Złote palce to pola styku na krawędzi płytki, pokryte niklem i twardym złotem, które wsuwa się w złącze krawędziowe. O niezawodności połączenia decydują cztery rzeczy: grubość i twardość złota nad niklem, kształt fazowanej krawędzi, siła docisku złącza i liczba cykli wkładania. Tu zebraliśmy typowe wartości, sposób ich przeliczania oraz wzór zapisu kontroli. Podajemy je jako wartości orientacyjne do potwierdzenia: dokładne wymagania wynikają z karty złącza, rysunku płytki i uzgodnień z wytwórcą.
Budowa powłoki: miedź, nikiel, twarde złoto
| Warstwa | Rola | Typowo (do potwierdzenia) |
|---|---|---|
| Miedź | Ścieżka lub pole styku | Z rysunku płytki |
| Nikiel (elektrolityczny) | Bariera dyfuzji miedzi, podkład twardy pod złoto | Rzędu kilku mikrometrów; często wymaga się minimum około 2,5 µm |
| Twarde złoto (stop z dodatkiem kobaltu lub niklu) | Trwała, odporna na ścieranie powierzchnia styku | Często od ok. 0,8 µm do ok. 1,3 µm, a przy częstym wkładaniu więcej |
Złoto na palcach wykonuje się galwanicznie jako złoto twarde, a nie zanurzeniowe jak w wykończeniu ENIG na padach lutowanych. Złoto zanurzeniowe jest cienkie i miękkie; dla styków przesuwnych służy twarde. Zawartość kobaltu w twardym złocie jest bardzo mała, rzędu dziesiątych części procenta masy. Częsty opis „5–10% kobaltu” jest błędny i nie powinien trafić do specyfikacji. Tak samo „2–50 mikrocali” to zakres grubości złota, który nie opisuje typowej grubości palców, i nie należy mylić go z grubościami płytki.
Przeliczenie jednostek: 1 µin (mikrocal) = 0,0254 µm. Stąd 30 µin = 0,762 µm, 50 µin = 1,27 µm, a 15 µin = 0,381 µm. Wymagania często podaje się w mikrocalach (rysunki amerykańskie) lub mikrometrach (rysunki europejskie), dlatego przy każdej wartości zapisz jednostkę.
Rezystancja styku
Rezystancja połączenia składa się z rezystancji przewodników i rezystancji samego styku. Rezystancję warstwy złota liczy się jako rezystywność podzieloną przez grubość (rezystancja na kwadrat). Dla złota o rezystywności 2,44·10⁻⁸ Ω·m wynosi ona: dla 1,27 µm 2,44·10⁻⁸ / 1,27·10⁻⁶ = 0,0192 Ω/sq, a dla 0,76 µm 0,0321 Ω/sq. Prąd płynie przez styk głównie w poprzek warstwy, więc ten wynik pokazuje tylko rząd wielkości: sama warstwa złota nie jest tu problemem. Ważniejsze jest, czy styk jest czysty (bez tlenków i zanieczyszczeń), oraz jaka jest siła docisku sprężyny złącza.
Przykład założeniowy: złącze deklaruje maksymalną rezystancję styku 20 mΩ na jeden styk (wartość przykładowa, rzeczywistą bierze się z karty złącza). Przy prądzie 0,5 A spadek napięcia na jednym styku wynosi 0,5 · 0,020 = 10 mV. Dla zasilania prowadzonego przez dwa styki równolegle rezystancja zastępcza spada do 10 mΩ, spadek do 5 mV, o ile prąd dzieli się równo (w praktyce rozkład nie jest idealny). Zmierzone wartości zależą od złącza, wieku styków i metody pomiaru (zwykle czteroprzewodowej), dlatego nie przenoś takich wyników z innej konstrukcji.
Trwałość wkładania: skąd bierze się liczba cykli
Złoto ściera się w kolejnych cyklach wkładania i wyjmowania. Gdy warstwa wytrze się do niklu, styk traci właściwości, bo nikiel utlenia się. Liczba cykli, jaką wytrzyma konkretne połączenie, zależy od twardości złota, chropowatości, siły docisku, smarowania i stanu złącza. Wiarygodną liczbę podaje karta złącza dla danej konfiguracji albo próba na kuponie; nie istnieje wartość uniwersalna dla każdego pola styku.
Przykład obliczeniowy, który ma pokazać zależność, a nie przewidywać wynik: dla złota 1,27 µm i wymaganej minimalnej pozostałej grubości 0,50 µm można zużyć 0,77 µm. Gdyby ubytek na cykl wynosił (wartości wyłącznie ilustracyjne) 0,005 µm, byłoby to 154 cykli; dla 0,010 µm 77 cykli; dla 0,020 µm 38,5, czyli 38 pełnych cykli. Pokazuje to proporcję: dwukrotnie większe zużycie na cykl skraca życie do połowy. Rzeczywistego zużycia nie znamy z tego przykładu i trzeba je odczytać z karty lub zmierzyć.
Fazowanie krawędzi (bevel)
Fazowanie ścina krawędź płytki ukośnie, aby ułatwić wprowadzenie jej w złącze i nie uszkodzić styków sprężystych. Typowe kąty to 20°, 30° i 45° (kąt mierzony względem powierzchni płytki; potwierdź w rysunku złącza), a pozostała grubość czubka jest określona w rysunku. Fazowanie wykonuje się zwykle po złoceniu palców, więc na ściętej krawędzi odsłania się materiał płytki, a przy cięciu mogą pojawić się nikiel i miedź. Dlatego miedź wewnętrzna przy krawędzi powinna być odsunięta od strefy skosu.
Przykład założeniowy: płytka 1,6 mm, grubość czubka po fazowaniu 0,8 mm, ścięcie z obu stron. Usunięta grubość na stronę to (1,6 − 0,8) / 2 = 0,4 mm. Długość skosu wzdłuż płytki wynosi 0,4 / tg(kąt): dla 20° 1,10 mm, dla 30° 0,69 mm, dla 45° 0,40 mm. Wynika stąd, że przy łagodnym skosie 20° ścięta strefa sięga ponad 1 mm od krawędzi. Pola styku i inne elementy muszą być odsunięte poza tę strefę, a długość palca zaplanowana tak, aby zostało wystarczająco dużo złota po ścięciu.
Zasady projektowe palców
- Odsuń pady, otwory metalizowane i elementy SMD od palców; często przyjmuje się odstęp około 1 mm (wartość do potwierdzenia u wytwórcy).
- Maska lutownicza i opis nie mogą wchodzić na pole styku.
- Złocenie galwaniczne wymaga doprowadzenia prądu do każdego palca, często przez wspólną szynę, którą później odcina się przy fazowaniu. Szczegóły rozwiązania i usuwania szyny ustal z wytwórcą już na etapie projektu.
- Pola wewnętrzne warstw przy krawędzi odsuń od linii fazowania, aby miedź nie odsłoniła się na skosie.
- Palce o różnej długości (zasilanie wcześniej niż sygnały) rysuj wyraźnie w dokumentacji i opisuj jako takie; ta technika bywa używana, aby zasilanie łączyło się przed liniami sygnałowymi.
Protokół kontroli krawędzi: wzór zapisu
Poniższy wzór pokazuje, jakie pozycje warto zapisać przy odbiorze płytek ze złotymi palcami. Wartości w drugiej kolumnie to miejsce na wynik, a nie przykład pomiaru.
| Pozycja | Co zapisać | Źródło wymagania |
|---|---|---|
| Identyfikacja | Numer partii, numer płytki, data kontroli, kontrolujący | Zlecenie |
| Grubość złota | Wynik w µm z N punktów na palcach (np. XRF), wartość minimalna i średnia | Rysunek / specyfikacja |
| Grubość niklu | Wynik w µm z tych samych punktów | Rysunek / specyfikacja |
| Kąt i grubość czubka fazy | Zmierzony kąt oraz grubość czubka w mm | Rysunek złącza |
| Wygląd | Rysy, wżery, guzki, odsłonięty nikiel lub miedź, plamy, zabrudzenia (powiększenie) | Kryteria odbioru uzgodnione z wytwórcą |
| Przyczepność | Wynik próby taśmą: bez odspojenia / z odspojeniem | Metoda uzgodniona z wytwórcą |
| Odległości | Odległość pola od krawędzi i od najbliższych padów lub otworów | Rysunek |
| Decyzja | Przyjęto / odrzucono / warunkowo z uwagą | — |
Kontrola wzrokowa pod powiększeniem i próba taśmą (przyłożenie przezroczystej taśmy, oderwanie i oględziny, czy złoto się odspoiło) to proste testy przesiewowe. Dokładny pomiar grubości wykonuje się metodą rentgenowską lub na mikrosekcji (mikrosekcja). Ogólne kryteria odbioru płytek opisują normy IPC (zob. IPC-6012 i IPC-A-600), a grubości, klasy i metody badań trzeba brać z aktualnego wydania normy i z rysunku, a nie z ogólnych zestawień.
Porównanie złota twardego z wykończeniami lutowanymi znajdziesz w artykułach o HASL kontra ENIG i ENEPIG. Zamawianie płytek ze specjalnymi wymaganiami krawędzi opisuje strona płytki PCB na zamówienie.
Czego nie zweryfikowano: grubości niklu i złota wymaganych przez konkretne złącza oraz możliwości wytwórcy w tym zakresie, zużycia złota na cykl, rezystancji styku konkretnego złącza oraz aktualnych zapisów norm IPC. Wszystkie przykłady liczbowe są założeniowe.
