Por qué el espesor de la capa de oro en ENIG es importante para la soldadura

Mar 06, 2024

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La tarea principal del acabado final es proteger la almohadilla de cobre del deslustre u oxidación y al mismo tiempo mantener la superficie activa para el ensamblaje. El níquel/oro por inmersión electrolítico (ENIG) es un acabado ampliamente aceptado en el mercado que proporciona una buena soldabilidad y capacidad para la unión de alambres de aluminio. Una función principal de la capa de oro es evitar la oxidación de la capa de níquel.

Normalmente, el espesor del depósito sigue las recomendaciones especificadas en el IPC 4552, que sugiere un espesor mínimo aceptable de oro como xmean - 3σ(sigma) ≥ 0,04 µm1. Como posible respuesta a la creciente demanda de reducción de costos en la industria de placas de circuito impreso (PCB), reducir el espesor objetivo del oro puede ser una opción para ayudar a reducir el costo del acabado del metal precioso.

Los electrolitos de baño de oro aplicados para los acabados ENIG se pueden clasificar en tres tipos diferentes: electrolitos de oro de inmersión total y electrolitos de oro de reacción mixta. Para los electrolitos de oro por inmersión, la deposición está completamente impulsada por la reacción de inmersión que disuelve el níquel para proporcionar los electrones para el baño de oro. Para reducir el ataque inmersivo al níquel, en los últimos años se han desarrollado electrolitos que exhiben más propiedades autocatalíticas. Como el mecanismo de reacción normalmente se basa en una combinación de reacción de inmersión y reacción autocatalítica, estos electrolitos pueden describirse como de tipo oro de reacción mixta. Dependiendo del tipo de aditivo o agente reductor, la relación inmersión/reacción autocatalítica varía. Más propiedades autocatalíticas brindan los beneficios de un aumento lineal del espesor con el tiempo y una menor distribución del espesor en comparación con los baños de inmersión.

En particular, la distribución del espesor del oro puede variar según el tipo de electrolito y, en el caso de los electrolitos de oro con alta inmersión, puede depender en gran medida de la temperatura del revestimiento. Una disminución de la temperatura de tan solo 15°C puede conducir a una reducción del espesor del depósito del 20% o más. Por eso, una mala distribución de la temperatura en el tanque de revestimiento puede contribuir fácilmente a una mala distribución del espesor del oro en el panel. Al mismo tiempo, un espesor de oro bajo conlleva un alto riesgo de formación de capas porosas.

Las mediciones electroquímicas en las que el acabado ENIG estuvo expuesto a electrolitos corrosivos muestran que con un espesor de oro bajo, la corriente medida varía en un amplio rango, mientras que a partir de 0,05 nm y más, la capa de oro parece ser lo suficientemente densa como para garantizar una buena protección contra la corrosión. ataque del electrolito ácido. El gráfico de la Figura 1 ilustra el riesgo de una mayor porosidad de la capa de oro con un espesor objetivo de capa de oro bajo.

Para simular el efecto de una capa de oro porosa sobre las propiedades ENIG después del envejecimiento, se realizó un análisis de superficie XPS en muestras tratadas térmicamente. Las muestras, con capas de oro de distintos espesores de 40, 70 y 90 nm, se templaron a 150 °C durante 30 minutos y 120 minutos y luego se compararon con una referencia. Los resultados de XPS muestran que a medida que aumentan los tiempos de curado, se puede detectar un mayor contenido de níquel y oxígeno. Este efecto depende en gran medida del espesor de la capa de oro; Con un espesor de oro reducido, incluso sin endurecer se pueden detectar óxidos de níquel en la superficie de ENIG. Con una exposición térmica adicional, estos valores aumentan significativamente. La diferencia es más obvia entre 40 y 70 nm. A 90 nm se inhibe la migración del níquel, de modo que incluso después de 120 minutos de curado, los óxidos de níquel de la superficie se pueden mantener en un nivel bajo.

Estos resultados indican que al disminuir el espesor del oro, la capa de oro es más porosa y por lo tanto se vuelve permeable para la migración del níquel.

Dado que un menor espesor del oro y una mayor porosidad de la capa de oro conducen a un mayor riesgo de formación de óxido de níquel en la superficie ENIG, es probable que esto también afecte la humectación de la soldadura del acabado final. Las pruebas de humectación de soldadura, como la prueba de dispersión de soldadura, confirman esta observación. En esta prueba, se imprime un depósito de soldadura en la almohadilla ENIG y se hace refluir. Los paneles fueron envejecidos previamente mediante envejecimiento húmedo y envejecimiento por reflujo 2 veces antes del proceso de soldadura para simular las condiciones en el proceso de ensamblaje.

Figura 3: Distribución de soldadura para un espesor de capa de oro de 40 (muestra 1), 70 (muestra 2) y 90 (muestra 3) nm.

Aunque las capas ENIG con un espesor de oro de 40 nm pueden cumplir los criterios de aceptación para la prueba de extensión de soldadura con un ángulo de humectación inferior a 25 °C, se puede observar claramente una mejor humectabilidad con un espesor de oro mayor. La migración de níquel a la superficie ENIG, que está relacionada con el menor espesor del oro y la mayor porosidad, inhibe la formación del intermetálico Cu/Sn y, por lo tanto, conlleva el riesgo de defectos de soldadura. Esto se refleja en el rendimiento de humectación reducido en el extremo inferior de los valores bajos de espesor de oro.

Debido al riesgo de defectos de soldadura de las capas ENIG, el espesor de la capa de oro debe mantenerse en los rangos especificados. Para evitar fuertes variaciones de espesor en el panel, es necesario controlar bien el paso de chapado en oro y mantener bien la distribución de temperatura en el tanque.

Como medida adicional para prevenir defectos de soldadura debido al bajo espesor del oro, también se pueden considerar electrolitos de oro de reacción mixta con altas propiedades autocatalíticas como la serie "Aurotech G-Bond". Las propiedades autocatalíticas que exhiben pueden ayudar a reducir la distribución del espesor y, por tanto, el riesgo de un revestimiento accidental de espesor bajo.

Referencias

Britta Schafsteller es directora global de productos de acabado selectivo en Atotech Deutschland GmbH& Co KG. Mario Rosin es director global de aplicaciones en Atotech Deutschland GmbH& Co KG. Gustavo Ramos es director global de productos de acabado selectivo en Atotech Deutschland GmbH& Co KG. Joe McGurran es gerente de producto en Atotech USA, LLC.