Comparaison entre ENIG et ENEPIG

Parmi les technologies appliquées dans le processus de fabrication des PCB, celles qui contribuent aux finitions de surface jouent un rôle crucial dans l’assemblage des PCB et l’utilisation des produits électroniques qui intègrent des circuits imprimés.

La couche de cuivre sur le PCB a tendance à s’oxyder à l’air, ce qui entraîne la formation d’oxydation du cuivre et réduit gravement la qualité de soudure. Le traitement de surface, cependant, est capable d’empêcher l’oxydation des pastilles de cuivre, de sorte qu’une excellente soudabilité et les performances électriques correspondantes puissent être garanties. Les demandes croissantes du marché en matière de miniaturisation, de fonctionnalité accrue et de fiabilité des dispositifs électroniques poussent les PCB vers une plus grande finesse, une légèreté accrue, une haute densité et une vitesse de transmission du signal plus élevée. En conséquence, les finitions de surface doivent relever de nouveaux défis en termes de stabilité et de fiabilité afin d’être compatibles avec les exigences de développement mentionnées ci-dessus.

De plus, avec la prise de conscience croissante en faveur d’un développement durable respectueux de l’environnement, les problèmes de pollution environnementale liés aux finitions de surface des PCB attirent de plus en plus l’attention dans le monde entier. La mise en œuvre des législations RoHS (Restriction of Hazardous Substances) et DEEE (Déchets d’Équipements Électriques et Électroniques) établies par l’UE vise à éliminer des produits électroniques les substances dangereuses telles que le plomb et le mercure, appelant à des solutions écologiques oufabrication sans plombde finition de surface de PCB. En tant que types de finition de surface, l’ENIG (nickel chimique or immersion) et l’ENEPIG (nickel chimique palladium chimique or immersion) peuvent non seulement répondre aux exigences technologiques du marché des PCB, mais sont également adaptables à la tendance au brasage sans plomb, avec un grand potentiel de développement.

Néanmoins, il est un peu difficile pour les gens de distinguer les différences entre l’ENIG et l’ENEPIG, sans parler de savoir quand il convient de recourir à l’un ou à l’autre. Le contenu suivant de cet article fournira les définitions de l’ENIG et de l’ENEPIG ainsi que leurs procédés de fabrication, discutera de leurs avantages et inconvénients et visera à offrir un guide sur le moment d’utiliser chaque finition dans des situations spécifiques.

Considérations pour le choix de la finition de surface

Jusqu’à présent, les finitions de surface les plus largement acceptées sont le HASL (nivellement à la soudure à air chaud), l’OSP (revêtements organiques de préservation de soudabilité), l’étain chimique, l’or chimique, l’ENIG et l’ENEPIG. Confronté à différentes finitions de surface ayant chacune leurs avantages et leurs inconvénients, avez-vous souffert d’un véritable casse-tête au moment d’en choisir une compatible avec vos produits ? En réalité, quel que soit le type de votre produit PCB ou les exigences qu’il doit satisfaire, votre choix de finition de surface doit se fonder sur des considérations portant sur le coût, l’environnement d’application des produits finaux, les composants à pas fin, la présence ou non de plomb, les applications RF (probabilité de haute fréquence), la durée de stockage, la résistance aux chocs et aux chutes, la résistance thermique, le volume et le rendement.

Par conséquent, les éléments de réflexion mentionnés ci-dessus peuvent servir de référence pour votre décision finale concernant la finition de surface de vos circuits imprimés. Naturellement, ces éléments ne peuvent JAMAIS avoir tous la même importance ni le même degré de signification. Ainsi, les degrés de signification de chaque élément doivent être clarifiés avant que vous ne vous appuyiez sur cette liste, en tenant compte des situations spécifiques de votre produit.

Avènement de l’ENIG et de l’ENEPIG

Dès les années 1990, en raison de l’évolution des PCB vers des pistes plus fines et des micro‑vias, ainsi que des inconvénients croissants du HASL et de l’OSP, tels que les problèmes de planéité du premier et les difficultés d’élimination du flux du second, l’ENIG a commencé à être utilisé comme une autre alternative pourFinition de surface dans la fabrication de PCB.

Afin de vaincre le problème de la plaque au nickel noir, principale faiblesse de l’ENIG, l’ENEPIG apparaît comme une version améliorée de l’ENIG. Avec l’ajout d’un dépôt de palladium entre le nickel chimique et l’or par immersion, l’ENEPIG comporte une fine couche de résistance dont l’épaisseur se situe généralement entre 0,05 μm et 0,1 μm. La couche de palladium joue un rôle en empêchant la technologie d’or par immersion de corroder la couche de nickel. Par conséquent, l’ENEPIG est capable d’éliminer le défaut de « black pad » propre à l’ENIG. De plus, l’ENEPIG se caractérise par une capacité de bonding fil hautement fiable, une excellente aptitude aux multiples refusions de soudure et comporte une surface de contact pour interrupteurs, ce qui lui permet de répondre simultanément aux exigences strictes des PCB à haute densité et à multiples boîtiers de surface. En raison de ces avantages, l’ENEPIG est également appelé finition universelle.

Avantages et inconvénients de l’ENIG et de l’ENEPIG

Dans les années 1990, avec la tendance de développement des pistes fines et des micro‑vias sur les PCB, ainsi que les problèmes de planéité du HASL (nivellement à l’air chaud) et les problèmes d’élimination de la soudure de l’OSP (revêtements organiques de préservation de soudabilité), la technologie ENIG a commencé à être massivement utilisée dans la fabrication de PCB.

Comparée à l’ENIG, la technologie ENEPIG a été appliquée à la fabrication de PCB dès les années 1980. Cependant, l’ENEPIG n’a pas été largement utilisée ni popularisée en raison de son coût élevé et des faibles exigences des produits en matière de finition de surface. À présent, les exigences de miniaturisation, de finesse et de multifonctionnalité offrent davantage d’opportunités à l’ENEPIG.

Les avantages de l’ENIG et de l’ENEPIG sont présentés dans le tableau suivant.

La technologie ENEPIG se développe à partir de la technologie ENIG avec l’ajout d’une couche de palladium, ce qui améliore considérablement ses performances. Les raisons en sont les suivantes :
a. La couche de palladium, présentant une structure de membrane dense, recouvre totalement la couche de nickel, et la teneur en phosphore dans la couche de palladium est inférieure à la teneur ordinaire de la couche de nickel, de sorte que les conditions de formation du nickel noir sont évitées et que la possibilité de « black pad » disparaît.
b. Le point de fusion du palladium est de 1 554 °C, ce qui est plus élevé que le point de fusion de l’or (1 063 °C). Par conséquent, la vitesse de fusion du palladium à haute température est relativement lente, ce qui laisse suffisamment de temps pour la formation d’une couche de résistance protégeant la couche de nickel.
c. Le palladium présente une dureté supérieure à celle de l’or, ce qui améliore la fiabilité des soudures, la capacité de connexion par fils et la résistance à l’usure.
d. L’alliage étain-palladium possède la plus forte capacité anticorrosion, capable d’arrêter la corrosion par fluage causée par la corrosion de pile primaire, ce qui permet d’augmenter la durée de vie.
e. L’utilisation du palladium permet de réduire l’épaisseur de la couche d’or, ce qui diminue le coût de 60 % par rapport à l’ENIG.

Chaque médaille a son revers. En plus de leurs avantages, l’ENIG et l’ENEPIG présentent également certains inconvénients.

Mesures pour une finition de surface rentable

Compte tenu des avantages et des inconvénients de l’ENIG et de l’ENEPIG, il est naturel de choisir l’ENEPIG comme meilleure solution lorsque la fiabilité est le premier critère. Cependant, son coût plus élevé empêche certaines entreprises de sacrifier une partie de leurs revenus. Mais vous êtes tout à fait en droit de rechercher un équilibre optimal entre la qualité et le coût dansPCBCartpuisque nous disposons de mesures pour éliminer le problème de « black pad » avec l’ENIG appliqué.

Le phénomène de « black pad » est apparu avec l’avènement de l’ENIG. Au cours du procédé d’immersion d’or dans l’ENIG, le black pad a tendance à se produire en raison de la corrosion du nickel provoquée par de mauvaises conditions d’opération. Une corrosion excessive du nickel réduit considérablement la mouillabilité et les performances de liaison de la soudure, et celle-ci doit alors supporter des contraintes plus importantes lorsqu’elle est liée à une surface de nickel corrodée. Finalement, la couche de contact entre la soudure et le nickel se rompt, générant une surface de nickel noircie, phénomène appelé black pad.

Étant donné que l’ENIG contient une couche d’or autocatalytique, il est assez difficile de déterminer s’il existe ou non un « black pad ». Le nickel ne sera pas exposé tant que l’or n’aura pas été retiré de la surface par une méthode chimique. De plus, une couche de nickel riche en phosphore se formera au contact du nickel et de l’or (avant le brasage) ainsi qu’au contact de la brasure et du nickel (après le brasage). Il s’agit en réalité d’un phénomène naturel qui n’a aucun lien avec le « black pad ».

Les principales causes du phénomène de « black pad » se présentent sous deux aspects. Premièrement, la mise en œuvre de la technologie est si mal contrôlée que les particules cristallines se développent de manière non uniforme et que de nombreuses fissures apparaissent entre les particules cristallines, ce qui génère un film de nickel de mauvaise qualité. Deuxièmement, la durée du procédé d’immersion d’or est si longue que la corrosion a tendance à se produire à la surface du nickel, entraînant la formation de fissures.

Parmi tous les éléments influençant le nickel autocatalytique,masque de soudurese distingue pour les raisons suivantes :
Raison n°1: Le vernis épargne présente une liaison croisée et une rigidité insuffisantes, de sorte que des contaminants ont tendance à rester sur la surface du cuivre, empêchant la réaction d’activation de se produire. Dans une solution chaude de nickel autocatalytique, le monomère du vernis épargne est libéré à mesure que l’hydrogène est généré. Il empêche alors la réaction du nickel autocatalytique et rompt l’équilibre chimique.
Raison n°2: Surface avec un mauvais vernis épargne entraîne une dégradation de la surface des pastilles.
Raison n°3: Le vernis épargne rempli dans les microvias a tendance à subir une réaction électrochimique, ce qui empêche la formation d’une surface catalytique uniforme.

Pour résoudre avec succès le problème de « black pad », trois mesures peuvent être prises :
Mesure n°1: La valeur du pH de la solution de nickel autocatalytique doit être contrôlée.
Mesure #2: La teneur en stabilisant de la solution de nickel autocatalytique doit être analysée.
Mesure n°3La corrosion de la surface du nickel doit être arrêtée pendant l’immersion dans l’or.

Jusqu’à présent, les améliorations en matière de technologie d’or par immersion ont donné de bons résultats. La technologie d’or par immersion récemment développée réduit non seulement la corrosion de la surface de nickel, mais contribue également à diminuer les coûts. Comparée à la solution d’or par immersion (pH = 4,5–5,5) de la génération précédente, la solution d’or par immersion de nouvelle génération est presque neutre, avec une valeur de pH comprise entre 7,0 et 7,2. Une solution neutre est la plus efficace pour empêcher les ions hydrogène de corroder la surface de nickel. De plus, la technologie d’or par immersion de nouvelle génération peut être mise en œuvre avec une solution d’or de concentration plus faible, ce qui réduit le coût des matières premières initiales de 50 % à 80 % et n’a que peu d’influence sur le nickel de la couche inférieure.

Lorsqu’il s’agit de la finition de surface pourcircuits imprimés flexibles, si l’ENIG actuel est directement appliqué aux circuits imprimés flexibles, le film de nickel en couches se fissurera lorsque le substrat sera plié, ce qui entraînera ensuite des fissures du cuivre dans la couche inférieure. Pour répondre aux exigences de finition de surface des circuits flexibles, la nouvelle technologie de nickelage chimique est capable de générer un film de nickel à structure colonnaire. Seules de microfissures peuvent se former à la surface lorsque le substrat est plié et ces fissures ne se propageront pas jusqu’au cuivre de la couche inférieure.

Toutes les analyses et mesures énumérées ci-dessus ne s’appliquent qu’à l’ENIG, tandis que l’ENEPIG, en tant que version améliorée de l’ENIG, n’en a pas besoin.

En fait, les mesures ci-dessus ont été accumulées et testées par PCBCart afin de répondre aux exigences des clients en matière de haute fiabilité et de faible coût. Une fois l’ENIG choisi, il est de notre responsabilité d’en garantir la qualité, même s’il présente un défaut « mortel », conformément à notre principe d’orientation client.

Comparaison des applications entre ENIG et ENEPIG

Les domaines d’application de l’ENIG et de l’ENEPIG sont différents en fonction de leurs avantages distinctifs. L’ENIG convient au brasage sans plomb, à la technologie de montage en surface (SMT),boîtier BGA (ball grid array)etc. Les secteurs et produits que l’ENIG est en mesure de servir comprennent les données/télécommunications, le haut de gamme grand public, l’aérospatiale, le militaire, les dispositifs haute performance et les industries médicales. En outre, l’ENIG est particulièrement utilisé sur le marché des circuits flexibles en raison de sa grande fiabilité.

L’ENEPIG est capable de répondre à des exigences plus strictes pour plusieurs types de boîtiers, y compris la technologie traversante (THT), la technologie de montage en surface (SMT), les BGA, le wire bonding, le press-fit, etc. Mieux encore, l’ENEPIG convient également aux circuits imprimés utilisant différentes technologies d’assemblage. Par conséquent, les domaines d’application que l’ENEPIG peut servir incluent l’aérospatiale, le militaire, les dispositifs haute performance et les industries médicales, qui présentent des exigences plus élevées en matière de densité et de fiabilité.

En fait, c'estFabricant de cartes PCBtravail de fournir des produits de première qualité à leurs clients. En tant qu’étape importante dans la fabrication des PCB, la haute qualité de la finition de surface détermine assurément la haute qualité des circuits imprimés. Par conséquent, les fabricants de PCB doivent s’assurer que la finition de surface est capable de répondre aux exigences imposées par les circuits imprimés et les produits finaux qu’ils serviront.

Technologies et procédés de fabrication

Se familiariser avec les technologies et les procédés de fabrication de l’ENIG et de l’ENEPIG peut paraître un peu ennuyeux, mais cela permet de comprendre précisément ce qui se passe dans ces deux types de finitions de surface.

1) Technologie et procédé de fabrication de l’ENIG

Trois couches de structure métallique sont concernées dans l’ENIG, notamment le cuivre, le nickel et l’or. Le procédé comprend principalement : activation du cuivre, ENP (dépôt autocatalytique de nickel) et immersion d’or.

• Activation du cuivre

L’activation du cuivre est le privilège du dépôt sélectif qui a lieu dans l’ENP. Une réaction de déplacement est nécessaire afin qu’une fine couche de palladium puisse être générée sur la couche de cuivre, agissant comme surface catalytique. Lors de la fabrication des PCB, le PdSO₄et PdCl₂sont souvent utilisés comme activateur avec la formule de réaction suivante :

Cu + Pd²⁺→ Cu²⁺+ Pd

• ENP

Dans la technologie ENIG, la couche de nickel a deux fonctions. En tant que couche barrière, elle peut empêcher la diffusion mutuelle du cuivre et de l’or. D’autre part, elle réagit avec l’étain, avec la formation d’un excellent CMI (composé intermétallique) Ni₃Sn₄afin de garantir une bonne soudabilité lors de l’assemblage. Sous l’action de la surface catalytique, l’ENP conduit au dépôt d’une couche de nickel par une réaction d’oxydoréduction avec le NaH₂PO₂comme agent réducteur. Dès que la couche de nickel est totalement recouverte d’une surface catalytique de palladium, le nickel élémentaire permet à la déposition de nickel de se poursuivre en tant que catalyseur de l’ENP.

Il est important de souligner que l’hydrogène actif à l’état atomique émis par l’hydrolyse de l’agent réducteur NaH₂PO₂rend Ni²⁺réduit à la substance élémentaire de nickel tandis que H₂PO₂^-à la substance élémentaire de phosphore. Par conséquent, la couche ENP dans la technologie ENIG est en réalité une couche d’alliage nickel-phosphore. La formule de réaction de cette étape est présentée comme suit :

H₂PO₂^-+ H₂O → H⁺+ HPO₃^2-+ 2H

Ni²⁺+ 2H → Ni↓ + 2H⁺

H₂PO₂^-+ H → P↓ + OH^-+ H₂O

H₂PO₂^-+ H₂O → H₂↑ + H⁺+ HPO₃^2-

• Or immersion

Dans la technologie ENIG, la couche d’or présente les avantages d’une faible résistance de contact, de rares risques d’oxydation, d’une grande résistance mécanique et d’une bonne résistance à l’usure, ce qui lui permet de satisfaire aux exigences de conductivité du circuit et de protéger la couche de cuivre et la couche de nickel contre l’oxydation, de sorte que la soudabilité de la couche de nickel puisse être garantie. L’or par immersion désigne la formation d’une couche d’or à la surface de la couche de nickel par une réaction de déplacement qui ne s’arrête que lorsque la couche d’or formée recouvre totalement la couche de nickel. C’est pourquoi la couche d’or est relativement mince. La formule de réaction correspondant à cette étape est la suivante :

2Au(CN)₂^-+ Ni → 2Au + Ni²⁺+ 4CN^-

2) Technologie ENEPIG et procédé de fabrication

Contrairement à l’ENIG, l’ENEPIG comporte quatre couches de structure métallique, incluant le cuivre, le nickel, le palladium et l’or. Le procédé ENEPIG est identique à celui de l’ENIG, à ceci près qu’un placage autocatalytique de palladium est ajouté entre le nickel chimique (ENP) et l’or par immersion.

Une couche de palladium est ajoutée à la technologie ENEPIG en tant que couche barrière, empêchant la corrosion de la couche de nickel causée par la solution lors du processus de dépôt de l’or et la diffusion de la couche de nickel vers la couche d’or. Parallèlement, la couche de palladium peut être considérée comme une couche antioxydante et anticorrosion en raison de sa compacité, ce qui améliore la soudabilité. À l’instar du placage au nickel autocatalytique, le placage au palladium autocatalytique entraîne le dépôt de la couche de palladium par une réaction d’oxydoréduction avec NaH₂PO₂comme agent réducteur. La formule de réaction indiquant cette étape est présentée comme suit :

H₂PO₂^-+ H₂O → H⁺+ HPO₃^2-+ 2H

Pd²⁺+ 2H → Pd↓ + 2H⁺

H₂PO₂^-+ H → P↓ + OH^-+ H₂O

H₂PO₂^-+ H₂O → H₂↑ + H⁺+ HPO₃^2-

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