PCB最终表面处理：化学镀镍导轨

最终表面处理工艺 PCB制造 近年来，热风整平（HASL）技术经历了重大变革。这些变革源于解决热风整平局限性的迫切需求，以及众多替代热风整平方法的兴起。

最后一道涂层用于保护电路表面的铜箔。铜（Cu）是一种非常好的焊接材料，但它很容易氧化。氧化铜会阻碍焊料润湿。如今，人们通常用金（Au）覆盖铜，因为金不会氧化。但是金和铜的扩散速度非常快。任何裸露的铜很快就会形成氧化铜，而这种氧化物是无法焊接的。

一种解决方案是使用镍（Ni）阻挡层。该层可以阻止金和铜相互迁移，同时还能为元件组装提供耐用且导电的表面。

PCB无电镀镍工艺的要求

化学镀镍层应具备多种功能。

用于金沉积的表面

电路焊接的最终目标是在PCB和元件之间建立高机械强度和良好电气性能的连接。如果PCB表面存在氧化物或污染物，使用目前弱效的助焊剂体系将无法形成这种焊点。

金会自然沉积在镍上，并且在长期储存过程中不会氧化。然而，金不会沉积在氧化的镍上。因此，在镍浴和浸金步骤之间，镍必须保持清洁。正因如此，镍的首要要求是必须保持无氧化状态足够长的时间，以便金能够沉积。

化学家们研发出一种化学镀镍液，允许镍镀层中含有6%至10%的磷。这种磷含量是在镀液控制、抗氧化性和电气及物理性能之间取得的微妙平衡。

硬度

化学镀镍表面广泛应用于许多对物理强度要求较高的领域，例如汽车变速箱轴承。PCB应用对表面硬度的要求虽然不如这些应用那么严格，但对于引线键合、触摸板触点、边缘连接器以及日常使用耐久性而言，一定的硬度仍然至关重要。

引线键合需要一定的镍硬度。如果引线使镀层变形，可能会产生摩擦损失，这有助于引线与基板“焊接”。扫描电镜图像显示，镍/金或镍/钯/金平面表面没有渗入。

电气特性

由于铜易于加工，因此是电路制造的首选金属。铜的导电性几乎优于所有其他金属。金也具有良好的导电性，并且是外层金属的理想选择，因为电子倾向于在导电路径的表面移动。这就是所谓的“趋肤效应”。

铜：1.7 µΩcm
金：2.4 µΩcm
镍：7.4 µΩcm
化学镀镍：55–90 µΩcm

表1. PCB金属的电阻率

虽然大多数生产电路板的电气性能不受镍层的影响，但镍会影响高频信号的电气性能。微波PCB中的信号损耗可能超出设计规范。这种影响与镍层厚度成正比，因为电路信号必须先穿过镍层才能到达焊点。在许多应用中，将镍沉积厚度限制在2.5微米以下，可以使电信号恢复到设计规范范围内。

接触电阻

接触电阻与可焊性不同，因为镍/金表面在最终产品的整个使用寿命期间必须保持不可焊性。即使长期暴露于环境中，镍/金也必须保持与外部接触的导电性。Antler 在 1970 年的研究给出了镍/金表面的数值接触要求。研究考察了不同的最终使用环境：65°C，这是室温下工作的电子系统（例如计算机）的正常最高工作温度；125°C，这是通用连接器（通常用于军事用途）所需的温度；以及 200°C，这个温度对于飞行设备而言正变得越来越重要。

在低温环境下，无需镍阻挡层。随着温度升高，阻止镍/金转移所需的镍量也会增加。

表2. 镍/金接触电阻（1000小时测试结果）

在安特勒的研究中，镍层采用电镀工艺。正如鲍德兰所证实的那样，化学镀镍工艺有望获得更好的结果。然而，这些结果是在0.5微米厚的金层下获得的，而平面表面处理通常使用0.2微米厚的金层。由此可以推断，平面表面处理足以满足125°C下工作的接触部件的需求，但对于工作温度更高的部件，则需要进行特殊测试。

安特勒指出：“镍层越厚，阻隔性能越好，这在所有情况下都是如此，但PCB制造的实际需求促使工程师只沉积所需的镍量。”目前，手机和寻呼机等使用触摸板触点的设备中都采用了扁平的镍/金层。这类部件的规格要求镍层厚度至少为2微米。

连接器

化学镀镍/浸金工艺用于电路板生产，适用于包含弹簧触点、压入式触点、低压滑动触点和其他无焊连接器的电路。

边缘连接器需要更长的物理耐久性。在这种情况下，化学镀镍层足以满足PCB使用要求，但仅靠浸金是不够的。极薄的纯金层（约60-90努氏硬度）在反复摩擦过程中会从镍层上脱落。金层脱落后，裸露的镍层会迅速氧化，导致接触电阻增大。

对于产品使用寿命期间需要多次插拔的边缘连接器而言，化学镀镍/浸金可能并非最佳选择。镍/钯/金镀层则更适用于多用途连接器。

阻隔层

化学镀镍在电路板上具有三种阻挡层功能：

1. 它可以阻止铜扩散到金中。
2. 它可以阻止金扩散到镍中。
3. 它是形成Ni3Sn4金属间化合物的镍源。

铜通过镍扩散

如果铜穿过镍层，就会到达表面的金层并导致其分解。铜会迅速氧化，从而在组装过程中造成焊接性能下降。这种情况通常发生在镀层中缺少镍层时。镍层的作用是防止裸板在储存和运输过程中发生迁移，以及在电路板其他区域已经焊接的情况下进行组装时也需要镍层。因此，阻挡层的温度要求低于250°C不到一分钟。

Turn 和 Owen 研究了不同阻挡层对铜和金的影响。他们发现，“……对 400°C 和 550°C 下铜渗透值的比较表明，含磷量为 8-10% 的铬和镍是所研究的最有效的阻挡层。”

表3. 铜穿过镍向金的渗透情况

根据阿伦尼乌斯方程，低温下的扩散速率呈指数级下降。有趣的是，在本测试中，化学镀镍的扩散效率是电镀镍的2到10倍。Turn和Owen指出，“……2微米（80微英寸）厚的这种合金阻挡层可以将铜的扩散降低到可以忽略不计的程度。”

从这项极端温度测试可以看出，镍层厚度至少为 2 µm 是一个安全规格。

镍通过金扩散

化学镀镍的第二个要求是镍不能渗入浸金的“晶粒”或“孔隙”结构中。如果镍接触空气，就会氧化。氧化镍不可焊，而且很难用助焊剂去除。

已有数篇论文探讨了镍和金在陶瓷芯片载体上的应用。这些材料需长时间承受极高的组装温度。一种常见的表面测试方法是在500°C下保持15分钟。

为了评估平面化学镀镍/浸金表面防止镍氧化的效果，我们对经热老化处理的表面进行了可焊性研究。测试在不同的温度、湿度和时间条件下进行。研究表明，浸金能够很好地保护镍，并且即使经过长时间老化，表面仍能保持良好的可焊性。

在某些组装应用中，例如金热超声波键合，镍在金层中的扩散可能是一个限制因素。在这种应用中，镍/金表面不如镍/钯/金表面。Iacovangelo研究了钯作为镍和金之间的阻挡层的扩散特性，发现0.5 µm厚的钯层即使在极端温度下也能阻止扩散。该研究还表明，在500°C下加热15分钟后，通过俄歇电子能谱法未检测到铜在2.5 µm厚的镍/钯层中的扩散。

镍锡金属间化合物

在表面贴装或波峰焊过程中，PCB表面的原子会与焊料原子混合，这取决于金属的扩散特性及其形成金属间化合物的能力。

表4. PCB材料在焊接过程中的扩散速率

在镍/金和锡/铅体系中，金会迅速溶解到焊料中。焊料通过形成Ni₃Sn₄金属间化合物与下方的镍形成牢固的结合。必须沉积足够的镍以确保焊料不会接触到下方的铜。Bader的测量结果表明，即使经过六次以上的热循环，也只需0.5 µm厚的镍即可维持该阻挡层。事实上，观察到的最大金属间化合物层厚度小于0.5 µm（20微英寸）。

多孔性

化学镀镍/金是近年来才成为常见的PCB最终表面处理工艺，因此现有的工业流程可能并不完全适用于这种表面。目前，针对边缘连接器电镀镍/金表面，已采用硝酸蒸汽法进行孔隙率测试（IPC-TM-650 2.3.24.2）。化学镀镍/浸金表面无法通过此项测试。欧洲已制定了使用铁氰化钾的孔隙率标准，用于评估平面表面的相对孔隙率，结果以每平方毫米的孔数（孔/mm²）表示。在100倍放大倍率下，优质平面表面的孔数应少于每平方毫米10个。

结语

出于成本、周期时间和材料兼容性方面的考虑，PCB制造行业致力于减少电路板上的镍沉积量。最低镍含量标准有助于防止铜扩散到金表面，保持良好的焊点强度，并降低接触电阻。最高镍含量标准则能为电路板生产提供更大的灵活性，因为厚镍沉积不会造成严重的失效模式。

对于目前大多数电路板设计而言，2.0 µm（80 微英寸）的化学镀镍层厚度是所需的最小厚度。在实际生产中，同一批次 PCB 生产中可能会使用不同厚度的镍层。镍层厚度的变化源于镀液化学成分的变化以及自动升降机停留时间的变化。为了确保满足 2.0 µm 的最小值要求，最终用户规格应要求标称厚度为 3.5 µm，最小值为 2.0 µm，最大值为 8.0 µm。

这种镍层厚度范围已被证明适用于数百万块电路板的生产。该范围满足当今电子产品的可焊性、保质期和接触要求。由于不同产品的组装要求各不相同，因此可能需要针对每种特定应用优化表面处理。