حيث إن ENEPIG هو الخيار الوحيد العقلاني للتجمعات المختلطة بين اللحام والربط

تتصدر التصاميم التي تجمع بين ربط الأسلاك الذهبية وتكنولوجيا التركيب السطحي مساحة غير مريحة في تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة. يتطلب ربط الأسلاك سطحًا من معدن نفيس ناعم ونقي لاتصالات موثوقة باستخدام تقنية الصوتية أو فوق الصوتية. يتطلب اللحام سطحًا يشجع على الترطيب وتكوين مركبات بين المعادن مع سبائك تحتوي على القصدير. هذه المتطلبات غير متكاملة. فهي غالبًا معارضة في معظم أنظمة المواد.

لسنوات، قام المهندسون بمحاولة الموازنة بين الأمرين: ذهب سميك فوق النيكل لبعض الوسائد، تشطيبات مختلفة لمناطق مختلفة، أو ببساطة قبول أداء منخفض في عملية واحدة لتمكين الأخرى. كل هروب من المشكلة أتى مع تعقيد أو تكلفة أو مخاطر موثوقية. يُلغي ENEPIG، أو النيكل غير المُكلور، والبلاديوم غير المُكلور، والذهب بالتغطيس، هذا المساومة من خلال تلبية كلا العمليتين على سطح واحد. يتم ذلك باستخدام مجموعة مواد محددة تستفيد من الخصائص المميزة لكل طبقة.

هذه ليست خيارًا بسيطًا. يقدم ENEPIG تحدياته الخاصة، أبرزها مخاطر حدوث "الوسادة السوداء" أثناء الطلاء والأسئلة المستمرة حول تآكل النيكل. في شركة Bester PCBA، شهدنا كلاً من الفشلات الناتجة عن سوء التحكم في العملية والموثوقية الاستثنائية التي تأتي من القيام بالأمر بشكل صحيح. ينجح التشطيب، ولكنه يتطلب إدارة عملية الطلاء ومعايير التجميع بدقة مطلقة. هذا هو الحال بالنسبة لـ ENEPIG في التجميعات المختلطة — كيف يعمل، وما الذي يتطلبه لتجنب أوضاع فشله.

تعارض إنهاء السطح في التجميعات ذات التكنولوجيا المختلطة

ربط الأسلاك هو عملية إنشاء اتصال معدني بين سلك رفيع من الذهب أو الألمنيوم ووسادة الربط باستخدام الحرارة والضغط والطاقة فوق الصوتية. يتشكل الربط من خلال مزيج من التشوه الميكانيكي والانتشار الذري عند الواجهة. لكي يحدث هذا بشكل موثوق، يجب أن يكون سطح الوسادة نقيًا من الناحية الكيميائية وخاليًا من الأكسيدات ومرنًا بما يكفي ليشوه تحت الضغط دون أن يتشقق. الذهب هو السطح المثالي. فهو لا يتأكسد، وهو لين ومرن، ويسمح بنقل طاقة متسق أثناء الربط بالأمواج فوق الصوتية. هذه العملية مفهومة جيدًا وأساسية لوحدات الراديو والتردد، والمكونات النصف معتمدة، والتجميعات الهجينة حيث يجب توصيل الرقاقة بالركيزة.

يعمل اللحام على مبدأ مختلف تمامًا. اتصال اللحام ليس رابطة لاصقة؛ إنه رابطة معدنية تتشكل بواسطة تكوين مركبات بين المعادن عند الواجهة بين اللحام والوسادة. عندما يتصل اللحام الطيني المحتوي على القصدير برقاقة نحاسية، يتفاعل ذرات القصدير والنحاس، مكونة طبقات من مركبات Cu₆Sn₅ وCu₃Sn. هذه الطبقات هي الرابطة. يحدد سلوك الترطيب — انتشار اللحام الذائب عبر الوسادة — طاقة سطح التشطيب و قدرة تدفق التدفق على تقليل الأكسيدات. يجب أن يسمح السطح الذي يمكن لحامه بتكوين مركبات بين المعادن بسرعة، مقاوم للتآكل حتى يصل إلى فرن إعادة التدفق، ويتجنب تكوين مراحل هشة تضر بالربط.

ينتج الصراع لأن الذهب، على الرغم من كونه مثاليًا للربط، هو عبء على اللحام عندما يتجاوز سمكه حوالي 0.5 ميكرومتر. يذوب الذهب الزائد في رباط اللحام أثناء إعادة التدفق ويمكن أن يشكل مركبًا هشًا من الذهب والتين، AuSn₄. يضعف هذا التصلب الرابط ويدعو إلى انتشار الشقوق تحت ضغط حراري أو ميكانيكي. بالمقابل، تعتبر الأسطح المحسنة للحام مثل الفضة الداخلية، أو التين الداخلي، أو مواد حافظة التلحيم العضوية، صلبة جدًا، وعرضة للتصدأ، أو غير مستقرة كيميائيًا، وبالتالي لا تدعم ربط الأسلاك الموثوق.

مصمم يعمل على تجميع مختلط يحتاج إلى تشطيب يسمح لأسلاك الذهب بالربط بمقاومة منخفضة وقوة شد عالية، بالإضافة إلى السماح لمعجون اللحام بتشكيل وصلات قوية. لا يمكن للتشطيبات ذات الطبقة الواحدة أن تفعل كلاهما. يستطيع ENEPIG ذلك.

كيف يحل ENEPIG المتطلبات غير المتوافقة

ENEPIG هو تشطيب سطحي متعدد الطبقات يتكون من ثلاث طبقات معدنية مميزة ترسب بشكل متسلسل على لوحة النحاس: النيكل بدون كهرباء، والبالاديوم بدون كهرباء، والذهب الغمر. كل طبقة لها وظيفة محددة، وتعتمد أداءات التشطيب على الحفاظ على تحكم دقيق في سمك وتركيب الطبقات الثلاثة جميعها.

هيكل الطبقات وخصائص المادة

الأساس هو طبقة من النيكل غير الكيميائي، عادة بسماكة تتراوح بين 3 إلى 6 ميكرومتر، وتعمل كحاجز للانتشار. يمنع النحاس من الانتقال إلى السطح والأكسدة. هذا النيكل غير نقي؛ إنه سبيكة تحتوي على 6 إلى 9 في المائة من الفوسفور بالوزن، تُطلى من خلال تقليل كيميائي تحفيزي ذاتي. محتوى الفوسفور هذا غير قابل للتفاوض. قليل من الفوسفور، والنيكل يصبح عرضة للهجوم المهاجم الذي يسبب الوسادة السوداء. الكثير منه، ويصبح هشًا، مما يعطل السلامة الميكانيكية لمفصل اللحام.

التالي هو المفتاح لوظيفة ENEPIG المزدوجة: طبقة رقيقة من البالاديوم، غالبًا 0.05 إلى 0.15 ميكرومتر. على الرغم من رقتها، إلا أن دورها كبير جدًا. كفلز نبيل، يقاوم الأكسدة والتلف، ويُكوّن روابط موثوقة من Pd₂Sn و PdSn مع اللحام المستند إلى القصدير من أجل رابطة معدنية قوية. أثناء إعادة التدفق، تذوب طبقة البالاديوم هذه في مفصل اللحام، لتصبح جزءًا من الهيكل المعدني. والأهم من ذلك، أنها تحمي النيكل الأساسي من الأكسدة، مما يمنح النهاية عمر تخزين أطول بكثير من النيكل العاري أو أنظمة النيكل والذهب.

السطح النهائي هو طبقة رقيقة جدًا من الذهب الغمر، عادة فقط 0.03 إلى 0.08 ميكرومتر. مهمتها الأساسية هي حماية البالاديوم من الأكسدة والتلوث أثناء التخزين والمعالجة. هذه الطبقة من الذهب رقيقة جدًا بحيث تذوب بسرعة وأمان في اللحام أثناء إعادة التدفق، مما يسمح بتشكيل المفصل بشكل أساسي مع البالاديوم. ومع ذلك، بالنسبة للربط السلكي، يوفر هذا الذهب الرقيق جدًا الواجهة النقية والمرنة المطلوبة لطاقة الموجات فوق الصوتية لتشكيل رابطة معدنية قوية بين السلك والوسادة.

لماذا يتيح Palladium التوافق المزدوج

البلاديوم هو الرابط الرئيسي. فهو يُسهل تلبية المطالب المت conflicting بين اللحام وربط الأسلاك.

للحام، يعمل على كونه سطحًا قابلًا للبلل بشكل مثالي. لا يتأكسد بسهولة، لذلك يمكن للمواد المساعدة على اللصق التركيز على إزالة الشوائب الصغيرة بدلاً من طبقة الأكسيد الثقيلة. تتشكل مركبات المعدن المشترك التي تصنعها مع القصدير بطريقة مستقرة وصلبة ميكانيكيًا. وبما أن طبقة البالاديوم رقيقة وتذوب في المفصل، فهي تتجنب مشاكل الهشاشة المرتبطة بمعدن الذهب الأثقل المستخدم في التشطيبات الأخرى.

بالنسبة للربط السلكي، فإن طبقة البالاديوم شبه شفافة. يتشكل الربط على سطح الذهب الغامر، ويمر طاقة الموجات فوق الصوتية عبر الذهب الرقيق والبالاديوم دون عوائق. لا يمنع البالاديوم التوصيل؛ في الواقع، يمكن لصلابتها النسبية أن تحسن من قوة الشد من خلال توفير قاعدة أكثر استقرارًا. النتيجة هي تشطيب واحد حيث يحقق كل من مفصل اللحام وروبط الأسلاك الأداء الكامل، دون أي تنازل.

لماذا تفشل البدائل الشائعة في اختبار التجميع المختلط

فهم سبب ضرورة ENEPIG يتطلب النظر في سبب عدم كفاية التشطيبات السطحية الأكثر شيوعًا لهذه التطبيقات المتطلبة. كل بديل يفشل في تلبية أحد المتطلبين الأساسيين.

ENIG ومشكلة قابلية الربط

لسنوات عديدة، كان تشطيب النيكل غير الكيميائي المغمور بالذهب (ENIG) هو النموذج الافتراضي للتطبيقات ذات الموثوقية العالية. يستخدم نفس حاجز النيكل غير الكيميائي مثل ENEPIG، ولكنه مغطى بطبقة أسمك من الذهب الغامر، غالبًا 0.05 إلى 0.15 ميكرومتر أو أكثر. بينما يكون هذا السطح ممتازًا للربط السلكي، فإنه يسبب مشكلة خطيرة للالتحام.

يذوب طبقة الذهب الأسمك في مفصل اللحام أثناء إعادة التدفق. إذا أصبح تركيز الذهب مرتفعًا جدًا، فإنه يشكل مركبات AuSn₄ الهشة. هذه المركبات الصلبة عُرضة للتشققات تحت التردد الحراري أو الإجهاد الميكانيكي، مما يؤدي إلى مفصل لحام يقل عمره الافتراضي ويزيد من خطر الفشل الميداني. بينما يحاول بعض المصممين التحكم في سمك ذهب ENIG ليبقى أدنى من حد الهشاشة، إلا أن ذلك يُدخل تقلبات في العملية ويزيد المخاطر. علاوة على ذلك، يحمل ENIG نفس خطر الوسادة السوداء مثل ENEPIG بدون تقديم أي ميزة في أداء اللحام. في التركيبة المختلطة، يتم ببساطة استبدال مشكلة بأخرى.

الفضة الغامرة والقصدير: غير مناسبة للربط السلكي

الفضة الغامرة (ImAg) والقصدير الغامر (ImSn) هما تشطيبات شائعة خالية من الرصاص، محسنة للالتحام. يوفر ImAg قدرة جيدة على الالتصاق ويشكل مركبات Cu-Sn قوية مباشرة عند واجهة النحاس. يعتبر ImSn بديلاً فعالًا من حيث التكلفة ويكون أيضًا مثمرًا لمفاصل اللحام الموثوقة.

لا يناسب أي منهما للربط السلكي. يتعرض الفضة للتلف في وجود الكبريت، وهو أمر شائع في العديد من البيئات الصناعية، وتمنع طبقة التلف هذه الاتصال المباشر بين المعادن المطلوب لإحكام الربط. القصدير الغامر أصعب من الذهب ويشكل طبقة أكسيد أصلي تتداخل مع عملية الربط. والأسوأ من ذلك، أن القصدير عرضة لتشكيل شعيرات رقيقة بلورية يمكن أن تنمو وتتسبب في قصر كهربائي، وهو أمر غير مقبول في التطبيقات ذات الاعتمادية العالية.

طلاءات الحفظ العضوي للالتحام (OSP)، التي تتكون من طبقات رقيقة من التدفق العضوي، لا توفر سطحًا للربط على الإطلاق. كل من هذه التشطيبات ذات الطبقة الواحدة تحسن عملية واحدة على حساب الأخرى. تم تصميم ENEPIG للقضاء على هذا التبادل.

الوسادة السوداء: المخاطر والوقاية

أخطر مخاطر ENEPIG هو الوسادة السوداء، وهي حالة فشل حيث يؤدي ضعف التلاصق أو عدم وجوده بين طبقات النيكيل والذهب إلى فشل مفصل اللحام. سُميّت بذلك بسبب المظهر الأسود غير الملون لسطح النيكل بعد سحب الذهب منه. وهذه ليست مشكلة نظرية؛ لقد سببت فشلًا كارثيًا في الميدان وما زالت التحدي الرئيسي لمراقبة العملية لأي مطلي بـ ENEPIG.

آلية الفشل

"

يحدث الوسادة السوداء أثناء خطوة تغطيس الذهب. هذه عملية استبدال جلفاني: يتم غمر سطح النيكل على اللوحة في محلول ملح الذهب، حيث يترسب أيونات الذهب على النيكل بينما يتأكسد ذرات النيكل ويذوب في المحلول. هذا التبادل طبيعي.

يبدأ المشكلة عندما يتآكل النيكل بشكل مفرط. إذا كانت نسبة الفوسفور في النيكل عالية (أكثر من 10-11%) أو كانت حمام الذهب شديد العدوانية نتيجة لدرجة حرارة مرتفعة، تركيز عالي للذهب، أو انخفاض الرقم الهيدروجيني، يمكن أن يتآكل سطح النيكل بسرعة أكبر من ترسيبات الذهب. يترك هذا خلفه طبقة من أكسيد النيكل أو الفسفيد على الواجهة. هذه الطبقة تلتصق بشكل ضعيف. عند تطبيق اللحام، يرطّب الذهب والبلاديوم ولكنه لا يستطيع الالتصاق بالنيكل المتآكل تحتها. يظهر الاتصال مقبولاً لكنه لا يمتلك قوة ميكانيكية تقريباً ويمكن أن يفشل عند أدنى ضغط.

ضوابط العمليات غير القابلة للتفاوض

منع الوسادة السوداء هو مسألة تحكم صارم في العملية. ثلاثة متغيرات حاسمة: محتوى الفسفور في النيكل، كيمياء حمام الذهب، وجودة طبقة البلاتين.اد

أولاً، يجب أن يتم الحفاظ على محتوى الفسفور في النيكل بين 6 و 9 في المائة. أدنى من هذا المدى، يكون النيكل أقل تجانسًا؛ أعلى من ذلك، يصبح النيكل أكثر تفاعلًا وعرضة للخطر في حمام الذهب. يجب على ورش الطلاء مراقبة وتحكم كيمياء حمام النيكل باستمرار، بما في ذلك تركيزات أيونات النيكل، والعوامل المختزلة، والمثبتات.

ثانيًا، يجب أن يُشغل حمام الذهب الغمر لتقليل هجوم النيكل. هذا يعني التحكم في الرقم الهيدروجيني (4.5 إلى 5.5)، والحفاظ على تركيز أيونات الذهب منخفضًا، والحفاظ على درجة حرارة الحمام دون 70°C. تتضمن تركيبات حمام الذهب الحديثة مثبطات التآكل خصيصًا لحماية النيكل، وتعد استخداماتها ضرورية.

ثالثًا، يجب أن تكون طبقة البلاتين كثيفة وموحدة. إنها تعمل كحاجز واقٍ، يقلل من تعرض النيكل لحمام الذهب. إذا كان البلاتين مساميًا أو غير مكتمل، يمكن لحمام الذهب أن يتسرب ويسبب تآكلًا موضعياً. أخيرًا، نظرًا لاستخدام ENEPIG لطبقة ذهب رقيقة جدًا، فإن وقت الغمر قصير، مما يقلل من فرصة هجوم النيكل بشكل جوهري مقارنة بالتشطيبات الأضخم لـ ENIG.

هذه الضوابط ليست اختيارية. يجب ألا يتم تصنيع لوحات ENEPIG في ورشة طلاء لا تظهر تحكمًا متسقًا في هذه المتغيرات. في شركة Bester PCBA، نطالب بأدلة على قدرة العملية من موردينا، بما في ذلك تحليل الميكروقسم وبيانات اختبار الالتصاق. الوسادة السوداء يمكن منعها، لكن الوقاية تتطلب انضباطًا.

تآكل النيكل: مشكلة قابلة للإدارة

قلق ثانوي من ENEPIG هو احتمالية حدوث تآكل جلفاني أثناء الخدمة بين طبقات النيكل والذهب. نظرًا لأن الذهب أكثر نبلًا بشكل كبير من النيكل، فإن النظرية تشير إلى أنه في وجود محلول إلكتروليتي، قد يتآكل النيكل إذا تعرض. لقد أدى هذا إلى تردد البعض في اعتماد ENEPIG للبيئات القاسية.

على الرغم من عدم إهمالها، إلا أن الأدلة الميدانية تشير إلى أن هذا القلق مبالغ فيه في التجميعات المصنعة بشكل جيد. تعتبر طبقة البلاتين العنصر الحامي الحاسم. فهي تعزل النيكل عن الاتصال المباشر مع الذهب، مما يقلل من الزوج الجلفاني. أثناء اللحام، يذوب البلاتين في الوصلة، ويظل النيكل محصورًا تحت بنية معدنية متشابكة مستقرة، غير معرض للبيئة.

تظهر دراسات الاعتمادية طويلة المدى لـ ENEPIG في التطبيقات السيارات، والاتصالات، والصناعية أن معدلات الفشل تتوافق مع أو أفضل من التشطيبات عالية الأداء الأخرى. نادرًا ما يُعزى الفشل إلى تآكل النيكل وغالبًا ما يُعزى إلى عيوب في التصميم—مثل النيكل المكشوف على حواف اللوحة بسبب تغطية ضعيفة لغطاء اللحام أو تلوث بقايا التدفق—بدلاً من التشطيب نفسه.

يمكن للممارسات التصميمية القياسية أن تقلل من هذا الخطر الذي هو بالفعل منخفض. يوفر الطلاء الطوري حاجزًا للرطوبة، ويضمن تصميم غطاء اللحام الصحيح عدم تعرض النيكل. عند الحفاظ على التحكم في العمليات واتباع قواعد التصميم الأساسية، يوفر ENEPIG موثوقية متينة وطويلة الأمد.

ضمان لحام موثوق باستخدام ENEPIG

بالرغم من أن ENEPIG مصمم ليكون متوافقًا مزدوجًا، إلا أن أداء اللحام لنهاية يتم على عملية تجميع محكمة التحكم. التشطيب مرن، لكن التحسين يضمن نتائج ثابتة وعالية الإنتاجية.

كيمياء معجون اللحام والتدفق

متوافق مع سبائك اللحام الخالية من الرصاص بشكل قياسي مثل SAC305. المراحل بين المعادن الناتجة، وهي بشكل أساسي Pd₂Sn و PdSn، مستقرة وتوفر قوة ميكانيكية ممتازة وأداء جيد في دورة الحرارة.

نظرًا لمقاومة أسطح ENEPIG للأكسدة بشكل عالي، لا يُشترط استخدام تدفق عدواني. عادةً ما يكون تدفق بدون تنظيف ذات نشاط معتدل (ROL1 أو ما يشابهه) كافياً. يمكن استخدام تدفقات أكثر عدوانية، ولكن قد تتطلب تنظيف بعد إعادة التدفق لإزالة الرواسب المسببة للتآكل.

ملف إعادة التدفق وأعمار التخزين

تعمل ملفات إعادة التدفق القياسية الخالية من الرصاص بشكل جيد مع ENEPIG، بدرجات حرارة قصوى تتراوح بين 240-250 درجة مئوية ووقت فوق السائل يتراوح بين 60-90 ثانية. أثناء إعادة التدفق، تذوب طبقات الذهب ورينيوم بولديم بالكامل في اللحام، ويتشكل المفصل بشكل أساسي عند واجهة النيكل. وبما أن سماكة الذهب الكلية منخفضة جدًا، يتم القضاء على خطر هشاشة الذهب الذي يصيب ENIG.

عمر تخزين اللوحات النهائية بـ ENEPIG ممتاز. تحمي طبقات الذهب والرينيوم النيكل الكامن من الأكسدة، مما يتيح تخزينها لمدة 12 شهرًا أو أكثر في بيئات مراقبة دون تلف قابلية اللحام. وهذا ميزة كبيرة على الفضة أو القصدير المغمور، اللتين تتكدر أكثر بسهولة.

بالنسبة للتصاميم التي تتطلب كلا من الربط السلكي واللحام على سطح لوحة الدوائر المطبوعة، فإن ENEPIG ليست مجرد خيار قابل للاستخدام. إنها الطلاء الرئيسي الوحيد الذي يقدم أداءً كاملاً في كلا العمليتين دون فرض تنازل.