Salah satu kemasan permukaan yang paling banyak digunakan pada PCB dalam pembuatan elektronik masa kini ialah Nikel Autopemendap Emas Celupan (ENIG). Disebabkan oleh kerataan yang sangat baik, rintangan pengoksidaan yang tinggi dan kebolehan untuk digunakan pada komponen padang halus, ENIG biasanya digunakan dalam produk termasukPapan HDI, pemasangan BGA, elektronik automotif, peranti perubatan, dan peralatan telekomunikasi.
Papan litar bercetak mengalami berbilang kitaran reflow dengan lebih kerap apabila pemasangan elektronik menjadi lebih kompleks dan padat. Beberapa proses reflow pada suhu tinggi berlaku pada PCB semasapemasangan SMT dua sisi, penggantian komponen, operasi pembaikan dan pembuatan profil terma berulang. Walaupun ENIG menunjukkan prestasi yang baik dalam banyak aplikasi yang mencabar, pendedahan jangka panjang kepada kitaran terma berulang boleh menjejaskan kebolehterlehan pateri, sifat mekanikal dan kebolehpercayaan ENIG.
Apa yang Berlaku Semasa Beberapa Kitaran Reflow?
Kitaran Reflow: Proses pemanasan pes pateri sehingga cair dan menghasilkan sambungan elektrik antara komponen dan pad PCB. Suhu puncak reflow biasa dalampembuatan bebas plumbumadalah antara 240°C dan 260°C yang menyebabkan tekanan haba yang tinggi pada kemasan permukaan PCB.
Kemas ENIG terdiri daripada dua lapisan logam:
Nikel Elektroless: Menyediakan penghalang resapan antara kuprum dan pateri.
Emas Celup: Menghalang nikel daripada teroksida sebelum pematerian.
Semasa pematerian, lapisan nipis emas cair ke dalam pateri dan pateri bersentuhan dengan lapisan nikel di bawah emas. Antara muka ini akan sentiasa berubah dengan pengaliran semula berulang kali yang mungkin menjejaskan kebolehpercayaan jangka panjang.
Pertumbuhan Sebatian Antara Logam
Kesan penting bagi kitaran refluks berbilang pada ENIG ialah pembentukan progresif sebatian intermetalik.
Apabila pateri cair bersentuhan dengan lapisan nikel, sebatian nikel dan timah (Ni₃Sn₄) terbentuk pada antara muka sambungan pateri. Pertumbuhan IMC adalah penting untuk penggabungan ikatan pateri; walau bagaimanapun, jika terlalu banyak IMC terbentuk, kebolehpercayaan sambungan akan terjejas.
Kajian dengan pendedahan aliran semula berulang menunjukkan bahawa dengan setiap aliran semula, ketebalan lapisan IMC meningkat dan rintangan elektrik bagi sambungan pateri turut meningkat. Akibatnya, sambungan pateri apabila terdedah kepada tekanan terma boleh menjadi rapuh dan kurang berupaya menahan keletihan mekanikal.
Pertumbuhan intermetalik yang berlebihan boleh menyebabkan:
Kerapuhan sambungan pateri
Kekuatan mekanikal berkurangan
Risiko lebih tinggi berlakunya keretakan dalam sistem paip
Mengurangkan toleransi kejutan haba dan kestabilan
Secara umumnya, sambungan pateri pada ENIG menunjukkan kadar pertumbuhan IMC yang lebih perlahan berbanding salutan berasaskan kuprum yang lain, tetapi kitaran refluks berterusan masih boleh menyebabkan sambungan pateri menjadi lemah dari semasa ke semasa, terutamanya dalam persekitaran operasi yang teruk.
Pengayaan Fosforus dan Degradasi Antara Muka
Fosfor hadir dalam julat fosforus sederhana hingga tinggi dalam lapisan nikel tanpa elektrik dalam ENIG. Pemanasan berulang menyebabkan fosforus berkumpul di antara muka, dan nikel meresap ke dalam pateri.
Kawasan yang kaya fosforus sedemikian boleh menjadi rapuh apabila terdedah kepada haba berulang kali, sekali gus membawa kepada kemungkinan kegagalan pada antara muka. Retakan boleh terbentuk pada antara muka sambungan yang kurang baik apabila tekanan tambahan dikenakan semasa penggunaan.
Pengayaan fosforus boleh membawa kepada:
Ikatan pateri lemah
Kebasahan berkurang
Zon keretakan rapuh
Sambungan pateri yang gagal melekat dengan betul.- Kegagalan sambungan pateri
Oleh itu, adalah penting untuk mempunyai kimia ENIG yang stabil dan kawalan penyaduran yang baik bagi memastikan prestasi pemasangan yang baik.
Kebimbangan Pad Hitam dan Kebolehterbasuhan Solder
Masalah kebolehpercayaan biasa bagi ENIG ialah fenomena “pad hitam”. Apabila terlalu banyak kakisan berlaku pada lapisan nikel semasa proses emas celup, satu permukaan gelap yang mengandungi fosforus terbentuk, yang mengganggu proses pengikatan pateri, lalu menyebabkan “pad hitam”.
Walaupun kecacatan black pad mungkin tidak sentiasa kelihatan semasa pemeriksaan, proses reflow juga boleh memburukkan lagi isu tersebut dengan menambahkan tekanan terma pada antara muka yang sudah lemah, disebabkan oleh bilangan kitaran reflow. Kadangkala, sambungan pateri mungkin kelihatan baik pada mulanya, tetapi akan gagal akibat getaran, kitaran terma atau hentakan mekanikal.
Selain pad hitam, beberapa kitaran reflow juga boleh menyebabkan kebolehsolderan menurun disebabkan oleh:
Pengoksidaan nikel
Pencemaran permukaan
Pembentukan IMC yang berlebihan
Prestasi pembasahan berkurangan
Isu kebolehpercayaan menjadi semakin penting disebabkan oleh peningkatan kebolehgunaan mudah alih, pengecilan, dan kerumitan produk elektronik.
Cabaran dalam Pemasangan Bebas Plumbum
Kitaran aliran semula berbilang telah dipercepatkan apabila menggunakan pateri bebas plumbum. Proses pematerian bebas plumbum memerlukan suhu yang lebih tinggi dan masa yang lebih lama di atas takat cecair berbanding pematerian timah-plumbum tradisional.
Keadaan terma yang lebih ekstrem ini mempercepat:
Pelarutan nikel
Pertumbuhan intermetalik
Pengoksidaan
Kelesuan terma
Oleh itu, permukaan ENIG lebih berkemungkinan merosot dalam keadaan bebas plumbum selepas kitaran terma. Hal ini amat penting terutamanya untuk aplikasi dengan jangka hayat perkhidmatan yang panjang, seperti dalam elektronik automotif, aeroangkasa atau perindustrian.
Cara Mengurangkan Kegagalan Berkaitan Reflow
Keadaan aliran semula berbilang selalunya memerlukan pengeluar mengambil beberapa langkah berjaga-jaga untuk memastikan kebolehpercayaan kemasan ENIG.
Kawalan Proses yang Ketat
Ketebalan nikel, ketebalan emas, kandungan fosforus dan kimia penyaduran dipantau dengan teliti untuk meminimumkan kemungkinan berlakunya masalah pad hitam dan keboleh-soldadan.
Profil Aliran Semula Dioptimumkan
Adalah penting untuk mengelakkan sebarang pendedahan haba yang tidak perlu. Salah satu cara terbaik yang boleh digunakan oleh pengeluar untuk meminimumkan suhu puncak, masa melebihi suhu cecair, dan kitaran kerja semula yang tidak perlu ialah dengan menghadkan keadaan melampau tersebut sebanyak mungkin.
Penyimpanan yang Betul dan Pengurusan Kelembapan
Prestasi pematerian boleh terjejas secara negatif oleh kelembapan dan pencemaran. Kebolehpercayaan semasa proses aliran semula berulang dipertingkatkan melalui penyimpanan yang betul, penyimpanan dalam kabinet kering, dan pengendalian komponen sensitif lembapan.
Kemasan Permukaan Alternatif
Jika prestasi suhu tinggi merupakan keperluan kritikal bagi aplikasi, sesetengah pengeluar mungkin mempertimbangkan untuk menggunakan sama ada ENEPIG atau perak celupan, bergantung pada keperluan pemasangan.
ENIG masih merupakan salah satu kemasan permukaan PCB yang paling boleh dipercayai dan serba boleh dalam pembuatan elektronik masa kini. Kerataan yang tinggi, rintangan kakisan yang baik dan keserasian padang halus memudahkan PCB berketumpatan tinggi dan pemasangan SMT termaju.
Tetapi beberapa kitaran reflow boleh membawa banyak masalah kebolehpercayaan. Pendedahan haba berulang menggalakkan pertumbuhan sebatian intermetalik, pengayaan fosforus, kerapuhan sambungan pateri dan dalam beberapa kes boleh memburukkan lagi masalah “black pad” terpendam. Kesan ini menjadi lebih ketara apabila persekitaran bebas plumbum, kerana suhu yang lebih tinggi digunakan semasa pemprosesan.
Untuk menjamin kebolehpercayaan jangka panjang bagi sambungan pateri, pengeluar perlu mengoptimumkan kualiti penyaduran ENIG, profil refluks, dan pengurusan terma sepanjang keseluruhan proses pemasangan pematerian.
Dengan evolusi produk elektronik ke arah ketumpatan dan kerumitan yang lebih tinggi, adalah semakin penting untuk bekerjasama dengan rakan kongsi pembuatan PCB yang berpengalaman. PCBCart menawarkan perkhidmatan profesionalPerkhidmatan pemasangan dan fabrikasi PCBdengan sistem kawalan kualiti yang ketat yang memenuhi aplikasi kebolehpercayaan tinggi dalam pembuatan elektronik.
Sumber yang Berguna
•Pengenalan dan Perbandingan Kemasan Permukaan PCB
•Garis Panduan Paling Komprehensif untuk Pemilihan Kemasan Permukaan
•Perbandingan antara Prosedur Pembuatan Penyolderan Berplumbum dan Penyolderan Bebas Plumbum dalam PCBA
•Elemen yang Mempengaruhi Kualiti Pemasangan Solder SMT dan Langkah Penambahbaikan
