ENIG PCB-productie: proces, kwaliteitscontrole en industrienormen

Door de klant geautoriseerde afbeeldingen

Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) is de gouden standaard geworden voor PCB-oppervlakteafwerkingen in zeer betrouwbare elektronica, van medische apparaten tot lucht- en ruimtevaartsystemen. De unieke combinatie van corrosiebestendigheid, soldeerbaarheid en compatibiliteit met componenten met fijne pitch maakt het onmisbaar voor moderne PCB's. De prestaties van ENIG zijn echter volledig afhankelijk van strikte naleving van productieprocessen en kwaliteitsnormen. Zelfs kleine afwijkingen kunnen leiden tot catastrofale storingen zoals 'black pad'-defecten of zwakke soldeerverbindingen. Deze gids onderzoekt het ENIG-productieproces, kritieke kwaliteitscontrolemaatregelen en wereldwijde normen die consistente, betrouwbare resultaten garanderen.​

Wat is ENIG en waarom is het belangrijk?​
ENIG is een oppervlakteafwerking met twee lagen die wordt aangebracht op PCB-koperen pads:​
   1. Een nikellaag (3–7 µm dik) die fungeert als een barrière tegen koperdiffusie en een basis vormt voor sterke soldeerverbindingen.​
   2. Een gouden laag (0,05–0,2 µm dik) die het nikkel beschermt tegen oxidatie en langdurige soldeerbaarheid garandeert.​

In tegenstelling tot galvanische afwerkingen gebruikt ENIG chemische reacties (geen elektriciteit) voor afzetting, waardoor uniforme dekking mogelijk is, zelfs op complexe geometrieën zoals microvias en BGAs met fijne pitch. Dit maakt het ideaal voor:​
  1. Hoogfrequente PCB's (5G, radar) waar signaalintegriteit cruciaal is.​
  2. Medische apparaten die biocompatibiliteit en corrosiebestendigheid vereisen.​
  3. Lucht- en ruimtevaartelektronica die wordt blootgesteld aan extreme temperaturen en trillingen.​

Het ENIG-productieproces: stap voor stap​
ENIG-toepassing is een precisiechemisch proces met zes kritieke fasen. Elke stap moet nauwkeurig worden gecontroleerd om defecten te voorkomen.​

1. Voorbehandeling: het reinigen van het koperen oppervlak​
Voordat ENIG wordt aangebracht, moeten de koperen pads van de PCB perfect schoon zijn. Verontreinigingen zoals oliën, oxiden of fluxresten voorkomen een goede hechting van nikkel en goud, wat leidt tot delaminatie.​
   a. Ontvetten: De PCB wordt ondergedompeld in een alkalische reiniger om oliën en organische resten te verwijderen.​
   b. Zuur etsen: Een mild zuur (bijv. zwavelzuur) verwijdert oxiden en creëert een micro-ruw oppervlak voor een betere nikkelhechting.​
   c. Micro-etsen: Een natriumpersulfaat- of waterstofperoxide-oplossing etst het koperen oppervlak tot een uniforme ruwheid (Ra 0,2–0,4 µm), waardoor de nikellaag stevig hecht.​
Kritieke parameters:​
  a. Reinigingstijd: 2–5 minuten (te lang veroorzaakt over-etsen; te kort laat verontreinigingen achter).​
  b. Etsdiepte: 1–2 µm (verwijderd oxiden zonder kritische sporen te verdunnen).​

2. Electroless nikkelafzetting​
De gereinigde PCB wordt ondergedompeld in een electroless nikkelbad, waar een chemische reactie een nikkel-fosforlegering op het koperen oppervlak afzet.​
Reactiechemie: Nikkelionen (Ni²⁺) in het bad worden gereduceerd tot metallisch nikkel (Ni⁰) door een reductiemiddel (meestal natriumhypofosfiet). Fosfor (5–12% gewicht) wordt in de nikellaag opgenomen, waardoor de corrosiebestendigheid wordt verbeterd.​
Procescontroles:​
   a. Temperatuur: 85–95°C (afwijkingen > ±2°C veroorzaken ongelijke afzetting).​
   b. pH: 4,5–5,5 (te laag vertraagt de afzetting; te hoog veroorzaakt neerslag van nikkelhydroxide).​
   c. Badagitatie: Zorgt voor een uniforme nikkelverdeling over de PCB.​
Resultaat: Een dichte, kristallijne nikellaag (3–7 µm dik) die koperdiffusie blokkeert en een soldeerbaar oppervlak biedt.​

3. Na-nikkel spoeling​
Na de nikkelafzetting wordt de PCB grondig gespoeld om resterende badchemicaliën te verwijderen, die het daaropvolgende goudbad kunnen verontreinigen.​
  a. Meertraps spoelen: Meestal 3–4 waterbaden, waarbij de laatste spoeling wordt uitgevoerd met gedeïoniseerd (DI) water (18 MΩ-cm zuiverheid) om mineraalafzettingen te voorkomen.​
  b. Drogen: Drogen met warme lucht (40–60°C) voorkomt watervlekken die het oppervlak kunnen beschadigen.​

4. Immersion goud afzetting​
De PCB wordt in een goudbad gedompeld, waar goudionen (Au³⁺) nikkelatomen in een chemische reactie (galvanische verplaatsing) vervangen, waardoor een dunne gouden laag ontstaat.​
Reactiedynamiek: Goudionen zijn edeler dan nikkel, dus nikkelatomen (Ni⁰) oxideren tot Ni²⁺, waarbij elektronen vrijkomen die Au³⁺ reduceren tot metallisch goud (Au⁰). Dit vormt een gouden laag van 0,05–0,2 µm die aan het nikkel is gebonden.​
Procescontroles:​
   a. Temperatuur: 70–80°C (hogere temperaturen versnellen de afzetting, maar riskeren een ongelijke dikte).​
   b. pH: 5,0–6,0 (optimaliseert de reactiesnelheid).​
   c. Goudconcentratie: 1–5 g/L (te laag veroorzaakt dun, vlekkerig goud; te hoog verspilt materiaal).​
Belangrijkste functie: De gouden laag beschermt het nikkel tegen oxidatie tijdens opslag en hantering, waardoor de soldeerbaarheid tot 12+ maanden wordt gegarandeerd.​

5. Nabehandeling van goud​
Na de goudafzetting ondergaat de PCB een laatste reiniging en droging ter voorbereiding op testen en assemblage.​
  a. Laatste spoeling: DI-waterspoeling om goudbadresten te verwijderen.​
  b. Drogen: Drogen bij lage temperatuur (30–50°C) om thermische spanning op de afwerking te voorkomen.​
  c. Optionele passivering: Sommige fabrikanten brengen een dunne organische coating aan om de weerstand van goud tegen vingeroliën of milieuverontreinigingen te verbeteren.​

6. Uitharding (optioneel)​
Voor toepassingen die maximale hardheid vereisen, kan de ENIG-afwerking een thermische uitharding ondergaan:​
  a. Temperatuur: 120–150°C gedurende 30–60 minuten.​
  b. Doel: Verbetert de nikkel-fosfor-kristalliniteit, waardoor de slijtvastheid voor connectoren met hoge cycli wordt verbeterd.​

Kritieke kwaliteitscontroletests voor ENIG​
De prestaties van ENIG zijn afhankelijk van strikte kwaliteitscontrole. Fabrikanten gebruiken deze tests om elke batch te valideren:​
1. Dikte meting​
Methode:Röntgendiffractie (XRF)-spectroscopie, die de nikkel- en gouddikte niet-destructief meet op 10+ punten per PCB.​
Acceptatiecriteria:​
  Nikkel: 3–7 µm (per IPC-4552 Klasse 3).​
  Goud: 0,05–0,2 µm (per IPC-4554).​
Waarom het ertoe doet: Dunne nikkel (0,2 µm) verhoogt de kosten zonder voordeel en kan broze soldeerverbindingen veroorzaken.​

2. Soldeerbaarheidstests​
Methode: IPC-TM-650 2.4.10 “Soldeerbaarheid van metalen coatings.” PCB's worden blootgesteld aan vochtigheid (85°C/85% RV gedurende 168 uur) en vervolgens gesoldeerd aan testcoupons.​
Acceptatiecriteria: ≥95% van de soldeerverbindingen moet volledige bevochtiging vertonen (geen ontvochtiging of niet-bevochtiging).​
Foutmodus: Slechte soldeerbaarheid duidt op defecten in de gouden laag (bijv. porositeit) of nikkeloxidatie.​

3. Corrosiebestendigheid​
Methode: ASTM B117 zoutsproeitest (5% NaCl-oplossing, 35°C, 96 uur) of IPC-TM-650 2.6.14 vochtigheidstest (85°C/85% RV gedurende 1.000 uur).​
Acceptatiecriteria: Geen zichtbare corrosie, oxidatie of verkleuring op pads of sporen.​
Betekenis: Cruciaal voor buitenelektronica (5G-basisstations) of maritieme toepassingen.​

4. Hechtingstests​
Methode: IPC-TM-650 2.4.8 “Pellingssterkte van metalen coatings.” Een strook plakband wordt op de afwerking aangebracht en onder een hoek van 90° teruggetrokken.​
Acceptatiecriteria: Geen delaminatie of verwijdering van de coating.​
Foutindicatie: Slechte hechting suggereert onvoldoende voorbehandeling (verontreinigingen) of onjuiste nikkelafzetting.​

5. Black pad-detectie​
“Black pad” is het meest gevreesde defect van ENIG: een broze, poreuze laag tussen goud en nikkel veroorzaakt door onjuiste nikkel-fosforafzetting.​
Methoden:​
   a. Visuele inspectie: Onder vergroting (40x) verschijnt black pad als een donkere, gebarsten laag.​
   b. Scanning Electron Microscopy (SEM): Onthult porositeit en een ongelijkmatige nikkel-goudinterface.​
   c. Afschuiftesten van soldeerverbindingen: Black pad veroorzaakt een daling van de afschuifsterkte met 50% + in vergelijking met goede ENIG.​
Preventie:Strikte controle van de pH en temperatuur van het nikkelbad en regelmatige badanalyse om overmatig fosfor (>12%) te voorkomen.​

Wereldwijde normen voor ENIG​
ENIG-productie wordt gereguleerd door verschillende belangrijke normen om consistentie te garanderen:​

Veelvoorkomende ENIG-defecten en hoe deze te voorkomen​
Zelfs met strikte controles kan ENIG defecten ontwikkelen. Hier is hoe u ze kunt voorkomen:​

ENIG versus andere afwerkingen: wanneer ENIG te kiezen​
ENIG is niet de enige optie, maar presteert beter dan alternatieven op belangrijke gebieden:​

ENIG is de duidelijke keuze voor toepassingen met hoge betrouwbaarheid, hoge frequentie of fijne pitch waar langdurige prestaties cruciaal zijn.​

FAQ​
V: Is ENIG geschikt voor loodvrij solderen?​
A: Ja. De nikkellaag van ENIG vormt sterke intermetallics met loodvrije soldeersels (bijv. SAC305), waardoor het ideaal is voor RoHS-conforme apparaten.​

V: Hoe lang blijft ENIG soldeerbaar?​
A: Correct opgeslagen ENIG-PCB's (in verzegelde verpakking) behouden de soldeerbaarheid gedurende 12–24 maanden, veel langer dan OSP (3–6 maanden) of HASL (6–9 maanden).​

V: Kan ENIG worden gebruikt op flexibele PCB's?​
A: Absoluut. ENIG hecht goed aan polyimide substraten en is bestand tegen buigen zonder te barsten, waardoor het geschikt is voor draagbare en medische flexibele apparaten.​

V: Wat zijn de kosten van ENIG in vergelijking met HASL?​
A: ENIG kost 30–50% meer dan HASL, maar vermindert de kosten op de lange termijn door storingen in toepassingen met hoge betrouwbaarheid te minimaliseren.

Conclusie​
ENIG is een geavanceerde oppervlakteafwerking die precisie vereist in elke fase van de productie - van voorbehandeling tot goudafzetting. Wanneer het wordt uitgevoerd volgens wereldwijde normen (IPC-4552, IPC-4554) en gevalideerd door middel van rigoureuze tests, levert het ongeëvenaarde corrosiebestendigheid, soldeerbaarheid en compatibiliteit met moderne PCB-ontwerpen.​
Voor fabrikanten en ingenieurs is het essentieel om het ENIG-proces en de kwaliteitsvereisten te begrijpen om de voordelen ervan te benutten. Door samen te werken met leveranciers die prioriteit geven aan strikte controles en traceerbaarheid, kunt u ervoor zorgen dat uw PCB's voldoen aan de eisen van medische, lucht- en ruimtevaart-, 5G- en andere kritieke toepassingen.​
ENIG is niet alleen een afwerking - het is een toewijding aan betrouwbaarheid.​
Belangrijkste conclusie: De prestaties van ENIG zijn afhankelijk van het beheersen van de chemische processen en het afdwingen van strikte kwaliteitscontrole. Als het goed wordt gedaan, is het de beste oppervlakteafwerking voor zeer betrouwbare elektronica.​