认识一下PCB和连接器常用镀金工艺

有不少用户对于PCB板上的「化金」、「电镀金」及「闪金」一直傻傻分不清,还有有些人总是无法区分什么是「硬金」、什么是「软金」? 很多人经常问,连接器镀金应该选择多厚?下面德索电子工程师将重点为您介绍一下pcb和连接器常用镀金工艺的差异及其特性,好让大家不会再有这方面问题的困惑。

1. 镀金工艺

在PCB和连接器行业,与我们相关的电镀工艺。主要分为两大类:电解电镀(以下简称电镀)和化学镀。

电镀: 电镀是指借外界电流的作用,在溶液中进行电解反应,使需要涂覆的物质表面沉积上一层均匀、致密的金属或合金的过程。电镀反应原理是原电池反应。电镀时阳极发生氧化反应,溶解失去电子,金属原子变成阳离子;阴极发生还原反应, 金属阴离子得到电子,形成镀层。

图1:电镀原理示意图

化学镀:在水溶液中不依赖外加电源,仅靠镀液中的还原剂进行化学还原反应,使金属离子不断还原为金属原子沉积在基体表面,形成金属镀层的工艺方法。典型的是PCB表面处理工艺:ENIG(化学镍金)。

化学镀与电镀的比较

化学镀与电镀最大的不同,不需要外电流。化学镀镀层厚度均匀,针孔率低。

表1:化学镀与电镀的比较

2.PCB常见镀金工艺

电镀镍金

电镀镍金(Electrolytic Nickel/ Gold)是PCB表面处理工艺的鼻祖,自从PCB出现它就出现。它是在PCB表面导体先镀上一层镍后再镀上一层金。其原理是分别将镍液配置好、金 (俗称金盐)溶于化学药水后,将预处理的电路板浸于电镀缸(镀镍缸/镀金缸)中并通上电流而在电路板的铜箔面上生成镍/金镀层,电镀镍金因其镀层硬度高,耐磨损,不易氧化的特点在电子产品中得到广泛的应用。

图2:电镀镍金表面处理PCB

ENIG

ENIG的全称是Electroless Nickel/Immersion Gold,中文叫做化学镍金。

其优点是不需要使用复杂的电源装置(整流器)就可以把「镍」及「金」附着于铜皮之上,而且其表面也比电镀镍/金平整,这对日趋缩小的电子零件与要求平整度高的元件尤为重要。

ENIG工艺一般先经过酸洗、微蚀、活化、化学镀镍、清洗、浸金等过程,关键的步骤是在铜焊盘上发生自催化反应镀镍,一般通过温度、pH以及添加剂浓度等参数来控制镀镍层的厚度;再利用镀好的新鲜镍的活性,将镀好镍的焊盘浸入酸性的金水中,通过化学置换反应将金从溶液中置换到焊层表面,而部分表面的镍则溶入金水中,这样只要置换上来的金将镍层完全覆盖,则该置换反应自动停止,最后清洗焊盘表面的污物和药水残留后,ENIG工艺流程结束。

图3:ENIG表面处理PCB

闪金(Gold Flash)

「闪金」一词源自于英文Flash,意思就是快速镀金,俗称镀水金。其实它就是电镀硬金的「预镀金」程序,它使用较大的电流与含金较稀的液槽,先在镍层的表面形成一层密度较细致,但较薄的镀金层,以利后续电镀金镍或金钴合金时可以更方便地进行。

因为「闪金」少了后面的电镀金程序,所以其成本较真正的电镀金便宜许多,但也因为其「金」层非常的薄,一般无法有效地覆盖住金层底下的全部镍层,所以也就比较容易导致电路板存放时间过久后氧化的问题,进而影响到可焊性。

关于「硬金」和「软金」

「硬金」及「软金」的差异在于「合金」与「纯金」之别,因为「纯金」实际上比较软,掺杂了其他金属的「合金」较硬且耐摩擦,所以越纯的金相对的也就越软。

电镀硬金实际上就是电镀合金(含有钴,镍等其他元素,元素含量≤0.2%),所以硬度会比较硬,适合用在需要受力及摩擦的地方,在电子业界一般用来作连接器接触表面,电路板的板边接触点(俗称「金手指」的地方)。

因为是置换的原理,所以ENIG的镀金层属于「纯金」,因此它也经常被归类为「软金」的一种。

3.连接器镀金工艺

大都数的电子连接器,端子都要作表面处理,一般即指电镀。有两个主要原因:一是保护端子簧片基材不受腐蚀。多数连接器簧片是铜合金制作的,通常会在使用环境中腐蚀,如氧化,硫化等。二是优化端子表面的性能,建立和保持端子间的接触界面,特别是膜层控制。换句话说,使之更容易实现金属对金属的接触。

镀金时需考虑的几个事项:

1. 镍底层

电镀镍,对金与铜之间的迁移或扩散都具有阻绝效应,后者尤佳。镍底层是贵金属电镀要考虑的首要因素。通过正面性的氧化物表面,镍提供了一层有效的隔离层,阻隔了基材和小孔,从而减少了小孔腐蚀的潜在的可能;并提供了位于贵金属电镀层之下的一层硬的支撑层,从而提高了镀层寿命。

2. 多孔性

在电镀工艺中,金在众多暴露在表面的污点上成核,形成多孔性的电镀表面。金镀层的多孔性与镀层厚度有一定的关系。在0.38μm以下,多孔性迅速增加。0.76μm以上,多孔性很低。多孔性和基材的缺陷,如包含物,叠层,冲压痕迹,冲压不正确的清洗等也有一定关系。

图4:典型的多孔性与镀层厚度的关系

3. 磨损

电镀表面的磨损或寿命取决于表面处理的两种特性:摩擦系数和硬度。摩擦系数减少,表面处理的寿命会提高。电镀金通常为硬金,提高金的耐磨损性。

4.总结:如何选择镀金工艺

以目前众多电路板表面处理的方法来看,电镀镍金的费用相较于其他的表面处理方法(如ENIG、OSP)相对来得高,所以现在较少被采用,除非特殊用途,比如说有滑动式接触元件的需求(如金手指)等;不过以目前的电路板表面处理技术而言,电镀镍金的镀层具有良好的抗摩擦能力以及优异的抗氧化能力还是其他表面处理工艺无可匹敌的。

ENIG目前在电路板表面处理应用最为广泛。但ENIG也有其自身弱点,尤其对于含密集QFP/SOP/小PAD或BGA来说,若制程管控不好,镍表面会被腐蚀而出现焊盘黑化(又称黑盘Black Pad、黑镍、镍腐蚀)的现象。关于如何避免,请参考阅读《给企业带来巨额损失的PCB“黑盘”,其实可以规避》

连接器端子大都采用电镀金工艺,镀金厚度依赖于产品寿命和环境应用要求,由于金成本较高,选择合适的厚度,往往是大家关心的。

镀层厚度直接影响连接器的寿命,行业内有开展相关的插拔试验,论证镀层厚度和寿命关系。某试验数据采用的是直径为0.635 cm的端子,摩擦距离1.27 cm,正向力100g每个循环。

表2:插拔寿命和镀层厚度

连接器插拔寿命要结合产品工作温度,端子材料,镀层性能来综合评估,上面的数据只能作为我们选用的基本原则。并且各种连接器结构差异巨大,不同种类连接器,在相同的表面镀金处理下,也可能表现不同的寿命。下面介绍几种常见镀金厚度的应用,供大家选型参考。

表3:镀金厚度应用

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