Por qué el níquel de inmersión es crítico antes de la inmersión de oro en acabados de superficie de PCB

En el mundo de la fabricación de PCB, los acabados superficiales son los héroes desconocidos que protegen las almohadillas de cobre, aseguran una soldadura confiable y amplían la vida útil de una placa.Entre los acabados más confiables está el oro de inmersión de níquel sin electro (ENIG)El ENIG es un dispositivo de alta resistencia, muy apreciado por su durabilidad, soldadura y compatibilidad con diseños de alta densidad.con una fina capa de oro de inmersiónMientras que el oro recibe mucha atención por su resistencia a la corrosión, la capa de níquel es el caballo de batalla sin él, ENIG falla.He aquí por qué el níquel de inmersión no es negociable antes que el oro de inmersión., y cómo garantiza el rendimiento de los PCB en aplicaciones críticas.

El papel del níquel de inmersión: más que una simple capa media
El níquel de inmersión se encuentra entre las almohadillas de cobre de los PCB y la capa externa de oro, sirviendo a tres funciones insustituibles que hacen de ENIG el estándar de oro para la electrónica de alta confiabilidad.

1Protección de barreras: Detener la difusión de cobre
El cobre es un excelente conductor, pero es químicamente reactivo, especialmente cuando se expone al oro.Esta mezcla corrompe la integridad del oro.El resultado es un debilitamiento de las juntas de soldadura, degradación de la señal y una falla prematura.

El níquel de inmersión actúa como un cortafuegos químico. Su estructura cristalina es lo suficientemente densa como para bloquear que los iones de cobre lleguen al oro, incluso en ambientes de alto calor (por ejemplo, durante la soldadura de reflujo).Los ensayos muestran que una capa de níquel de 3 ‰ 5 μm reduce la difusión del cobre en más del 99% en comparación con el oro directamente revestido de cobre.

2Mejora de la soldadura: el fundamento de las articulaciones fuertes
Para los PCB, la solderabilidad no se trata solo de "pegarse" sino de formar enlaces fuertes y consistentes que resistan los ciclos de temperatura, vibración y tiempo.

a. Superficie plana y uniforme: a diferencia del cobre desnudo (que se oxida rápidamente) o de los acabados ásperos (como HASL), el níquel crea una base lisa y uniforme para la soldadura.reducción de defectos como las bolas de soldadura o las juntas en frío.
b.Formación intermetálica controlada: durante la soldadura, el níquel reacciona con el estaño en la soldadura para formar Ni3Sn4, un compuesto intermetálico fuerte que bloquea la unión en su lugar.cobre reacciona con el estaño para formar Cu6Sn5, que es frágil y propenso a agrietarse bajo estrés.

Un estudio realizado por el IPC encontró que las juntas de soldadura ENIG (con níquel) soportan 3 veces más ciclos térmicos (-55 °C a 125 °C) que las juntas que utilizan cobre dorado sin níquel.

3- Resistencia mecánica: Prevención de la delaminación y el desgaste
Los PCB se enfrentan a una tensión mecánica constante desde la inserción/retiración de los conectores hasta las vibraciones en entornos automotrices o aeroespaciales.

a. Adhesión: el níquel se une fuertemente al cobre y al oro, evitando la delaminación (descascarillación) que exponga al cobre subyacente a la corrosión.
b.Resistencia al desgaste: mientras que el oro es blando, la dureza del níquel (200 ¢ 300 HV) protege el acabado de los arañazos durante el manejo o el montaje, una necesidad para los PCB en dispositivos resistentes como sensores industriales.

El proceso ENIG: Cómo trabajan juntos el níquel y el oro
El ENIG no es sólo un proceso químico de precisión que se basa en las propiedades únicas de cada capa.

Paso 1: Deposición de níquel por inmersión
Las almohadillas de cobre de los PCB se limpian primero para eliminar los óxidos, luego se sumergen en un baño de níquel-fósforo.Los iones de níquel en el baño se reducen y se depositan en la superficie de cobre, mientras que el cobre se oxida y se disuelve en la solución.

a) El espesor es importante: las capas de níquel están estrictamente controladas entre 3 ‰ 7 μm. Demasiado delgado (< 3 μm) y no funciona como barrera; demasiado grueso (> 7 μm) y se vuelve frágil, lo que puede provocar grietas durante la flexión.
b.Contenido de fósforo: La mayoría del níquel ENIG contiene 7·11% de fósforo, lo que mejora la resistencia a la corrosión y reduce la tensión en la capa.

Paso 2: Deposición de oro por inmersión
Una vez que la capa de níquel se cura, el PCB se sumerge en un baño de oro.2 μm) que sella el níquel.

El papel del oro es proteger el níquel de la oxidación antes de la soldadura.Es lo suficientemente delgado como para disolverse en la soldadura durante el montaje (exponiendo el níquel para la formación intermetálico) pero lo suficientemente grueso como para resistir la mancha durante el almacenamiento (hasta 12+ meses).

Por qué no se puede saltarse este proceso de dos pasos
El oro por sí solo no puede sustituir a la capa de níquel. El oro es demasiado blando para bloquear la difusión de cobre, y no forma fuertes intermetálicos con soldadura.el oro directamente revestido de cobre crea un “cúpulo galvánico” (un efecto similar a la batería) que acelera la corrosiónLa magia de ENIG reside en la sinergia: el níquel bloquea la difusión y permite una fuerte soldadura, mientras que el oro protege al níquel de la oxidación.

¿Qué sucede cuando se omite el níquel?
Algunos fabricantes intentan reducir los costos omitiendo el níquel o utilizando capas inferiores a la media,Pero las consecuencias son graves, especialmente para los PCB en aplicaciones críticas como dispositivos médicos o sistemas aeroespaciales..

1. “Black Pad” Fallo: la catástrofe más común
El Black Pad es un defecto temido donde la capa de níquel se ve comprometida, dejando un residuo oscuro y poroso entre el oro y el cobre.o expuestos a contaminantesSin una barrera de níquel intacta, la interfaz oro-cobre se rompe, haciendo imposible la soldadura. Las juntas no se pegan o se apartan con una fuerza mínima.

Un estudio realizado por el IPC encontró que el 80% de las fallas de ENIG en PCBs aeroespaciales se remontan a capas de níquel inadecuadas, costando a los fabricantes un promedio de $ 50,000 por lote en reelaboración y retrasos.

2Corrosión y oxidación
El níquel es mucho más resistente a la corrosión que el cobre, sin él las almohadillas de cobre se oxidan rápidamente, incluso en almacenamiento controlado.que conduce a "articulaciones secas" que fallan bajo carga eléctricaPor ejemplo, una compañía de telecomunicaciones que utiliza PCBs plateados con oro (sin níquel) en estaciones base 5G informó una tasa de fallo del 30% dentro de 6 meses debido a la oxidación, en comparación con el 0.5% con ENIG.

3- Poca fiabilidad de las juntas de soldadura.
Cuando el níquel falta, la soldadura se adhiere débilmente al cobre dorado, creando juntas que se agrietan bajo tensión térmica o mecánica.En los PCB del automóvil (sujeto a vibraciones y cambios de temperatura), esto conduce a fallos intermitentes en sistemas críticos como ADAS (Sistemas Avanzados de Asistencia al Conductor), un riesgo que ningún fabricante puede permitirse.

ENIG contra otros acabados: ¿Por qué el níquel hace la diferencia?
ENIG no es el único acabado de PCB, pero su capa de níquel le da ventajas que las alternativas no pueden igualar.

La capa de níquel de ENIG es la razón por la que supera a otros en ambientes hostiles.Los PCB ENIG duran 5 veces más que los con acabados HASL u OSP.

Mejores prácticas para la inmersión de níquel en ENIG
Para maximizar los beneficios del níquel, los fabricantes deben cumplir estrictos estándares de espesor, pureza y control del proceso.

1Control del grosor: 3 ‰ 7 μm no es negociable
Como se señaló, las capas de níquel más delgadas que 3 μm fallan como barreras, mientras que las capas más gruesas que 7 μm se vuelven frágiles.IPC-4552 (el estándar mundial para el níquel sin electro) exige una tolerancia de ± 1 μm para garantizar la consistenciaLos principales fabricantes utilizan la fluorescencia de rayos X (XRF) para verificar el grosor en el 100% de las almohadillas.

2Contenido de fósforo: 711% para un rendimiento óptimo
Las aleaciones de níquel-fósforo con un 711% de fósforo equilibran la dureza y la resistencia a la corrosión.

3- Monitoreo del proceso: evitar el "Black Pad"
La placa negra se produce cuando el baño de níquel está mal mantenido (por ejemplo, pH incorrecto, productos químicos contaminados).

a.Prueba la química del baño diariamente (el pH ideal es de 4,5 a 5,5).
b.Filtrar el baño para eliminar las partículas contaminantes.
c. Utilizar equipos de recubrimiento automatizados para garantizar la deposición uniforme.

Impacto en el mundo real: ENIG en aplicaciones críticas
La fiabilidad del ENIG, impulsada por su capa de níquel, lo hace indispensable en ámbitos en los que el fracaso no es una opción:

a.Dispositivos médicos: Los marcapasos y desfibriladores utilizan ENIG para garantizar que las articulaciones de soldadura resistan fluidos corporales y fluctuaciones de temperatura durante más de 10 años.
b.Aeroespacial: los PCB de satélite dependen del ENIG para resistir la radiación y los cambios extremos de temperatura (de 200°C a 150°C) sin corrosión.
c.5G infraestructura: la superficie plana de ENIG® admite BGA de tono fino (0,4 mm de tono) en las estaciones base, lo que garantiza señales estables de alta frecuencia (28+ GHz).

Preguntas frecuentes
P: ¿Qué sucede si el níquel de inmersión es demasiado delgado (< 3 μm)?
R: El níquel delgado no bloquea la difusión del cobre, lo que conduce a la oxidación, el oro quebradizo y las uniones débiles de la soldadura.

P: ¿Pueden otros metales sustituir al níquel en el ENIG?
R: No. Las alternativas como el paladio son costosas y no forman los mismos intermetales fuertes con soldadura.

P: ¿Cuánto dura el níquel de inmersión en ENIG?
R: Con el recubrimiento adecuado ( espesor de 37 μm, 711% de fósforo), el níquel permanece efectivo durante la vida útil de los PCB, a menudo más de 10 años en entornos controlados.

P: ¿Por qué el ENIG es más caro que otros acabados?
R: El coste de ENIG refleja la precisión de su proceso de dos capas, que incluye níquel y oro de alta pureza, y los estrictos controles de calidad.especialmente para la electrónica de alto valor.

Conclusión
El níquel de inmersión no es una idea tardía en ENIG. es la base. su papel como barrera contra la difusión de cobre, un facilitador de uniones de soldadura fuertes,y un protector contra el estrés mecánico lo hace irremplazableEl salto del níquel o el corte de las esquinas en su grosor no sólo compromete el acabado sino que pone en riesgo el rendimiento de todos los PCB, especialmente en aplicaciones críticas.

Para los ingenieros y fabricantes, el mensaje es claro: al especificar ENIG, priorizar la capa de níquel.