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      超越鎳/金:電子領(lǐng)域用下一代耐腐蝕表面精飾工藝

      2020-11-16 01:33:32聞春國
      機(jī)電元件 2020年5期
      關(guān)鍵詞:阻擋層汗液鍍層

      聞春國 譯

      (四川華豐企業(yè)集團(tuán)有限公司,四川綿陽,621000)

      1 引言

      電鍍鍍覆層的一個主要功能是增強(qiáng)基底金屬(即電路板和連接器中的初級銅底層和/或所要施加鍍覆層的其它基底層)的耐腐蝕性。在電子應(yīng)用中,這種鍍覆層還需要賦予其規(guī)定的導(dǎo)電性和耐磨性。此外,鍍覆層必須能夠通過焊接、物理插入等方式連接到其它表面上。

      傳統(tǒng)的電鍍鎳(1μm~2μm)加薄鍍硬金(0.10μm~0.75μm,具體厚度視應(yīng)用而定)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在電子器件電鍍行業(yè)許多領(lǐng)域應(yīng)用了幾十年。如圖1所示,鍍鎳可提供了一個阻擋層,以保護(hù)基底金屬銅,否則,基底金屬遭受腐蝕損壞,就無法正常使用。金鍍層提高了它的導(dǎo)電性、耐磨性和可焊性。后處理可保護(hù)基底層,并在庫存中保持其應(yīng)有的可焊性。

      圖1 鎳-金方案示意圖

      不過,可靠性要求的不斷提高使得我們不得不采取更為嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)范,特別是在防腐性能方面。例如,隨著集成電路(IC)半導(dǎo)體器件和印刷電路板(PCB)尺寸的縮小,對電子互連器件的幾何要求急劇增加。因此,開發(fā)更加結(jié)實(shí)耐用的鎳/金替代方案已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

      本文將討論許多替代的工藝方案,首先從改進(jìn)的阻擋層開始,然后再討論金和后處理工藝的替代工藝,最后討論需要采用全新電子精飾工藝的一些新興應(yīng)用領(lǐng)域。

      2 改良的阻擋層

      傳統(tǒng)的電子器件精飾阻擋層采用的是啞光氨基磺酸鎳。多年來,它為電鍍工業(yè)提供了良好的服務(wù),但電子器件小型化和幾何更趨復(fù)雜化帶來了一些新的挑戰(zhàn),超越了這種鍍覆層的極限。較低的鍍層厚度、在較低電流密度區(qū)加大厚度分布以及較低的內(nèi)應(yīng)力要求,凡此種種,傳統(tǒng)工藝都很難一一滿足。現(xiàn)有的替代工藝已經(jīng)成功地滿足了新的規(guī)范要求,包括納米晶鎳和無鎳鈷-鎢(CoW)工藝。

      2.1 納米晶鎳工藝

      納米晶鎳是一種先進(jìn)的鍍鎳工藝,專門用于高速/卷筒-卷筒電鍍應(yīng)用中,可顯著改善鎳厚度的分布狀況,并在專用電解質(zhì)中改善其耐腐蝕性。這一工藝產(chǎn)生了一種半光亮、低應(yīng)力并具有延展性的沉積鍍層。其晶粒尺寸以納米來度量,接近于無定形電鍍。

      表1表示納米晶鎳和氨基磺酸鎳沉積電鍍層的特性對比。由此可見,納米晶鎳具有較低的應(yīng)力和較高的硬度,在較小的幾何尺寸條件下仍然保持了一種保護(hù)性的阻擋層。

      表1 納米晶和氨基磺酸鎳特性對比較

      電鍍浴液導(dǎo)電率越高,其分散能力就越強(qiáng)。從圖2所示的連接器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中便可略見一斑:使用納米晶鎳之后,其鍍層厚度分布大幅提高了30%~40%(紅色數(shù)據(jù))。

      (Functional Area:功能區(qū)域;Tail Area:尾部區(qū)域)圖2 納米晶鎳和氨基磺酸鹽鎳分散能力對比

      納米晶鎳鍍層的耐腐蝕性也優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的氨基磺酸鎳鍍層。圖3顯示兩種鍍層經(jīng)過兩個小時硝酸蒸汽暴露試驗(yàn)之后的對比試驗(yàn)結(jié)果。

      2.2 鈷-鎢工藝

      在某些應(yīng)用場合,我們需要完全從電鍍工藝中去除鎳(例如,接觸鎳后會出現(xiàn)過敏性皮炎問題)。

      (左)氨基磺酸鎳-120μin.,Au-30μin.;(右)納米鎳-100μin.,Au-30μin.圖3 硝酸蒸汽試驗(yàn)2小時后的結(jié)果

      為此,人們已經(jīng)為這些領(lǐng)域開發(fā)出鈷-鎢合金(CoW)阻擋層電鍍工藝。這種合金鍍層的組成成分為65/35 Co/W(±5%)。其結(jié)構(gòu)也屬于納米晶體(如圖4所示),硬度為600-700 VHN。其沉積鍍層應(yīng)力較低,耐腐蝕性也非常好。

      圖4 CoW鍍層FIB/SEM橫截面(50000x)

      在生產(chǎn)過程中,該工藝提供了一個廣闊的操作窗口,在現(xiàn)有電鍍工藝線中可作為鎳或鎳-鎢電鍍浴液的替代方案。它適用于消費(fèi)電子應(yīng)用領(lǐng)域,因?yàn)檫@種鍍層不含鎳,故不存在鎳的過敏性皮炎問題。

      3 鍍金/后處理工藝替代方案

      要尋找鍍金替代品往往涉及到成本問題。其中一個較為可行的方案就是使用金屬銀,再加上適當(dāng)?shù)暮筇幚砉に嚒r至今天,鍍銀工藝在非汽車應(yīng)用中的實(shí)施仍然受到兩個技術(shù)問題限制:

      (1)耐磨性,特別是在多次插入循環(huán)之后;

      (2) 耐腐蝕性,即克服銀的變色問題。

      目前,銀鍍層在汽車電子器件中的應(yīng)用僅限于插拔次數(shù)很少的密封場合。一個較為理想的解決方案就是耐磨/耐腐蝕的鍍銀工藝。然而,傳統(tǒng)的銀在經(jīng)過電鍍和烘烤之后,會出現(xiàn)高約1.2的摩擦系數(shù)。一個現(xiàn)實(shí)可行的選項(xiàng)就是采用銀合金鍍層。

      3.1 銀合金電鍍層

      目前,銀合金鍍層可以通過一個由銀合金電沉積和一個獨(dú)特的后處理工藝化學(xué)成分(Durasil?)組成的一種專有的兩合一組合方案來實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的鍍銀工藝相比,這種組合方案可提供非常優(yōu)良的鍍層導(dǎo)電性,同時又具有極為優(yōu)異的防腐蝕性能,并能明顯地改善其耐磨性。

      銀合金鍍層的硬度為175KHN。烘干之后,其硬度降至145 KHN。接觸電阻較低而且穩(wěn)定,烘干并經(jīng)過混合流動氣體(MFG)暴露20天之后,其接觸電阻最大值約為2.5 mΩ。

      銀合金鍍層的耐磨性也很穩(wěn)定,在相同的烘烤條件和為期20天的混合流動氣體(MFG)試驗(yàn)條件下,其摩擦系數(shù)不超過0.2。耐腐蝕性試驗(yàn)表明,在暴露于混合流動氣體(MFG)試驗(yàn)20天后,其腐蝕程度極小,甚至未出現(xiàn)任何腐蝕現(xiàn)象。烘烤500小時之后,銀合金鍍層的可焊性經(jīng)過測試完全符合J-STD-002C規(guī)定。

      銀合金工藝可以與一種無機(jī)納米鍍覆工藝結(jié)合起來使用。這種工藝方法鍍層通過了硫腐蝕試驗(yàn):將零件完全浸入一種濃度為5%的硫化鉀(K2S)溶液中,并保持5分鐘(見圖5)。按照EIA-364-65B,IIA級規(guī)定,在混合流動氣體(MFG)5天暴露試驗(yàn)后,我們觀察到了類似的結(jié)果。

      圖5 銀合金鍍覆層(左)在結(jié)合和不結(jié)合無機(jī)納米電鍍后處理(右)的硫腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

      對于金屬銀來說,我們有幾種方案可供選擇,包括銀合金電鍍+后處理、鍍銀另加一層僅用于防腐保護(hù)的納米鍍覆層,以及鍍銀另加一種兩步驟的后處理工藝序列(包括納米鍍覆層+后浸(潤滑油))。這樣,既可以改善對銀鍍層的保護(hù),同時也增強(qiáng)了其耐磨性。這些組合方案可以為連接器和相關(guān)應(yīng)用提供類似于硬金鍍層的技術(shù)性能。

      4 需要采用新型電子精飾工藝的新興應(yīng)用

      隨著新型應(yīng)用的不斷涌現(xiàn),電子精飾領(lǐng)域也將面臨一些新的挑戰(zhàn)。其中,重要的就是在移動電話(手機(jī))領(lǐng)域所需的耐電解質(zhì)汗液連接器表面精飾、壓接連接器插針和高頻(5G)應(yīng)用。

      4.1 耐電解質(zhì)汗液(ESR)連接器表面精飾

      手機(jī)技術(shù)的兩項(xiàng)最新變化對用于手機(jī)連接器的電鍍精飾產(chǎn)生了重大影響。一是用一個能同時執(zhí)行充電功能和耳機(jī)連接的單一連接器替代傳統(tǒng)的耳機(jī)插孔;二是"快速充電"連接器技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。手機(jī)在最初普及時,傳統(tǒng)的充電只包括一個5V/1A或1.0W充電方案。通過三代"快速充電"技術(shù)的不斷發(fā)展,動態(tài)充電、高達(dá)18W的充電方案如今已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

      這兩個因素都影響了手機(jī)連接器技術(shù)。一邊使用耳機(jī)和/或給手機(jī)充電的同時進(jìn)行鍛煉的消費(fèi)者,因此要安裝拆卸連接器,導(dǎo)致在有電流的情況下人體汗液出現(xiàn)在經(jīng)過電鍍的連接器上。人體汗液也是一種電解質(zhì),因此也會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。再加上快速充電技術(shù)的充電電流/電壓較高,汗液電解腐蝕問題就變得更為嚴(yán)重。連接器插針材料的復(fù)雜性和多樣性又增加了這種挑戰(zhàn)性,見圖6所示。

      圖6 USB-C連接器插針的配置和構(gòu)造

      另一個挑戰(zhàn)是需要進(jìn)行逼真的耐腐蝕性模擬試驗(yàn),以模擬涉及人體汗液腐蝕的條件。常規(guī)的暴露試驗(yàn)就是將樣品置于腐蝕性環(huán)境中,例如在NAV測試中的硝酸煙霧或中性鹽霧(NSS)測試中的氯化鈉鹽霧,連接器從外部到內(nèi)部都會發(fā)生腐蝕。在出現(xiàn)人體汗液的情況下,連接器實(shí)際上是浸沒在電解液中,所以從內(nèi)到外都會發(fā)生腐蝕。

      因此,使用耐電解質(zhì)汗液(ESR)試驗(yàn),將陽極電荷施加到浸泡在人工汗液的電解質(zhì)(基本上是改性的氯化鈉溶液)中的連接器上(圖7)。

      圖7 電解質(zhì)汗液試驗(yàn)

      試驗(yàn)室中完成的廣泛測試,讓我們看到了電鍍工藝的一些關(guān)鍵要點(diǎn),這是電鍍方案滿足測試規(guī)范所必不可少的?;A(chǔ)銅表面的制備至關(guān)重要,需要有耐腐蝕性極好的阻擋層。對于一些高端應(yīng)用來說,原來用作阻擋層的鎳又被排除在其使用范圍之外。

      連接器的最外層也不能使用金,因?yàn)樗贓SR測試過程中很容易受到侵蝕。所以,有必要采用含銠 (Rh) 的沉積鍍層,因?yàn)樗艿挚谷斯ず挂旱那治g。最佳鍍層方案的選擇最終取決于性能與成本的權(quán)衡。

      4.2 壓接連接器插針

      連接器壓接插針的應(yīng)用帶來了新的發(fā)展,見圖8所示。在這些應(yīng)用中使用啞光的錫鍍層會在某種壓接條件下產(chǎn)生很長的晶須。晶須會引起短路。由于純錫表面較高的機(jī)械應(yīng)力,在壓接中會觀察到晶須的快速生長。在某些情況下,在插入后2~6周之內(nèi)即可觀察到長度大于2mm的晶須。

      多年來,連接器公司和/或終端用戶一直在嘗試采用各種非錫電鍍解決方案。最近,兩種不同的表面精飾已經(jīng)成為解決受壓條件下壓接插針出現(xiàn)晶須問題的潛在解決方案。在鎳底上鍍覆錫合金(Sn-Ag、Sn-Bi和Sn-Pb)表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景,而一種無錫的銦鍍層則出現(xiàn)了顯著的性能改善,見圖9所示。實(shí)際上,銦(In)現(xiàn)在已經(jīng)成為某些壓接應(yīng)用領(lǐng)域一種合格的/指定的表面精飾材料。除此之外,鉍(Bi)也被認(rèn)為是某些應(yīng)用領(lǐng)域不錯的選擇。我們知道,一些方案雖然性能表現(xiàn)良好,但也有其它的缺點(diǎn),例如錫-鉛鍍層就要充分考慮其毒副性。

      圖8 連接器壓接插針結(jié)構(gòu)示意圖

      (左圖)鎳底層上的錫合金,(右圖)無錫鍍層圖9 各種鍍覆層的錫晶須性能試驗(yàn)結(jié)果

      4.3 高頻應(yīng)用連接器表面精飾(5G)

      5G通信應(yīng)用和隨之而來的高頻電子器件正在迅速涌現(xiàn)。同樣,這種新的方案對電子表面精飾也提出了挑戰(zhàn)。在這種情況下,我們發(fā)現(xiàn)印刷電路板(PCB)的最終表面精飾必須要考慮高頻信號的損失問題。例如在采用標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)鍍鎳/浸金(ENIG)工藝方式時,就會遇到額外的高頻信號損失問題,如圖10所示?,F(xiàn)已發(fā)現(xiàn),鎳鍍層是這種信號損失的主要來源。

      圖10 裸銅與ENIG連接器表面精飾兩種方案的高頻信號損失對比

      研究表明,為了將信號損失降至最低水平,連接器表面精飾需要有一層無鎳阻擋層,另加具有良好導(dǎo)電性和耐腐蝕性的最終表面精飾(鍍覆層)。鈀(Pd)是一種合適的電鍍層,可以同時起到阻擋層和最終鍍覆層的雙重作用。不過,阻擋層的有效性要求有比較高的鍍層厚度(>0.75-1.0μm),而電鍍鈀的缺點(diǎn)就是在厚度較高時容易出現(xiàn)微裂紋現(xiàn)象。

      本方案是一種擁有專利技術(shù)的無裂紋鍍鈀工藝,如圖11所示。這一工藝產(chǎn)生低應(yīng)力的沉積鍍層,在厚度不超過4μm的鈀鍍層中,并未觀察到自發(fā)形成的微裂紋。試驗(yàn)證明,鈀鍍層厚度在2μm以下時可以防范在彎曲過程中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。該方案的工藝酸堿度(pH)為中性,沒有任何氨水氣味。它是一種穩(wěn)定的電解液,其電流密度適用范圍很寬。

      5 結(jié)論

      1)對于一個傳統(tǒng)鎳/金電鍍工藝已經(jīng)應(yīng)用了四十年的行業(yè),一些迅速變化正在悄然發(fā)生。

      2)人們正在考慮采用或?qū)嵤┠承┨娲谋砻婢椃桨?,包括以前在連接器應(yīng)用中從未被認(rèn)可的外來材料,參見圖12。

      (a)傳統(tǒng)的鈀鍍層-有裂紋

      (b)高延展性鈀鍍層-無裂紋圖11 傳統(tǒng)的鈀鍍層與適用于需要降低高頻信號損失的5G應(yīng)用的低應(yīng)力、高延展性、無裂紋鈀鍍層對比

      圖12 滿足未來電子精飾工藝需求的新型鍍層概況

      3)可以預(yù)見,連接器表面精飾行業(yè)還將迎來更多的變化,以便滿足其它互連器件和/或使用環(huán)境的要求。

      作者簡介:聞春國,譯審,西南科技大學(xué)外國語學(xué)院產(chǎn)業(yè)教授,從事翻譯工作三十多年,出版有多部譯著。

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