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钯表面涂层
  2023-01-17      

文章来源:PCB007中文线上杂志

引言

已故的Karl Dietz从未写过主题为钯表面涂层的文章,但他确实探讨了金镀层作为表面涂层的主题,并全面深入地介绍了铜镀层。如今,钯作为表面涂层的工艺又复兴起来。钯涂层在20世纪70年代非常流行,因为仅有的其他表面涂层是锡铅回流、镍金、OSP或浸锡。当时,钯在汽车行业非常受欢迎,主要的电路板供应商是纽约Glenn Cove的Photocircuits公司。

表面涂层

随着半导体(IC晶体管)变得越来越小,上升时间越来越快,信号对其路径中的任何磁性金属都更敏感。为了改善插入损耗,已经开发了许多表面涂层替代方案,比如使用镍层起到阻挡铜和金属相互扩散的作用。

每家公司都有自己的喜好。最简单、最便宜的是OSP,其次是无铅HASL,但各有利弊。浸银在北美相当普遍,浸锡在欧洲很普遍。ENIG作为长期标准工艺,镍现在开始发挥作用,因为它不像其他金属那样会溶解在焊料中。目前,加入钯(Pd)代替镍作为阻挡层,如Pd/Ag、Ni/Pd、Ni/Pd/Au、Pd/Au和Au/Pd/Ao,可增强可焊性、引线键合力以及延长保质期,为取代ENIG而开发的。在ENEPIG的开发过程中,人们认识到,除了正常的焊接应用之外,在镍和金之间添加钯层可以实现金及铝引线键合。此外,钯层可以限制因过于激烈反应的浸金工艺而产生的的镍腐蚀。电解镍、电解金表面涂层通常是这种引线键合需求的记录工艺(process of record ,简称POR)。对ENEP工艺进行了ENEP调查,该工艺本质上是不含浸金步骤的ENEPIG工艺,实际上是ENEPAG推向市场之后而开发的。与ENEPIG相比,ENEP似乎是具有在无铅条件下更强的焊点可靠性、更低的成本(通过消除金)以及最近研究的铜引线键合能力等优点的表面涂层。

汽车用钯表面涂层

21世纪10年代初,钯再次成为表面涂层选择。电子化学品公司OMG(现在是MacDermid旗下公司)推出了其新型钯涂层PallaGuard。PallaGuard的一些功能包括:

  • 消除黑盘

  • 铜上的单一涂层

  • 极佳的银替代品

  • 将工艺时间缩短为15分钟

  • 极佳的保质期

  • 可用于更换碳开关

  • 恶劣环境下的极佳替代涂层

  • 极佳的金键合剪切测试结果

特性

1803年,英国化学家William Hyde Wollaston发现了钯的很多属性:

  • 纯钯沉积物,原子序数46

  • 熔点为2830.82℉(1554.90℃)

  • 钯矿床,含2%~3%磷(Pd-P)

  • 纯钯比Pd-P软50%(图1)

image.png

图1:OMG 对化学镀钯表面涂层的说明(来源:OMG 旧手册)

  • 比重为11.9

  • · 0℃时的电阻率(µΩ-cm):10.7

  • · 电导率,百分比IACS:16· 导热系数,CGS单位:0.17

  • · 焊接时沉积厚度为2~5µin,引线键合时沉积厚度5~15µin

  • · Pd的硬度在300至400 V.P.N.范围内,且相对无内应力,因此板不会出现卷曲和剥离问题

  • · 当焊点强度很关键或需要金线键合时,可使用钯

  • · 与Pd-P相比,纯Pd具有更好的润湿角和回流铺展(图2)

image.png

图2:Pd-P和纯钯自催化沉积物的硬度对比

钯的新应用

对于电子组件的可靠性,特别是在恶劣环境下,除成本外,相比镍,钯具有许多优点。为了提高引线键合可靠性,镍或铜上至少5µin[0.125µm]的化学镀钯将可消除0.7 mil金线表面,提高拉伸强度。

黑盘—镍腐蚀

在化学镀镍和浸金之间使用化学镀钯(Electroless Palladium ,简称EP)层可将消除镍腐蚀(黑盘,black pad),Pd层越厚,浸金沉积厚度越薄,从而降低成本。原因是,在较低的EP厚度下,金离子可以接触到底层镍,并以加速速度沉积,从而会产生镍腐蚀。由于无法接触底层镍,与磷钯的浸金(IG)反应自限为2µin[0.05µm]。

总结

钯作为表面涂层、铜或镍阻挡层的复兴,解决了许多问题。当PCB可能在危险、腐蚀性或极端环境(如汽车)中运行时,这一优势对于可靠性尤为有意义。

与其前身ENIG和电解Ni/Au相比,ENEPIG已被证明可提供更强的焊料互连和引线键合。当使用SAC3xx焊料时,ENIPIG失效所需的拉力和剪切力至少比ENIG和Ni/Au高5%。此外,即使在采取了预处理步骤之后,ENEPIG/SAC3xx焊料互连中的失效原因是本体中的延展性,而ENIG/SAC2xx和Ni/Au/SAC3xx的失效原因主要是IMC中的脆性。本体中的延展失效意味着ENEPIG与SAC3xx焊料的可焊性优于ENIG和Ni/Au。

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