Waar ENEPIG de Enige Redelijke Keuze is voor Gemixt Bond- en Soldeerassemblages

Ontwerpen die gouddraadverbinding combineren met oppervlakte-montagetechnologie bevinden zich in een ongemakkelijk middengebied in PCB-fabricage. Draadverbinding vereist een zuivere, zachte edelmetalen oppervlakte voor betrouwbare thermosonische of ultrasone verbindingen. Soldeerzorg vereist een oppervlakte die bevochtiging en de vorming van intermetalen verbindingen met tin-gebaseerde legeringen bevordert. Deze eisen zijn niet complementair. In de meeste materiaalsystemen liggen ze fundamenteel tegen elkaar.

Jarenlang waren ingenieurs hiermee bezig met compromissen: dikke goud over nikkel voor sommige pads, verschillende afwerkingen voor verschillende gebieden, of simpelweg het accepteren van verminderde prestaties in één proces om de ander mogelijk te maken. Elke workaround introduceerde complexiteit, kosten of betrouwbaarheidrisico. ENEPIG, of Elektroless Nikkel Elektroless Palladium onder Dompeling Goud, elimineert het compromis door beide processen op één enkele oppervlakteafwerking te laten aansluiten. Dit wordt bereikt door een specifiek materiaallagenstapel dat gebruikmaakt van de verschillende eigenschappen van elke laag.

Dit is geen eenvoudige keuze. ENEPIG brengt eigen uitdagingen met zich mee, vooral het risico van 'black pad' tijdens het galvaniseren en blijvende vragen over nikkelcorrosie. Bij Bester PCBA hebben wij zowel de mislukkingen gezien die voortvloeien uit slechte procescontrole als de uitzonderlijke betrouwbaarheid die ontstaat door het goed te doen. De afwerking werkt, maar alleen wanneer de galvaniseer- en assemblageparameters met absolute precisie worden beheerd. Dit geldt voor ENEPIG in gemengde assemblages – hoe het werkt, en wat het vereist om falingsmodi te vermijden.

Het Conflict over afwerking in gemengde-technologie-assemblages

Draadverbinding is een proces waarbij een metallurgische verbinding wordt gemaakt tussen een dunne goud- of aluminium draad en een verbindingpad met behulp van hitte, druk en ultrasone energie. De verbinding ontstaat door een combinatie van mechanische vervorming en atomaire onderdiffusie aan het interface. Om dit betrouwbaar te laten gebeuren, moet het oppervlak van het pad chemisch zuiver zijn, vrij van oxiden en zacht genoeg om onder druk te vervormen zonder te breken. Goud is het ideale oppervlak. Het oxideert niet, het is zacht en ductiel, en het laat consistente energietransfer toe tijdens ultrasone verbinding. Het proces is goed begrepen en essentieel voor RF-modules, vermogenshalfgeleiders en hybride assemblages waarbij het die-onderdeel aan het substraat moet worden verbonden.

Solderen opereert op een heel ander principe. Een soldeerverbinding is geen lijmverbinding; het is een metallurgische binding gevormd door het creëren van intermetalen verbindingen op het interface tussen het soldeer en het pad. Wanneer gesmolten tin-gebaseerd soldeer contact maakt met een koperen pad, diffunderen tin- en kopere- atomen in elkaar, waardoor lagen van Cu₆Sn₅ en Cu₃Sn intermetalen ontstaan. Deze lagen zijn de verbinding. De bevochtigingsactie—het verspreiden van gesmolten soldeer over het pad—wordt beheerst door de oppervlaktekracht van de afwerking van het pad en het vermogen van de flux om oxiden te verminderen. Een soldeerbaar oppervlak moet snelle intermetalenvorming mogelijk maken, oxidatie resistent zijn totdat het de reflow-oven bereikt, en het vormen van brosserende fasen vermijden die de verbinding zouden kunnen verzwakken.

Het conflict ontstaat omdat goud, hoewel ideaal voor binding, een risico vormt voor solderen wanneer de dikte meer dan ongeveer 0,5 micrometer bedraagt. Excessief goud lost op in het soldeer tijdens reflow en kan een bros goud-tin intermetaal, AuSn₄, vormen. Deze brosheid verzwakt de verbinding en nodigt uit tot het ontstaan van scheurvorming onder thermische of mechanische stress. Aan de andere kant zijn oppervlakken die geoptimaliseerd zijn voor solderen, zoals immers zilver, immers tin of organische soldeerbaarheid-bevorderaars, te hard, te geneigd tot tarnishing, of te chemisch onstabiel om betrouwbare draadverbinding te ondersteunen.

Een ontwerper die werkt aan een gemengde assemblage, heeft een afwerking nodig die gouddraad kan verbinden met lage weerstand en hoge treksterkte, terwijl ook soldeerpasta robuuste verbindingen kan vormen. Standaard enkel-laags afwerkingen kunnen beide niet. ENEPIG kan dat wel.

Hoe ENEPIG onverenigbare vereisten oplost

ENEPIG is een meerlagige afwerking die bestaat uit drie verschillende metalen lagen die achtereenvolgens op de koperen pad worden aangebracht: electroless nikkel, electroless palladium en immersiegoud. Elke laag heeft een specifieke functie, en de prestaties van de afwerking hangen af van het nauwkeurig controleren van de dikte en samenstelling van alle drie.

De laagstructuur en materiaaleigenschappen

De fundering is een laag electroless nikkel, gewoonlijk 3 tot 6 micrometer dik, die dient als een diffusiebarrière. Het voorkomt dat koper naar het oppervlak migreert en oxideert. Dit nikkel is niet puur; het is een legering met 6 tot 9 procent fosfor op gewicht, aangebracht door een autocatalytisch chemisch reductieproces. Die fosforinhoud is niet te onderhandelen. Te weinig, en het nikkel wordt gevoelig voor het corrosieve aanval dat zwart pad veroorzaakt. Te veel, en het wordt bros, waardoor de mechanische integriteit van de soldeerverbinding wordt aangetast.

De volgende is de sleutel tot de dubbele functionaliteit van ENEPIG: een dunne laag palladium, gewoonlijk 0,05 tot 0,15 micrometer. Hoewel dun, is de rol ervan groot. Als edelmetaal weerstaat palladium oxidatie en tarnishing, en vormt het betrouwbare Pd₂Sn- en PdSn-intermetaalverbindingen met tin-gebaseerde soldeerlegeringen voor een sterke metallurgische verbinding. Tijdens reflow lost deze palladiumlaag op in de soldeerverbinding en wordt onderdeel van de intermetaalstructuur. Het beschermt bovendien de onderliggende nikkellaag tegen oxidatie, waardoor de afwerking een veel langere houdbaarheid krijgt dan ongewassen nikkel of nikkel-goudsystemen.

De laatste oppervlaklaag is een ultra-dunne laag immersiegoud, gewoonlijk slechts 0,03 tot 0,08 micrometer. De primaire taak is het beschermen van palladium tegen oxidatie en verontreiniging tijdens opslag en handling. Deze goudlaag is dun genoeg om snel en onschadelijk op te lossen in de soldeer tijdens reflow, waardoor de verbinding voornamelijk met het palladium wordt gevormd. Voor draadverbinding biedt dit fluisterdunne goud echter de zuivere, zachte interface die nodig is voor ultrasone energie om een sterke metallurgische verbinding tussen draad en pad te vormen.

Waarom Palladium dual compatibiliteit mogelijk maakt

Palladium is de spil. Het lost de tegenstrijdige eisen van solderen en draadverbinding op.

Voor solderen fungeert het als een perfect nattebare oppervlak. Het oxideert niet snel, zodat de flux zich kan richten op het verwijderen van kleinere verontreinigingen in plaats van een dikke oxidelaag. De intermetaalverbindingen die het vormt met tin zijn stabiel en mechanisch stevig. Omdat de palladiumlaag dun is en oplost in de verbinding, vermijdt het de brosheidproblemen die gepaard gaan met het dikkere goud dat in andere afwerkingen wordt gebruikt.

Voor draadverbinding is de palladiumlaag vrijwel transparant. De verbinding vormt zich op het immersiegoudoppervlak, en de ultrasone energie gaat zonder belemmering door het dunne goud en palladium. Palladium remt de verbinding niet; in feite kan zijn relatieve hardheid zelfs de treksterkte verbeteren door een stabielere onderlaag te bieden. Het resultaat is een enkel oppervlak waar zowel de soldeerverbinding als de draadverbinding volledige prestaties behalen, zonder concessies.

Waarom gangbare alternatieven de Mixed-Assembly-test niet doorstaan

Begrijpen waarom ENEPIG nodig is, vereist dat wordt gekeken naar waarom meer gangbare afwerkingen niet toereikend zijn voor deze veeleisende toepassingen. Elk alternatief slaagt er niet in om aan een van de twee kernvereisten te voldoen.

ENIG en het probleem van de lasbaarheid

Jarenlang was Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) de standaard afwerking voor toepassingen met hoge betrouwbaarheid. Het gebruikt dezelfde electroless nikkelbarrière als ENEPIG, maar wordt afgedekt met een dikkere laag immersion gold, vaak 0,05 tot 0,15 micrometer of meer. Hoewel dit oppervlak uitstekend is voor draadverbinding, veroorzaakt het een serieus probleem bij solderen.

De dikkere goudlaag lost tijdens reflow op in de soldeerverbinding. Als de goudconcentratie te hoog wordt, vormt het bros AuSn₄-intermetaalverbindingen. Deze harde verbindingen zijn vatbaar voor scheuren onder thermisch cycling of mechanische belasting, wat leidt tot een soldeerverbinding met een kortere vermoeiingslevensduur en een hoger risico op veldfalen. Hoewel sommige ontwerpers proberen de gouddikte van ENIG te controleren om onder de embrittlementdrempel te blijven, brengt dit procesvariabiliteit en risico met zich mee. Bovendien draagt ENIG hetzelfde risico van zwart pad als ENEPIG, zonder enige prestatievoordeel bij solderen. Voor een gemengde montage ruilt het simpelweg het ene probleem in voor het andere.

Immersie zilver en tin: Ongeschikt voor draadverbinding

Immersie zilver (ImAg) en immersie tin (ImSn) zijn gangbare lead-free afwerkingen geoptimaliseerd voor solderen. ImAg biedt een goede nattebaarheid en vormt sterke Cu-Sn intermetaalverbindingen direct bij het koperen oppervlak. ImSn is een kosteneffectief alternatief dat ook betrouwbare soldeerverbindingen vormt.

Geen van beide is geschikt voor draadverbinding. Zilver tarnit in aanwezigheid van zwavel, veelvoorkomend in industriële omgevingen, en deze tarnishlaag voorkomt het intime metaal-op-metaal contact dat nodig is voor een verbinding. Immersie tin is harder dan goud en vormt een native oxide-laag die het soldeerproces verstoort. Nog erger, tin is gevoelig voor tarnishing en vormt krullers — dunne, kristallijne filamenten die kunnen groeien en elektrische kortsluitingen veroorzaken, wat ongeschikt is voor toepassingen met hoge betrouwbaarheid.

Organische soldeerbaarheidbehoudende coatings (OSP), die dunne lagen organische flux vormen, bieden geen enkele verbindingsoppervlak. Elk van deze enkel-laags afwerkingen optimaliseren voor één proces ten koste van de ander. ENEPIG is ontworpen om deze afweging te elimineren.

Zwarte Pad: Risico en Preventie

Het meest significante risico met ENEPIG is zwart pad, een foutmodus waarbij zwakke of niet-bestaande hechting tussen de nikkel- en goudlagen leidt tot het falen van de soldeerverbinding. De naam komt van het zwarte, verkleurde uiterlijk van het nikkelaan nadat de goudlaag wordt weggetrokken. Dit is geen theoretisch probleem; het heeft catastrofale veldfouten veroorzaakt en blijft de belangrijkste procescontrole-uitdaging voor elke ENEPIG-plater.

Het mechanisme van failure


Black pad komt voor tijdens de immersiegoudlakstap. Dit is een galvanische vervangingsproces: het nikkellaagje van het bord wordt ondergedompeld in een goudzoutoplossing, waarbij goudionen zich afzetten op het nikkel terwijl nikkelatomen worden geoxideerd en oplossen in de oplossing. Deze uitwisseling is normaal.

Het probleem begint wanneer het nikkel overmatig corrodet. Als het nikkel een hoog fosforgehalte heeft (boven 10-1%) of als de goudlakbak te agressief is door overmatige temperatuur, hoge goudconcentratie, of lage pH, kan het nikkelaagje sneller corroderen dan het goud wordt afgezet. Dit laat een laagje nikkelaoxide of fosfide achter op het interface. Deze laag heeft slechte hechting. Wanneer soldeer wordt aangebracht, bevochtigt het goud en palladium, maar kan het niet hechten aan het gecorrodeerde nikkel eronder. De verbinding lijkt acceptabel, maar heeft vrijwel geen mechanische sterkte en kan falen bij minimale stress.

Niet-onderhandelbare procescontroles

Het voorkomen van black pad is een kwestie van strikte procescontrole. Drie variabelen zijn kritisch: het fosforgehalte van het nikkel, de chemie van de goudbad, en de kwaliteit van de palladiellaag.

Ten eerste moet het fosforgehalte in het nikkel tussen 6 en 9 procent worden gehouden. Onder deze range is het nikkel minder uniform; erboven wordt het nikkel reacter en kwetsbaarder in de goudbad. Galvaniseerbedrijven moeten continu de chemie van hun nikkeldip monitoren en onder controle houden, inclusief de concentraties nikkelionen, reducerende middelen en stabilisatoren.

Ten tweede moet de immersiegoudbad zodanig worden bedreven dat nikkelaanvallen tot een minimum worden beperkt. Dit betekent het controleren van de pH (4,5 tot 5,5), het laag houden van de goudionenconcentratie, en het handhaven van de badtemperatuur onder 70°C. Moderne goudbadformuleringen bevatten corrosiebeschermers die specifiek het nikkel beschermen, en het gebruik ervan is essentieel.

Ten derde moet de palladiellaag dicht en uniform zijn. Het dient als een beschermende barrière, waardoor de blootstelling van het nikkel aan de goudbad wordt verminderd. Als de palladium poreus of onvolledig is, kan het goudbad doordringen en lokale corrosie veroorzaken. Ten slotte, aangezien ENEPIG een zeer dunne goudlaag gebruikt, is de immersion-tijd kort, wat de kans op nikkelaanvallen inherent verkleint in vergelijking met dikkere ENIG-afwerkingen.

Deze controles zijn niet optioneel. Een galvaniseerbedrijf dat geen consistente controle over deze variabelen kan aantonen, zou geen ENEPIG-borden moeten fabriceren. Bij Bester PCBA eisen wij bewijs van procescapabiliteit van onze leveranciers, inclusief microsectieanalyse en hechtingstests. Black pad is te voorkomen, maar preventie vereist discipline.

Nikkelcorrosie: Een beheersbare zorg

Een secundair aandachtspunt bij ENEPIG is de potentiële galvanische corrosie in bedrijf tussen de nikkel- en goudlagen. Omdat goud aanzienlijk nobeler is dan nikkel, suggereert de theorie dat het nikkel kan corroderen indien het wordt blootgesteld aan een elektrolyt. Dit heeft ertoe geleid dat sommigen aarzelen om ENEPIG voor ruwe omgevingen te gebruiken.

Hoewel niet ongegrond, suggereren veldgegevens dat deze zorg overdreven is bij goed vervaardigde assemblages. De kritieke beschermende laag is de palladiumlaag. Deze isoleert het nikkel van direct contact met het goud, waardoor het galvanische koppels worden verminderd. Tijdens het solderen lost het palladium op in de verbinding, en blijft het nikkel onder een stabiele intermetalen structuur gesloten, niet blootgesteld aan de omgeving.

Langetermijnbetrouwbaarheidsstudies van ENEPIG in de automotive, telecom en industriële toepassingen tonen faalpercentages die vergelijkbaar of beter zijn dan andere high-performance afwerkingen. Fouten die aan nikkelaantasting worden toegeschreven, zijn zeldzaam en worden bijna altijd teruggevoerd op ontwerpfouten—zoals blootgesteld nikkel aan de randen van het bord door slechte soldeermaskerbedekking of contaminatie door fluxresiduen—in plaats van de afwerking zelf.

Standaard ontwerppraktijken kunnen dit reeds lage risico verder beperken. Conformale coating biedt een vochtbarrière, en het juiste soldeermaskerontwerp zorgt ervoor dat nikkel niet wordt blootgesteld. Wanneer procescontroles worden onderhouden en basisontwerpregels worden gevolgd, biedt ENEPIG robuuste, langdurige betrouwbaarheid.

Zorgen voor betrouwbare soldeerverbindingen met ENEPIG

Hoewel ontworpen voor duale compatibiliteit, hangt de soldeerprestatie van ENEPIG nog steeds af van een goed gecontroleerd assemblageproces. De afwerking is vergevingsgezind, maar optimalisatie zorgt voor consistente, hoge opbrengsten.

Soldeerbloed en fluxchemie

ENEPIG is compatibel met standaard tin-zilver-koper (SAC) loodvrije soldeerlegeringen zoals SAC305. De resulterende intermetallische fasen, voornamelijk Pd₂Sn en PdSn, zijn stabiel en bieden uitstekende mechanische sterkte en thermische cycli prestaties.

Omdat ENEPIG-oppervlakken zeer bestand zijn tegen oxidatie, is een agressieve flux niet nodig. Een no-clean flux met matige activiteit (ROL1 of vergelijkbaar) is over het algemeen voldoende. Meer agressieve fluxen kunnen worden gebruikt, maar vereisen mogelijk na het reflowen reiniging om corrosieve resten te verwijderen.

Reflowprofiel en houdbaarheid

Standaard loodvrije reflow-profielen werken goed met ENEPIG, met pieptemperaturen van 240-250°C en een tijd boven vloeigrens van 60-90 seconden. Tijdens het reflowen lossen de dunne goud- en palladiumlagen volledig op in het soldeer, en de verbinding vormt zich voornamelijk aan de nikkelinterface. Omdat de totale gouddikte zo laag is, wordt het risico op goudbrosheid, dat kenmerkend is voor ENIG, geëlimineerd.

De houdbaarheid van in ENEPIG afgewerkte platte is uitstekend. De goud- en palladiumlagen beschermen het onderliggende nikkel tegen oxidatie, waardoor opslag van 12 maanden of meer in gecontroleerde omgevingen mogelijk is zonder degradatie van soldeerbaarheid. Dit is een groot voordeel ten opzichte van immersion zilver of tin, die gemakkelijker aantasten.

Voor ontwerpen die zowel draadverbinding als SMT-solderen vereisen, is ENEPIG niet zomaar een optie. Het is de enige gangbare afwerking die volledige prestaties levert in beide processen zonder concessies te doen.