری به ویژه برای الکترونیک‌های با ارزش بالا، در قابلیت اطمینان نتیجه می‌دهد.

نتیجه
نیکل غوطه‌وری در ENIG یک فکر بعدی نیست - این پایه و اساس است. نقش آن به عنوان یک مانع در برابر انتشار مس، یک عامل توانمند برای اتصالات لحیم‌کاری قوی و یک محافظ در برابر تنش مکانیکی، آن را غیرقابل جایگزین می‌کند. صرف‌نظر از نیکل یا کم‌کاری در ضخامت آن، نه تنها پوشش را به خطر می‌اندازد - بلکه عملکرد کل PCB را به خطر می‌اندازد، به ویژه در کاربردهای حیاتی.

برای مهندسان و تولیدکنندگان، پیام روشن است: هنگام تعیین ENIG، لایه نیکل را در اولویت قرار دهید. کیفیت آن تعیین می‌کند که آیا PCB پیشرفت می‌کند یا شکست می‌خورد.