Warum chemisches Nickel vor chemischem Gold bei Leiterplattenoberflächen entscheidend ist

In der Welt der PCB-Herstellung sind Oberflächenveredelungen die unbekannten Helden, die Kupferpolster schützen, eine zuverlässige Lötung gewährleisten und die Lebensdauer eines Boards verlängern.Zu den vertrauenswürdigsten Oberflächen zählt Elektroless Nickel Immersion Gold (ENIG)Die Antwort liegt in seiner zweischichtigen Struktur: eine Basis aus Eintauchennickel, die sich aus einer Maschine zusammenschließt, die sich mit einem elektrischen Gerät verbindet, und eine Maschine, die sich mit einem elektrischen Gerät verbindet.mit einer dünnen Schicht Eintauzgold überzogenWährend Gold viel Aufmerksamkeit für seine Korrosionsbeständigkeit erhält, ist die Nickelschicht das unbekannte Arbeitspferd. Ohne sie scheitert ENIG.Hier ist der Grund, warum Eintauchennickel vor Eintauchengold nicht verhandelbar ist., und wie sie die Leistung von PCB in kritischen Anwendungen gewährleistet.

Die Rolle des Eintauchnikels: Mehr als nur eine “Mittelschicht”
Immersionsnickel befindet sich zwischen den Kupferplatten der PCBs und der äußeren Goldschicht und erfüllt drei unersetzliche Funktionen, die ENIG zum Goldstandard für hochzuverlässige Elektronik machen.

1- Barriere-Schutz: Verhinderung der Kupferdiffusion
Kupfer ist ein ausgezeichneter Leiter, aber es reagiert chemisch besonders, wenn es Gold ausgesetzt ist.Diese Vermischung beeinträchtigt die Unversehrtheit des GoldesDas Ergebnis sind geschwächte Lötverbindungen, Signalzerstörungen und vorzeitige Ausfälle.

Immersionsnickel wirkt als chemische Firewall. Seine kristalline Struktur ist dicht genug, um Kupferionen zu verhindern, dass sie das Gold erreichen, auch in hohen Temperaturen (z. B. beim Rückflusslöten).Tests haben gezeigt, daß eine 3 ‰ 5 μm Nickelschicht die Kupferdiffusion im Vergleich zu direkt auf Kupfer beschichtetem Gold um über 99% reduziert..

2Verbesserte Schweißfähigkeit: Die Grundlage für starke Gelenke
Bei PCBs geht es bei der Schweißfähigkeit nicht nur darum, dass sie sich festklebt, sondern auch darum, starke, konsistente Bindungen zu bilden, die Temperaturzyklen, Vibrationen und Zeit widerstehen.

a.Flach und gleichmäßige Oberfläche: Im Gegensatz zu nacktem Kupfer (das schnell oxidiert) oder rauen Oberflächen (wie HASL) schafft Nickel eine glatte, gleichmäßige Basis für das Lötwerk.Verringerung von Mängeln wie "Lötkugeln" oder "Kaltverbindungen".??
b.Kontrollierte intermetallische Bildung: Während des Lötens reagiert Nickel mit Zinn im Lötmittel und bildet Ni3Sn4, eine starke intermetallische Verbindung, die die Verbindung an Ort und Stelle sperrt.Kupfer reagiert mit Zinn und bildet Cu6Sn5, die brüchig ist und unter Belastung zu knacken neigt.

Eine Studie des IPC ergab, daß ENIG-Lötverbindungen (mit Nickel) 3 mal mehr Wärmezyklen (-55°C bis 125°C) aushalten als Verbindungen mit vergoldetem Kupfer ohne Nickel.

3Mechanische Festigkeit: Verhinderung von Delamination und Verschleiß
PCBs sind ständig unter mechanischer Belastung, von der Ein-/Entfernung von Steckverbindungen bis hin zu Vibrationen in der Automobil- oder Luftfahrtindustrie.

a.Adhäsion: Nickel bindet sich fest an Kupfer und Gold und verhindert so eine Delamination (Ausschälen), die das darunter liegende Kupfer der Korrosion aussetzt.
b.Ausnutzungsbeständigkeit: Während Gold weich ist, schützt die Nickel­Härte (200­300 HV) die Oberfläche vor Kratzern während der Handhabung oder Montage, was für PCBs in robusten Geräten wie Industrie-Sensoren unerlässlich ist.

Der ENIG-Prozess: Wie Nickel und Gold zusammenarbeiten
ENIG ist nicht nur das Plattieren von Nickel und dann Gold, es ist ein chemisches Präzisionsverfahren, das auf die einzigartigen Eigenschaften jeder Schicht beruht.

Schritt 1: Eintauchen von Nickel
Die Kupferpolster der PCB werden zuerst gereinigt, um Oxide zu entfernen, und dann in ein Nickel-Phosphor-Bad getaucht.Nickel-Ionen im Bad werden reduziert und auf der Kupferoberfläche abgelagert, während das Kupfer oxidiert und sich in der Lösung auflöst.

a.Die Dicke ist wichtig: Nickelschichten werden streng zwischen 3 ‰ 7 μm kontrolliert. Zu dünn (< 3 μm) und als Barriere versagt; zu dick (> 7 μm) und wird spröde, wodurch beim Biegen Risse entstehen.
b.Phosphorgehalt: Die meisten ENIG-Nickel enthalten 7~11% Phosphor, was die Korrosionsbeständigkeit erhöht und die Belastung der Schicht verringert.

Schritt 2: Eintauchen von Gold
Sobald die Nickelschicht abgehärtet ist, wird das PCB in ein Goldbad getaucht.2 μm), die das Nickel versiegelt.

Die Rolle des Goldes besteht darin, das Nickel vor dem Löten vor der Oxidation zu schützen.Es ist dünn genug, um sich während der Montage im Lötstoff aufzulösen (und so das Nickel für die intermetallische Bildung freizusetzen), aber dick genug, um dem Verschmutzen während der Lagerung (bis zu 12+ Monate) zu widerstehen..

Warum man diesen zweistufigen Prozess nicht überspringen kann
Gold allein kann die Nickelschicht nicht ersetzen. Gold ist zu weich, um die Kupferdiffusion zu blockieren, und es bildet nicht starke Intermetalle mit dem Lötwerk.Gold, das direkt auf Kupfer beschichtet ist, erzeugt ein “galvanisches Paar” (einen batterieähnlichen Effekt), der die Korrosion beschleunigtDie Magie von ENIG liegt in der Synergie: Nickel blockiert die Diffusion und ermöglicht eine starke Lötung, während Gold Nickel vor Oxidation schützt.

Was geschieht, wenn man Nickel überspringt?
Einige Hersteller versuchen, die Kosten zu senken, indem sie Nickel überspringen oder unterdurchschnittliche Schichten verwenden.Die Auswirkungen sind jedoch schwerwiegend, insbesondere für PCB in kritischen Anwendungen wie Medizinprodukten oder Luft- und Raumfahrtsysteme..

1. "Black Pad"-Ausfall: Die häufigste Katastrophe
Ein schwarzes Pad ist ein gefürchteter Defekt, bei dem sich die Nickelschicht beeinträchtigt und zwischen Gold und Kupfer einen dunklen, porösen Rest hinterlässt.oder kontaminiertOhne eine intakte Nickelbarriere bricht die Gold-Kupfer-Schnittstelle zusammen, wodurch das Lösen unmöglich wird.

Eine Studie des IPC ergab, dass 80% der ENIG-Ausfälle bei Luftfahrt-PCBs auf unzureichende Nickelschichten zurückzuführen sind, was die Hersteller durchschnittlich 50.000 US-Dollar pro Charge bei Nachbearbeitung und Verzögerungen kostet.

2Korrosion und Oxidation
Nickel ist viel widerstandsfähiger gegen Korrosion als Kupfer. Ohne Nickel oxidieren Kupferpolster schnell, selbst bei kontrollierter Lagerung.Dies führt zu “trockenen Gelenken”, die unter elektrischer Belastung versagen.Ein Telekommunikationsunternehmen, das in 5G-Basisstationen vergoldete (nickelfreie) PCBs verwendet, berichtete beispielsweise von einer Ausfallrate von 30% innerhalb von 6 Monaten aufgrund von Oxidation, verglichen mit 0,5% bei ENIG.

3Schlechte Zuverlässigkeit der Schweißgelenke
Wenn Nickel fehlt, haftet das Lötwerk schwach an dem vergoldeten Kupfer und erzeugt Verbindungen, die unter thermischer oder mechanischer Belastung knacken.In PCB für die Automobilindustrie (unterworfen Vibrationen und Temperaturschwankungen), führt dies zu intermittierenden Ausfällen kritischer Systeme wie ADAS (Advanced Driver Assistance Systems), ein Risiko, das sich kein Hersteller leisten kann.

ENIG vs. andere Veredelungen: Warum Nickel den Unterschied macht
ENIG ist nicht die einzige PCB-Beschichtung, aber seine Nickelschicht verleiht ihr Vorteile, die Alternativen nicht erreichen können.

Die Nickelschicht von ENIG® ist der Grund, warum sie in rauen Umgebungen die anderen übertrifft.ENIG-PCBs halten 5x länger als solche mit HASL- oder OSP-Abschluss.

Best Practices für das Eintauchen von Nickel in ENIG
Um die Vorteile von Nickel zu maximieren, müssen die Hersteller strenge Standards für Dicke, Reinheit und Prozesskontrolle einhalten.

1. Dickenkontrolle: 3 7 μm ist nicht verhandelbar
Wie bereits erwähnt, scheitern Nickelschichten, die dünner als 3 μm sind, als Barrieren, während Schichten, die dicker als 7 μm sind, brüchig werden.IPC-4552 (der weltweite Standard für elektrolesses Nickel) verlangt eine Toleranz von ± 1 μm, um die Konsistenz zu gewährleistenDie führenden Hersteller verwenden Röntgenfluoreszenz (XRF), um die Dicke von 100% der Pads zu überprüfen.

2Phosphorgehalt: 7~11% für optimale Leistung
Nickel-Phosphor-Legierungen mit 711% Phosphor ausgleichen Härte und Korrosionsbeständigkeit. Niedriger Phosphor (<7%) macht Nickel zu weich; höhere Konzentrationen (>11%) erhöhen die Spröde.

3. Prozessüberwachung: Vermeidung von "Black Pad"
Ein schwarzes Pad tritt auf, wenn das Nickelbad schlecht gewartet wird (z. B. falscher pH-Wert, kontaminierte Chemikalien).

a.Testen Sie täglich die Chemie des Bades (pH 4,5 bis 5,5 ist ideal).
b. Filtern Sie das Bad, um Partikelkontaminanten zu entfernen.
c. Verwenden Sie automatisierte Plattiergeräte, um eine einheitliche Ablagerung zu gewährleisten.

Wirkliche Auswirkungen: ENIG in kritischen Anwendungen
Die Zuverlässigkeit der ENIG, die durch ihre Nickelschicht gesteuert wird, macht sie unerlässlich in Bereichen, in denen ein Ausfall keine Option ist:

a.Medizinische Geräte: Herzschrittmacher und Defibrillatoren verwenden ENIG, um sicherzustellen, dass Lötgelenke Körperflüssigkeiten und Temperaturschwankungen über 10 Jahre standhalten.
b.Luftfahrt: Satelliten-PCBs sind auf ENIG angewiesen, um Strahlung und extreme Temperaturschwankungen (von 200°C bis 150°C) ohne Korrosion zu widerstehen.
c.5G-Infrastruktur: Die flache Oberfläche von ENIG® unterstützt in Basisstationen feine BGA (0,4 mm) und sorgt für stabile Hochfrequenzsignale (28+ GHz).

Häufig gestellte Fragen
F: Was geschieht, wenn das Eintauchennickel zu dünn ist (< 3 μm)?
A: Dünnes Nickel kann die Kupferdiffusion nicht blockieren, was zu Oxidation, zerbrechlichem Gold und schwachen Lötverbindungen führt.

F: Können andere Metalle Nickel in ENIG ersetzen?
A: Nein. Alternativen wie Palladium sind teuer und bilden nicht die gleichen starken Intermetalle mit dem Lötwerk. Nickel ist das einzige Material, das Barriere-Schutz, Schweißbarkeit und Kosten ausgleicht.

F: Wie lange hält das Eintauchen von Nickel in ENIG?
A: Bei richtiger Beschichtung (Dicke von 37 μm, 711% Phosphor) bleibt Nickel in kontrollierten Umgebungen für die Lebensdauer der PCBs oft mehr als 10 Jahre wirksam.

F: Warum ist ENIG teurer als andere Oberflächen?
A: Die Kosten von ENIG spiegeln die Präzision des zweischichtigen Verfahrens, einschließlich hochreiner Nickel und Gold, und die strengen Qualitätskontrollen wider.besonders für hochwertige Elektronik.

Schlussfolgerung
Das ENG-Nickel ist die Grundlage, die als Barriere gegen Kupferdiffusion dient, die starke Schweißverbindungen ermöglicht,und ein Schutz gegen mechanische Belastungen macht es unersetzlichDas Überspringen von Nickel oder das Schneiden von Ecken an seiner Dicke beeinträchtigt nicht nur das Finish, sondern gefährdet auch die Leistung der gesamten PCB, insbesondere in kritischen Anwendungen.

Für Ingenieure und Hersteller ist die Botschaft klar: Bei der Spezifizierung von ENIG sollte der Nickelschicht Priorität eingeräumt werden.