Waarom onderdompeling van nikkel van cruciaal belang is voor onderdompeling van goud in PCB-oppervlakteafwerkingen

In de wereld van PCB-fabricage zijn oppervlakteafwerkingen de onbezongen helden die koperen pads beschermen, betrouwbaar solderen garanderen en de levensduur van een printplaat verlengen. Een van de meest vertrouwde afwerkingen is Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG), geprezen om zijn duurzaamheid, soldeerbaarheid en compatibiliteit met high-density ontwerpen. Maar wat maakt ENIG zo effectief? Het antwoord ligt in de tweelaagse structuur: een basis van immersie-nikkel, bekroond met een dunne laag immersie-goud. Hoewel goud veel aandacht krijgt vanwege zijn corrosiebestendigheid, is de nikellaag de onbezongen werker - zonder deze faalt ENIG. Hier is waarom immersie-nikkel ononderhandelbaar is vóór immersie-goud, en hoe het ervoor zorgt dat PCB's presteren in kritieke toepassingen.

De rol van immersie-nikkel: meer dan alleen een “middellaag”
Immersie-nikkel bevindt zich tussen de koperen pads van de PCB en de buitenste gouden laag en vervult drie onvervangbare functies die ENIG tot de gouden standaard maken voor zeer betrouwbare elektronica.

1. Barrièrebescherming: het stoppen van koperdiffusie
Koper is een uitstekende geleider, maar het is chemisch reactief - vooral wanneer het wordt blootgesteld aan goud. Zonder een barrière migreren koperatomen in de loop van de tijd naar de gouden laag, een proces dat diffusie wordt genoemd. Deze vermenging tast de integriteit van het goud aan, waardoor het broos wordt en vatbaar voor oxidatie. Het resultaat? Verzwakte soldeerverbindingen, signaaldegradatie en voortijdig falen.

Immersie-nikkel fungeert als een chemische firewall. De kristallijne structuur is dicht genoeg om te voorkomen dat koperionen het goud bereiken, zelfs in omgevingen met hoge temperaturen (bijv. tijdens reflow-solderen). Tests tonen aan dat een nikellaag van 3–5μm de koperdiffusie met meer dan 99% vermindert in vergelijking met goud dat direct op koper is aangebracht.

2. Verbetering van de soldeerbaarheid: de basis van sterke verbindingen
Voor PCB's gaat soldeerbaarheid niet alleen over “plakken” - het gaat over het vormen van sterke, consistente verbindingen die bestand zijn tegen temperatuurcycli, trillingen en tijd. Immersie-nikkel maakt dit mogelijk.

  a. Vlak, uniform oppervlak: in tegenstelling tot blank koper (dat snel oxideert) of ruwe afwerkingen (zoals HASL), creëert nikkel een gladde, egale basis voor soldeer. Dit zorgt ervoor dat soldeer zich gelijkmatig over de pads verspreidt, waardoor defecten zoals “soldeerkogels” of “koude verbindingen” worden verminderd.
  b. Gecontroleerde intermetallische vorming: tijdens het solderen reageert nikkel met tin in het soldeer om Ni₃Sn₄ te vormen, een sterke intermetallische verbinding die de verbinding op zijn plaats vergrendelt. Zonder nikkel reageert koper met tin om Cu₆Sn₅ te vormen, dat broos is en gevoelig voor scheuren onder spanning.

Een studie van de IPC wees uit dat ENIG-soldeerverbindingen (met nikkel) 3x meer thermische cycli (-55°C tot 125°C) weerstaan dan verbindingen met verguld koper zonder nikkel.

3. Mechanische sterkte: het voorkomen van delaminatie en slijtage
PCB's worden blootgesteld aan constante mechanische spanning - van het plaatsen/verwijderen van connectoren tot trillingen in automotive- of lucht- en ruimtevaartomgevingen. Immersie-nikkel voegt kritische taaiheid toe:

  a. Hechting: nikkel hecht stevig aan zowel koper als goud, waardoor delaminatie (afbladderen) wordt voorkomen, waardoor onderliggend koper wordt blootgesteld aan corrosie.
  b. Slijtvastheid: hoewel goud zacht is, beschermt de hardheid van nikkel (200–300 HV) de afwerking tegen krassen tijdens hantering of montage, een must voor PCB's in robuuste apparaten zoals industriële sensoren.

Het ENIG-proces: hoe nikkel en goud samenwerken
ENIG is niet alleen “nikkel dan goud aanbrengen” - het is een precisiechemisch proces dat afhankelijk is van de unieke eigenschappen van elke laag. Zo werkt het:

Stap 1: Immersie-nikkelafzetting
De koperen pads van de PCB worden eerst gereinigd om oxiden te verwijderen en vervolgens ondergedompeld in een nikkel-fosforbad. In tegenstelling tot galvaniseren (dat elektriciteit gebruikt), wordt immersie-nikkel gevormd via een chemische reactie: nikkelionen in het bad worden gereduceerd en afgezet op het koperen oppervlak, terwijl het koper oxideert en oplost in de oplossing.

  a, Dikte doet ertoe: nikellagen worden strikt gecontroleerd tussen 3–7μm. Te dun (7μm) en het wordt broos, met het risico op scheuren tijdens het buigen.
  b. Fosforgehalte: de meeste ENIG-nikkel bevatten 7–11% fosfor, wat de corrosiebestendigheid verbetert en de spanning in de laag vermindert.

Stap 2: Immersie-goudafzetting
Zodra de nikellaag is uitgehard, wordt de PCB ondergedompeld in een goudbad. Goudionen vervangen nikkelatomen aan het oppervlak (een proces dat verplaatsingsplating wordt genoemd), waardoor een dunne laag (0,05–0,2μm) wordt gevormd die het nikkel afdicht.

De rol van goud is om het nikkel te beschermen tegen oxidatie vóór het solderen. Het is dun genoeg om tijdens de montage in het soldeer op te lossen (waardoor het nikkel wordt blootgesteld voor intermetallische vorming), maar dik genoeg om aanslag tijdens opslag te weerstaan (tot 12+ maanden).

Waarom dit tweestappenproces niet kan worden overgeslagen
Goud alleen kan de nikellaag niet vervangen. Goud is te zacht om koperdiffusie te blokkeren en vormt geen sterke intermetallics met soldeer. Erger nog, goud dat direct op koper is aangebracht, creëert een “galvanische koppeling” (een batterijachtig effect) dat corrosie versnelt. De magie van ENIG ligt in de synergie: nikkel blokkeert diffusie en maakt sterk solderen mogelijk, terwijl goud nikkel beschermt tegen oxidatie.

Wat gebeurt er als nikkel wordt overgeslagen? De risico's van het nemen van snelkoppelingen
Sommige fabrikanten proberen de kosten te verlagen door nikkel over te slaan of suboptimale lagen te gebruiken, maar de gevolgen zijn ernstig - vooral voor PCB's in kritieke toepassingen zoals medische apparaten of ruimtevaartsystemen.

1. “Black pad” -fout: de meest voorkomende catastrofe
“Black pad” is een gevreesd defect waarbij de nikellaag is aangetast, waardoor een donker, poreus residu achterblijft tussen goud en koper. Het treedt op wanneer nikkel te dun is, slecht is aangebracht of wordt blootgesteld aan verontreinigingen. Zonder een intacte nikkelbarrière valt de goud-koperinterface uit, waardoor solderen onmogelijk wordt - verbindingen plakken niet of trekken weg met minimale kracht.

Een studie van de IPC wees uit dat 80% van de ENIG-fouten in ruimtevaart-PCB's terug te voeren zijn op onvoldoende nikellagen, wat fabrikanten gemiddeld $ 50.000 per batch kost aan herstelwerkzaamheden en vertragingen.

2. Corrosie en oxidatie
Nikkel is veel beter bestand tegen corrosie dan koper. Zonder nikkel oxideren koperen pads snel, zelfs in gecontroleerde opslag. Geoxideerd koper stoot soldeer af, wat leidt tot “droge verbindingen” die falen onder elektrische belasting. Een telecombedrijf dat bijvoorbeeld vergulde (nikkelvrije) PCB's gebruikte in 5G-basisstations, rapporteerde een uitvalpercentage van 30% binnen 6 maanden als gevolg van oxidatie - vergeleken met 0,5% met ENIG.

3. Slechte betrouwbaarheid van soldeerverbindingen
Soldeer hecht aan nikkel, niet aan goud. Wanneer nikkel ontbreekt, hecht soldeer zwak aan verguld koper, waardoor verbindingen ontstaan die scheuren onder thermische of mechanische spanning. In automotive-PCB's (onderhevig aan trillingen en temperatuurschommelingen) leidt dit tot intermitterende storingen in kritieke systemen zoals ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) - een risico dat geen enkele fabrikant zich kan veroorloven.

ENIG versus andere afwerkingen: waarom nikkel het verschil maakt
ENIG is niet de enige PCB-afwerking, maar de nikellaag geeft het voordelen die alternatieven niet kunnen evenaren. Zo zit het in elkaar:

De nikellaag van ENIG is de reden dat het anderen overtreft in zware omgevingen. In maritieme toepassingen (hoge luchtvochtigheid, blootstelling aan zout) gaan ENIG-PCB's bijvoorbeeld 5x langer mee dan die met HASL- of OSP-afwerkingen.

Beste praktijken voor immersie-nikkel in ENIG
Om de voordelen van nikkel te maximaliseren, moeten fabrikanten zich houden aan strikte normen voor dikte, zuiverheid en procescontrole.

1. Diktecontrole: 3–7μm is ononderhandelbaar
Zoals opgemerkt, falen nikellagen dunner dan 3μm als barrières, terwijl lagen dikker dan 7μm broos worden. IPC-4552 (de wereldwijde standaard voor electroless nikkel) schrijft een tolerantie van ±1μm voor om consistentie te garanderen. Toonaangevende fabrikanten gebruiken röntgenfluorescentie (XRF) om de dikte over 100% van de pads te verifiëren.

2. Fosforgehalte: 7–11% voor optimale prestaties
Nikkel-fosforlegeringen met 7–11% fosfor balanceren hardheid en corrosiebestendigheid. Lager fosfor (11%) verhogen de broosheid.

3. Procesbewaking: het vermijden van “black pad”
Black pad treedt op wanneer het nikkelbad slecht wordt onderhouden (bijv. onjuiste pH, verontreinigde chemicaliën). Fabrikanten moeten:

  a. Test de badchemie dagelijks (pH 4,5–5,5 is ideaal).
  b. Filter het bad om deeltjesverontreinigingen te verwijderen.
  c. Gebruik geautomatiseerde platingapparatuur om een ​​uniforme afzetting te garanderen.

Impact in de echte wereld: ENIG in kritieke toepassingen
De betrouwbaarheid van ENIG - aangedreven door de nikellaag - maakt het onmisbaar in gebieden waar falen geen optie is:

  a. Medische apparaten: pacemakers en defibrillators gebruiken ENIG om ervoor te zorgen dat soldeerverbindingen bestand zijn tegen lichaamsvloeistoffen en temperatuurschommelingen gedurende 10+ jaar.
  b. Lucht- en ruimtevaart: satelliet-PCB's vertrouwen op ENIG om bestand te zijn tegen straling en extreme temperatuurschommelingen (-200°C tot 150°C) zonder corrosie.
  c. 5G-infrastructuur: het vlakke oppervlak van ENIG ondersteunt fijnmazige BGA's (0,4 mm pitch) in basisstations, waardoor stabiele hoogfrequente signalen (28+ GHz) worden gegarandeerd.

FAQ
V: Wat gebeurt er als immersie-nikkel te dun is (<3μm)?
A: Dun nikkel blokkeert de koperdiffusie niet, wat leidt tot oxidatie, broos goud en zwakke soldeerverbindingen. Het verhoogt het risico op “black pad” -defecten.

V: Kunnen andere metalen nikkel in ENIG vervangen?
A: Nee. Alternatieven zoals palladium zijn kostbaar en vormen niet dezelfde sterke intermetallics met soldeer. Nikkel is het enige materiaal dat barrièrebescherming, soldeerbaarheid en kosten in evenwicht brengt.

V: Hoe lang gaat immersie-nikkel mee in ENIG?
A: Met de juiste plating (3–7μm dikte, 7–11% fosfor) blijft nikkel effectief gedurende de levensduur van de PCB - vaak 10+ jaar in gecontroleerde omgevingen.

V: Waarom is ENIG duurder dan andere afwerkingen?
A: De kosten van ENIG weerspiegelen de precisie van het tweelaagse proces, inclusief hoogzuiver nikkel en goud, en strikte kwaliteitscontroles. De investering loont zich in betrouwbaarheid, vooral voor elektronica met een hoge waarde.

Conclusie
Immersie-nikkel is geen bijzaak in ENIG - het is de basis. De rol als barrière tegen koperdiffusie, een enabler van sterke soldeerverbindingen en een beschermer tegen mechanische spanning maakt het onvervangbaar. Het overslaan van nikkel of het bezuinigen op de dikte ervan doet niet alleen afbreuk aan de afwerking - het brengt de prestaties van de hele PCB in gevaar, vooral in kritieke toepassingen.

Voor ingenieurs en fabrikanten is de boodschap duidelijk: geef bij het specificeren van ENIG prioriteit aan de nikellaag. De kwaliteit ervan bepaalt of een PCB floreert of faalt.