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沉醉镍/金是曩昔十年首要的印刷线路板外表处置体例。在曩昔的5年里,手机已相称风行,并且以很是大的数量进步环球各个差别的天气带。与此同时,手机终端已成为良多人的必需品,在他们到场的任何勾当中都要随身照顾。用户步履的这些变更已严峻改变了来自湿润,汗液,侵蚀性气体和机器跌落的影响。对焊料毗连靠得住性的请求的成果是,抗侵蚀性和耐磨性变得愈来愈首要,以便保障终端装备的高靠得住性。因为淡薄且多孔的沉醉镍/金没法以一种使人对劲的体例应答这些挑衅,此刻,一个避免操纵沉醉(Imm.)镍/金的范式转换正在停止中。
几年前,诺基亚已操纵OSP替换了终端装备焊盘上的沉醉镍/金,并对焊料毗连靠得住性产生了主动影响。此刻,电化学现实研讨和大规模高产量出产已证实,对键盘和弹簧打仗盘,碳外表处置加以适当的概念设想将使沉醉镍/金在未几的将来成为过剩之选。
本医学论文已经商在为刚需打印路线图板选用相貌应急处置时各种百般要些斟酌的事变,和出自于诺基亚电话的席卷的有用性讨论会,并加以出自于IPU/IPL/DTU 的电生物现在讨论会。 关头字 本身妥善处理,HASL,镍/金,ENIG,OSP,碳,靠经得住性,黑盘,轻金属间单质,金脆变,侵袭,情况下去尝试,微信用户上海特色,移动式式破费自动化代谢物。 1. 弁言
化镍浸金是曩昔10年占统治位置的印刷线路板外表处置体例,并且化镍浸金工艺是今朝天下上大局部印刷线路板制作商的标准。因为汗青的缘由,化镍浸金被看成一个防氧化层引入到了PWB制作业,用于供给杰出的可焊性润湿才能和永劫候PWB贮存才能。从这方面来说,ENIG不辱任务;可是从靠得住性的概念来看,应当尽能够或许或许或许或许或许或许限定它在挪动电子装备上的操纵。
近已证实上面一些特色和景象与在PWB中挑选操纵ENIG间接相干,如:金脆变致使的冷焊料毗连,焊料毗连界面裂化,侵蚀和打仗盘磨穿。
是以,为了确保便携式破费电子产物的靠得住性,必须评价可供热焊接和电机打仗挑选的外表处置体例。
挑选外表处置的首要能源有:
● 靠得住性;
● 可操纵性;
● 本钱;
● 根基的手艺请求。
迄今为止,还不存在一种通用的外表处置体例,它即能供给很高的焊料毗连靠得住性,又能供给很高的电机打仗盘靠得住性。弹簧承载的毗连器遍及用于手机,电机打仗盘便是为之设想的。
要根据之本需求的差別,才能或或或或或或把PWB内心处治年底分红5个基本的分组: 2.1. 应用在热激光焊接的表层治理: 一个用于热焊接的外表处置不得不知足以下几个请求:
● 较高的可湿润性;
● 焊料毗连力;
● 适于细间距和CSP组装的外表平展度。
业界有良多处置体例可供挑选,此中有:
● HASL (热风整平)
● 浸锡;
● 镍/金(ENIG);
● 浸银;
● OSP(无机外表掩护剂)
一个用于电机毗连盘的外表处置不得不知足以下几个请求:
● 机器经久力(磨损抵当力)
● 抗侵蚀性
● 打仗电阻
此中有几种处置体例:
● 镍/金(电镀);
● 镍/金(ENIG);
● 浸银;
● 碳;
● 焊膏(锡/锡打仗)。
当对曩昔20年遍及用于便携式电子装备的各类外表处置停止查询拜访时,发明ENIG变得如斯风行,而其余处置体例被萧瑟多年的缘由并不合适逻辑:
● 固然,此中的一个诠释是,直到近咱们依然不晓得其生效机理是甚么。跟着经历的增添,它们已逐步浮出水面。
● 别的一个诠释是,不情愿变动电子行业的那些传统的工具,即便在阐发尝试室和靠得住性专家已提出这些题目今后。
● 后一个诠释是,在PWB制作方面,外表处置物理可用性的贫乏总会担搁向其余处置体例的改变。已把资金投到ENIG工艺了,为其余处置体例添置新的装备须要更多的投资。这个现实也造成了必然的担搁。
3.1. HASL + 碳
在一代产物中,从80年月前期起,PWB盘面的普通外表处置是热风整平(HASL)。在良多场所,HASL与碳被组合起来作为键盘和LCD焊盘的外表处置体例。
3.2. 化镍浸金(ENIG)
挣脱窘境的独一方式是找到别的一种平且共面的可焊的外表处置体例。裸铜等闲氧化,影响可焊性(湿润),不合适请求。
3.2.1. 黑盘
在一切供给商那边城市随机产生一个名叫黑盘的题目,即便他们操纵差别牌子的镍/金工艺。随便在哪个盘上贫乏金,其影响是润湿不良或不润湿,致使的成果是落空内部互联。黑盘毛病谬误首要在手机组装线被发明和拒收;可是坏的情况是若是某台产物经由进程了100%的电气尝试,厥后却在市场上落空了功效。若是曲折PWB,能够或许或许或许或许或许或许就像不良焊料毗连落空毗连一样产生随机毛病。
已有良多现实诠释黑盘呈现的缘由,但究竟是甚么触发了黑盘的呈现,至今还不告竣共鸣。可是,这几年电镀槽制作商在这个范畴已取得了一些停顿,不过ENIG工艺依然不能根绝这类实效,它偶然能够或许或许或许或许或许或许和PWB设想有关。
3.2.2. 焊球界面分裂
据流露,界面升级,是一个新型的与黑盘题目相干的生效。生效的BGA或CSP的微切片显现,在Cu焊盘和焊球之间的界面内部存在裂痕,即便是已完美湿润了(图5)。
缘由能够或许或许或许或许或许或许是甚么?在颠末多量查询拜访今后,发明是3个题目联协感化的成果:
● 一个被忽视的题目,在镍和锡之间的易碎的金属间化合物(IMC)。
● 一个现实,用户起头比之前加倍频仍的把产物跌落到空中。
● 与之前的封装范例比拟,在刚性的BGA封装范例内部贫乏焊料毗连应力消弭的路子
IMC题目:
镍-锡IMC构成于焊接进程中。当产物裸露于机器振动中时,会致使焊料毗连内部的IMC分裂,出格是BGA范例的器件(图6)。这类景象被称作“金脆变”,并且,自从引入ENIG以来,就已较着存在这类景象。
封装应力:
QFP确切具备能够或许或许或许或许或许或许充实消弭焊料毗连应力的鸥翅形引脚,从而能够或许或许或许或许或许或许蒙受住必然程度的机器应力。当PWB在手机跌落的进程中形变时,具备球形焊球(图7)的BGA封装不能供给良多首要的应力消弭路子;是以,等闲的就冲破了产生分裂的低极限。
经由进程对数千台现实产物和出格设想的板子停止受束缚的跌落尝试------尝试中操纵了加快计、变形丈量计和事务探测器,并操纵高速拍照机组停止视频录制------明天咱们已对应力和生效机理有了更好的懂得。尝试数据标明,绝对1-2米跌落中的地球引力,PWB在跌落尝试中的曲折度是一个更大的题目。因为已缔造了一些计较机模子,以是能够或许或许或许或许或许或许在设想阶段做一些跌落仿真。
用户特色的变更:
80年月初期,当人们能够或许或许或许或许或许或许在市场上买到手机的时辰,那时的手机很是高贵,是以用户都谨慎翼翼的庇护着他们手中的手机。到了90年月初期,手机市场额度暴增,致使硬件本钱下降。同时,办事供给商偶然也以承当一小局部本钱的情势向终用户赠予手机,使其成为公共熟习的一个媒体,供给商还能从通话中缔造买卖。对大局部人来说,这已是一件功德了,可是也带了负面的影响------用户健忘了一台挪动手机现实上是一个须要稳重看待的很是紧密和庞杂的电子装备。因为其低本钱,手机俄然之间被人随便处置,致使手机裸露于远高于曩昔所蒙受的应力品级。手机从1到1.5米跌落上去,不再是不能够或许或许或许或许或许或许的任务,是以,须要尽快接纳步履应答靠得住性题目。
3.3. 挑选性ENIG + OSP
为了闭幕IMC题目,在2000年引入了挑选性ENIG+OSP,这象征着金仅用于键盘和其余电机接场所。图9所示的挑选性工艺,向已请求刻薄的ENIG工艺提出了额定的庞杂度、挑衅和本钱。
3.4. ENIG属性改良
因为ENIG到此刻仅用于电机打仗,以是查抄这类外表是否是是好的以确保充足的打仗靠得住性是首要的。
此刻的景象看起来是如许的:
1.挑选性镍/金工艺是庞杂和高贵的。
2.镍/金的品德不大局部人希冀的那样好。
○ 很是薄(40-60纳米)的金外表处置带来了磨损题目------能够或许或许或许或许或许或许致使镍侵蚀。
○ 凡是,即便在不机器磨损外表的影响下,金外表的多孔性也会带来镍侵蚀题目。
4.1. 底子电化学
当把两个差别的导电资料浸入导电电解液中,并像图11一样短接它们时,在阳极会产生氧化反应,如侵蚀(就金属和合金来说,金属离子分化);在阴极会产生的阴极反应有氢开释,氧复原或堆积。
4.2. 尝试电化学阐发
为了间接在细小的手机零部件上实现电化学丈量,操纵了所谓的微电化学手艺,此手艺能够或许或许或许或许或许或许有用丈量从几毫米到几微米规模的细小地区面积,见图14。
4.3. 电化化学拆卸产生的极化曲线
图15与纯金属比拟,展现了按键的差别金属层的极化曲线。从中能够或许或许或许或许或许或许看出,磷化镍上的浸金层的均衡电势有一个低于纯金电势的电势和一个高于纯镍电势的电势。这标明磷化镍上的浸金层的电势是一个金和磷化镍的夹杂电势,缘由是金层不完全笼盖磷化镍层。一切镍样本和铜的阳极电流要比金超越跨越一个数量级。
4.4. 电气化学论断
普通情况下,在金和绝对廉价的资料------如镍和铜------之间的电耦合将引发严峻的侵蚀风险,是以应当稳重斟酌这类风险的布局。
已研讨了下述候选处置体例:
■ 镍/金(电镀)
■ 镍/金(用于组装的电镀P3)
■ 碳(网印)
5.1. 在硬质PWB上电镀金
因为操纵镍/金(硬金,厚度大于0.8μm)电镀的PWB外表具备打仗电阻低,良好的经久性和侵蚀性等特色,是以在手艺上它是具引诱力的打仗外表。可是在大局部情况下,这类处置工艺都以失利了结,以是其本钱相称高。另外一个操纵上的妨碍是,在操纵汇流母线电镀的进程中,须要短路一切的打仗盘。镀完今后,必须断开汇流母线,如许会产生令电磁兼容和静电开释惧怕的很长的“死痕”。只要在罕有的场所------一切相干的打仗盘都散布在PWB的周边,这类工艺才成心义,因为能够或许或许或许或许或许或许在卸板进程中操纵铣的体例有用地轻松移走汇流母线。
5.2.在P3上电镀金
取放盘(Pick and Place Pads, P3)是一些由铜或镍-银制成的小金属碎片。P3是用硬朗的镍和金电镀而成的。为了组装便利,能够或许或许或许或许或许或许等闲的把P3设想成任何须要的外形,尺寸和厚度,并把它看成一颗电阻或电容停止操纵。
5.3. 在硬质PWB上敷碳
碳在PWB行业已遍及操纵过30多年,可是在曩昔十几年里已隐退。从70年月和80年月碳被高度欣赏和操纵以来,到了90年月,几近被ENIG合作出局。延续至今还在操纵碳作为硬质主板外表的,只要长途节制,对讲机,和各类范例的电子玩具的键盘。除此以外,基于聚酯电线和银碳聚合物的薄膜打仗开关仍在遍及操纵碳。
碳作为硬质PWB的一个选项,只要在高端和挪动装备市场被遍及萧瑟。当斟酌到碳供给的这些长处时,这是一个变态的景象,
■ 比金的价还高
■ 简略而自制的加工进程
■ 对O2, SO2, NOx, Cl-和其余气体的高耐蚀性
■ 液体,如大局部溶剂,咖啡,啤酒,可乐等,对其几近不影响
■ 优异的耐磨性(稠密且“自光滑”的外表)
■ 与ENIG比拟,工艺进程对情况更友爱
毛病谬误未几,可是晓得它们是很首要的:
■ 与纯金属外表比拟,打仗电阻很高,典范值为2-6欧姆
■ 碳层的安排公役典范值为+/- 150μm
■ 因为碳糊生来便是或多或少吸湿的,以是好仅用于以必然体例固化的品德一流的资料。若是操纵了不恰当的资料和热固化曲线,电阻将对湿度很是敏感。
5.3.1. 制作进程
以网印的体例,碳在一个附加的进程(图18)中被施加到PWB外表。这是一个相称简略的进程,与ENIG比拟,触及很是少的步骤和操纵助剂。
初期的研讨[1]和[2]已证实,接纳红外线对碳停止固化,较着改良了阻抗稳定性,并可喜的下降了外表电阻。若是红外固化进程操纵了适合的曲线和主动在线装备,3步加起来的全部进程所破费的时辰能够或许或许或许或许或许或许低至15分钟,以是很是适于多量量出产。
5.3.2. 打仗电阻
打仗电阻的界说是:电机打仗和PWB内的铜之间的电阻。
此电阻是以下电阻的总和:
1. 弹簧触点到碳外表的电阻
2. 碳层体电阻
3. 碳到铜外表的电阻
5.3.3. 碳的外表电阻率
为了完美对碳的描写,有须要提出是,一些新呈现的植入电阻器手艺是基于聚合碳电阻器的。准绳上,对外表处置来说,这些电阻器资料与碳类似。差别首要是,外表电阻被调理以适于每个十倍程,举例说来,如100 欧姆/平方,1千欧姆/平方, 10千欧姆/平方,等等。
对“打仗碳”,外表电阻率应当尽能够或许或许或许或许或许或许低:典范值15欧姆/平方,大值25欧姆/平方。
5.4. 抱负的组合
上面的这个组合能够或许或许或许或许或许或许是潜伏的将来具本钱/靠得住性吸收力和矫捷的打算:
■ 用于焊盘的OSP
■ 潜伏的用于焊盘的浸银
■ 用于对打仗电阻有请求的场所------关头的电机毗连------的焊接毗连器或P3
■ 用于键盘和其余更低电阻请求场所------关头的电机打仗盘------的碳。
6. 碳的靠得住性尝试
因为电子行业在曩昔十多年遍及萧瑟碳的操纵,以是现实上大局部PWB供给商不得不从头拜访他们曩昔具备的那些工艺技能。网印机曩昔老是不能敷衍现今对可反复性和切确性的请求,它们请求计较机节制的参数设置和拍照机瞄准体系。
为了评价下述几个方面,有须要查询拜访市场并须要良多PWB供给商制作一些出格设想的用于打仗电阻卡尔文丈量的尝试板(图29):
■ 是一流的碳处置工艺吗?
■ 碳糊能够或许或许或许或许或许或许知足对打仗电阻和外表电阻的湿稳定性和低阻值的请求吗?
6.1. 尝试打算:
尝试板和用碳改良过的尝试手机已被裸露于良多情况和现实的用户尝试中。这里会商这些尝试的首要的局部。在大局部案例中,已操纵ENIG尝试板作为参考,以便比拟两种外表处置的靠得住性。
光板尝试:
■ 盐雾尝试(2周)
■ SO2侵蚀性气体尝试(48小时)
磨损和侵蚀的组合手机级别尝试:
■ 轮回干冷尝试25OC~55OC,98% R.H.(IEC 60068-2-30 Variant 1,耽误了6天到六周的时辰).
■ 2,500,000次键击+干冷的键盘寿命尝试(表1)。这是个出格设想的用于激起毛病的“非标”尝试,是以,能够或许或许或许或许或许或许裸显露各类百般尝试样本的靠得住性品级差别。它摹拟了多少年的操纵时辰。耗时5周实现了此尝试,对每个5000次键击,都主动丈量了电阻。
6.2.1. 光板盐雾尝试
2周的盐雾尝试竣事后,对尝试板停止了视觉查抄。高磷ENIG样本侵蚀的如斯严峻(图21),乃至于不得不抛却了打算中的键功效测试。
6.2.2. 光板SO2侵蚀性气体尝试
ENIG和碳,二者都经由进程了测试。必须提出的的是,ENIG是操纵改良后的高磷ENIG镀上去的。标准ENIG 在起初的尝试中已申明,若是裸露在此尝试中,会严峻侵蚀,这也是履行高磷ENIG的缘由。
6.2.3. 轮回干冷尝试
在裸露于尝试情况的全部进程中,对弹簧触点在碳外表的打仗电阻停止了持续监控。弹簧触点的外表处置是电镀金。
6.2.4. 磨损和侵蚀组合尝试
此尝试是根据手机的级别在多量手机UI板上实现的,包含完全的键盘(21键)和用于2个弹簧负载的板对板毗连器的打仗点(24个)。弹簧毗连器接纳了电镀金外表处置。尝试中组合了差别的碳制作工艺的设置和多量差别的碳糊。
6.2.5. 性命周期的极度尝试
在优异的尝试成果的鼓动勉励下,在此中的36个样本上再次停止了磨损和侵蚀尝试,以是总的打击是5,000,000次键击和4次干冷尝试周期。电阻依然处于100欧姆一下,全部碳外表依然看起来完全无损,也不任何磨损或侵蚀的迹象。
对6.2.4中描写的接纳碳+OSP的UI板,在18个样本上履行了下述组合尝试:
1. 把PWB在盐雾中裸露1周
2. 操纵异丙醇去除盐污
3. 裸露于无铅回流焊曲线中
4. 拆卸dome-sheet和手机布局件
5. 裸露于2,500,000次键击的磨损和侵蚀组合尝试中
尝试后的成果是:
◎ 18个样本中,17个具备普通的按键功效。
7. 论断
出格的,对挪动电子装备,因为不存在一种既能供给很高的焊料毗连靠得住性又能进步供很高的电机打仗点靠得住性的外表处置体例,以是须要比此刻更进一步正视挑选一个准确的外表处置体例。
7.1. 用于热焊接的外表处置:
凡是不保举在ENIG上停止热焊接,并且应当制止用于BGA范例的器件。来自制作业和多量手机的田野反应的证据证实,操纵OSP替换PWB焊盘上的ENIG后,较着下降了因为BGA器件焊料毗连界面断裂致使的毛病。
7.2. 用于打仗盘的外表处置:
电镀金(厚度跨越0.8微米)是一个靠得住的挑选,可是设想(汇流母线)和工艺没法总能兼容,并且在PWB行业,它的可操纵性几近便是空中楼阁普通。可怜的是,其工艺本钱很高,超越了高产量低本钱产物的请求规模。
7.3. 总结
在便携式电子产物的初期设想阶段,当真斟酌和挑选要操纵的PWB外表处置体例是很是首要的。
影响挑选的首要身分有:
打仗装备的范例,资料和外形,能够或许或许或许或许或许或许操纵的手艺和工艺。只要斟酌一切这些身分,才有能够或许或许或许或许或许或许知足静态并不时变更的市场上的终用户对靠得住性的希冀。
汗青上偶然辰对外表处置的挑选曾是准确的,但明天能够或许或许或许或许或许或许就不是准确的了。对那时有用的前提能够或许或许或许或许或许或许已变更了:
● 与硬件相干的
○ 新的封装范例
○ 新的焊料合金
○ 新的电机毗连器打仗资料
○ 新的布局设想
○ 撑持布局的硬朗性
● 与终用户情况相干的
○ 裸露于湿润和侵蚀性氛围中,雨,汗或其余液体中。
○ 裸露于震撼,跌落和多量键击中。
○ 用户天天间接操纵的时辰:5分钟,1小时,8小时或24小时
● 手艺成长和专业手艺程度
○ 新外表处置体例的存在
○ 旧外表处置的资料属性的改良
○ 制作工艺和装备的改良
○ 对实效机制的常识加强
一切这些前提中的某个或一切这些前提的配合感化,明白的告知咱们:必需从头斟酌下一个新产物是否是是应当操纵与泛泛操纵的那些外表处置一样的处置体例。你不能在一个不时变更的市场中依托传统稳定的设想体例。
8. 称谢
感激Viswam Puligandla,Arni K ujala和Sten Carlsen Comments供给的定见和背景信息。
[1] Claus W. Nielsen. Title:“PTF, An attractive supplement to traditional thickfilm and PCB Tech-nology”28th ISHM-Nordic Conference 1990, Finland
[2] Claus W. Nielsen. Title:“Results from the PTF research project PC-2B at a-s Elbau”24th ISHMNor-dic Conference 1986, Finland.
[3] Leif Halbo:“Polymer Thick Film Technology, Design Guidelines and applications”ISBN 82-9921 93 (1990)
[4] Uhlig,H.H:“Corrosion and corr-osion control: An introduction to corrosion science and engine-ering”, 1985.
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