فهم الطلاء ENIG في تصنيع الدوائر المطبوعة: ما هو، خطوات الطلاء، وENIG مقابل HASL

عند تصميم لوحة دائرة مطبوعة (PCB)، فإن نوع التشطيب الذي تختاره يؤثر أكثر من مجرد المظهر – فهو يؤثر أيضًا على قابلية اللحام، والموثوقية، وعمر التخزين، والتكلفة.
من بين جميع التشطيبات المتاحة، يبرز ENIG (النيكل المغمور في الذهب) كواحد من أكثر التشطيبات دقة وموثوقية. يوفر سطحًا مسطحًا ممتازًا، ومقاومة للتآكل، وقابلية لحام طويلة الأمد للتصاميم الدقيقة وعالية الكثافة اليوم.

يشرح هذا الدليل ما هو ENIG، كيفية عمل العملية، نطاقات السماكة القياسية، المزايا والعيوب، وكيفية مقارنة ENIG مع HASL وغيره من التشطيبات. بنهاية هذه المقالة، ستكون قد تعرفت على متى يجب اختيار ENIG وكيفية تجنب المشكلات الشائعة مثل "اللوحة السوداء".

ما هو ENIG في الدوائر المطبوعة؟

ENIG، اختصار لـ النيكل المغمور في الذهب، هو طبقة معدنية مزدوجة يتم تطبيقها على النحاس المكشوف في لوحة الدائرة المطبوعة.
يجمع بين طبقة نيكل (ني-فوسفور) تفاعلها ذاتي، تليها طبقة رقيقة من الذهب المغمور. كل منهما يلعب دورًا حاسمًا في حماية النحاس وضمان لحام جيد.

هيكل الطبقة المزدوجة

• طبقة النيكل (Ni-P):
  تعمل كحاجز انتشاري بين النحاس واللحام. توفر السطح القابل للحام وتمنع النحاس من الانتقال إلى وصلة اللحام.
• طبقة الذهب (Au):
  تحمي النيكل من التأكسد والتلوث أثناء التخزين. الذهب رقيق للغاية - يكفي فقط للحفاظ على قابلية اللحام ومنخفض مقاومة الاتصال.
  بمجرد أن يبدأ اللحام، يذوب الذهب ويتفاعل اللحام مباشرة مع طبقة النيكل.

الترتيب النموذجي:
النحاس → نيكل (3-7 ميكرومتر) → ذهب (0.05-0.23 ميكرومتر)

يعد هذا الهيكل مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب مسطحًا، مقاومة للتآكل، وعمر تخزين طويل – مثل BGAs ذات المسافة الدقيقة، لوحات HDI، والإلكترونيات عالية الموثوقية.

عملية طلاء ENIG: خطوة بخطوة

تتم عملية ENIG كيميائيًا بدلاً من كهربائيًا. فهي تعتمد على التفاعلات الحفزية الذاتية بدلاً من التيار الكهربائي الخارجي. تشمل الخطوات:

1. التنظيف والتأثير الدقيق

يجب إزالة أي تلوث أو أكسدة أو بقايا تدفق على سطح النحاس. خطوة التأثير الدقيق تضيف خشنًا طفيفًا للسطح مما يحسن التصاق طبقة النيكل.

2. التفعيل

يتم تطبيق محفز من البالاديوم (Pd) على سطح النحاس "لتنشيط" السطح. تضمن هذه الخطوة أن يتراكم النيكل بالتساوي على جميع الفتحات والمنافذ.

3. ترسيب النيكل الذاتي

يتم تقليل أيونات النيكل في الحمام بواسطة وكيل تقليلي كيميائي (عادة ما يكون هيدروجين الفوسفور) على السطح النشط.
ينتج هذا التفاعل طبقة نيكل-فوسفور (Ni-P) موحدة.

لماذا يعتبر محتوى الفوسفور مهمًا:
زيادة مستويات الفوسفور (8-10%) تزيد من مقاومة التآكل ولكن قد تقلل قليلاً من قابلية اللحام.

4. الذهب المغمور (تفاعل الإزاحة)

بعد ذلك، يتم غمر اللوحة في محلول من الذهب حيث يحدث تفاعل الإزاحة الكيميائية: تحل أيونات الذهب محل ذرات النيكل على السطح.
بمجرد أن تغطي طبقة الذهب النيكل، يتوقف التفاعل بشكل طبيعي - وهذا هو السبب في أن سمك الذهب في ENIG يظل ضمن نطاق ضيق وقابل للتنبؤ.

5. الشطف والتجفيف وفحص الجودة

بعد الطلاء، يتم شطف اللوحة وتجفيفها تمامًا.
يتم التحقق من السماكة والانتظام باستخدام تقنية الفحص بالأشعة السينية (XRF) وفقًا لمعايير IPC-4552.

سماكة ENIG والمعايير

يحدد المعيار IPC-4552 السماكة الموصى بها لتشطيبات ENIG:

الطبقة	النطاق النموذجي (ميكرومتر)	النطاق النموذجي (ميكرون)
نيكل (Ni-P)	3-7 ميكرومتر	120-275 ميكرون
ذهب (Au)	0.05-0.23 ميكرومتر	2-9 ميكرون

لا يعني أن طبقة الذهب الأكثر سمكًا تعني موثوقية أفضل. يمكن أن يزيد الذهب الزائد التكلفة ويتسبب في المفاصل الهشة ("هشاشة الذهب").
بدلاً من ذلك، ركز على اتساق العملية و انتظام السماكة عبر اللوحة.

أفضل ممارسة: حدد دائمًا تشطيب ENIG كـ
“ENIG وفقًا لـ IPC-4552، Ni: 3-7 ميكرومتر، Au: 0.05-0.23 ميكرومتر، يتم قياسه بواسطة XRF.”

مزايا تشطيب ENIG

1. مسطح ممتاز

على عكس HASL (التسوية بالهواء الساخن)، ينتج ENIG سطحًا مسطحًا تمامًا، مما يجعله مثاليًا للمكونات ذات المسافة الدقيقة مثل BGAs و QFNs.
يضمن ذلك طباعة لحام متسقة وتشكيل مفاصل.

2. مقاومة ممتازة للتآكل وعمر تخزين طويل

تحمي طبقة الذهب من التأكسد والتآكل، مما يطيل عمر التخزين إلى أكثر من عام في بيئات خاضعة للتحكم.

3. قابلية لحام قوية

نظرًا لأن ENIG يحافظ على سطح نظيف وخالي من الأكسيد، فإن اللحام يكون موثوقًا حتى بعد فترات تخزين طويلة.
كما أنه متوافق مع عمليات اللحام الخالية من الرصاص و الرصاص-القصدير.

4. التوافق مع الربط السلكي ونقاط الاختبار

يقدم سطح النيكل-الذهب مقاومة منخفضة ومستقرة للاتصال، مما يجعله مناسبًا لنقاط الاختبار، ولوحات المفاتيح، وبعض الربط باستخدام الأسلاك الذهبية (على الرغم من أن ENEPIG أفضل لذلك).

عيوب ENIG والتحديات الشائعة

1. التكلفة المرتفعة

يتضمن ENIG العديد من الحمامات الكيميائية، ومراقبة عملية دقيقة، والذهب وهو مادة باهظة الثمن.
توقع أن تكون اللوحات باستخدام ENIG أغلى بنسبة 15-25% من اللوحات المماثلة بتشطيب HASL.

2. خطر "اللوحة السوداء".

اللوحة السوداء هي العيب الأكثر شهرة في ENIG. إنها مشكلة تآكل عند واجهة النيكل-فوسفور، حيث يمكن أن يؤدي التراكم الزائد للذهب أو سوء التحكم في الحمام إلى أكسدة النيكل المحلية.
مرئيًا، يظهر ذلك كبقع داكنة وغير قابلة للحام تتسبب في فشل المفاصل.

قائمة الوقاية:

• الحفاظ على مستويات الـ pH و درجة الحرارة و مستويات الهيدروفوسفيت في حمام النيكل.
• تصفية وتجديد حمام الذهب بانتظام لتجنب التلوث.
• التأكد من الشطف الجيد بين الخطوات لتجنب التلوث المتبادل.
• التحقق من محتوى النيكل-فوسفور (عادة ما يكون بين 7-9%) لتحسين مقاومة التآكل.

عند التحكم فيها بشكل صحيح، يكون خطر اللوحة السوداء ضئيلاً – لكن يجب بناء الوقاية في العملية وليس في الفحص.

ENIG مقابل HASL: أيهما أفضل؟

الميزة	ENIG	HASL
المسطح	ممتاز	غير مستوي، خاصة في المسافة الدقيقة
قابلية اللحام	ثابتة، خالية من الأكسيد	جيدة ولكن قد تتدهور مع مرور الوقت
عمر التخزين	طويل (أكثر من 12 شهرًا)	أقصر
التكلفة	أعلى	أقل
ملاءمة BGA/HDI	ممتاز	ضعيف
المخاطر الشائعة	لوحة سوداء	جسر اللحام، التغطية غير المتساوية

الخلاصة:
استخدم ENIG لتطبيقات SMT الدقيقة، BGA، و التطبيقات عالية الموثوقية.
اختر HASL للوحظات منخفضة التكلفة، الأدوات المثقبة أو اللوحات النموذجية حيث لا تكون المسطح أمرًا بالغ الأهمية.

ENIG مقابل OSP، الفضة المغمورة، وغيرها من التشطيبات

بينما يعد ENIG متعدد الاستخدامات، فإنه ليس دائمًا الخيار المثالي. إليك كيفية مقارنته مع بعض التشطيبات الأخرى الشائعة.

ENIG مقابل OSP (حماية قابلية اللحام العضوية)

• OSP: يتشكل طبقة عضوية رقيقة لحماية النحاس.
• رخيصة جدًا ومسطحة للغاية ولكنها حساسة للمناولة والتخزين.
• مناسبة لإنتاج قصير الأجل أو إعادة تدفق واحدة، وليست لبيئات شديدة أو متعددة التدفق.

ENIG مقابل الفضة المغمورة

• فضة مغمورة (ImAg): توفر سطحًا مسطحًا وقابلًا للحام بتكلفة أقل.
• ومع ذلك، فإنها تتأكسد بسهولة، خاصة في البيئات ذات الرطوبة العالية أو الغنية بالكبريت.
• ENIG يوفر موثوقية طويلة الأمد أفضل.

ENIG مقابل ENEPIG

• ENEPIG (النيكل المغمور، البالاديوم المغمور، الذهب المغمور): يضيف طبقة من البالاديوم بين النيكل والذهب.
• يمنع تآكل النيكل ويدعم الربط باستخدام الأسلاك، ولكنه أغلى.
• مثالي للتغليف المتقدم أو اللوحات عالية الموثوقية في الفضاء/الطب.

ENIG مقابل الذهب الصلب (الذهب الكهربائي)

• الذهب الصلب هو عملية إلكتروليتية تنتج طبقة سميكة من الذهب مقاومة للتآكل.
• مثالية للموصلات الطرفية أو الاتصالات ذات التكرار العالي، وليست للأسطح القابلة للحام.
• تظل ENIG متفوقة من حيث لحام المجمعات الموحدة.

ENIG الانتقائي: موازنة الأداء والتكلفة

للوحات متعددة التكنولوجيا، قد لا تحتاج دائمًا إلى ENIG في كل مكان.
ENIG الانتقائي يطبق طلاء النيكل-الذهب فقط على الألواح الهامة، بينما تستخدم المناطق الأخرى OSP أو HASL.

الفوائد:

• تكلفة إجمالية أقل
• موثوقية عالية في النقاط الهامة للحام أو الاتصال
• يتطلب القناع والتحكم الدقيق في العملية لفصل المناطق

استخدم ENIG الانتقائي عندما تحتوي لوحتك على مناطق BGA المسافة الدقيقة والمناطق ذات الثقوب الكبيرة.

متى يجب أن تستخدم ENIG؟

يجب تحديد ENIG عندما يتوافق تصميمك مع واحدة أو أكثر من هذه الشروط:

• مكونات SMT المسافة الدقيقة أو BGA (<0.5 مم المسافة)
• تجميع خالي من الرصاص متعدد التدفق
• تخزين طويل أو شحن قبل التجميع
• متطلبات موثوقية عالية (الفضاء، الصناعات الطبية)
• سطح مسطح مطلوب للطباعة أو فحص لحام المعجون
• تجميع مختلط حيث يكون من الضروري الاتساق في الترطيب

إذا كانت التكلفة أو الجدول الزمني هي القلق الرئيسي، فكر في استخدام OSP أو HASL بدلاً من ذلك.

الفحص ومراقبة الجودة

حتى مع التصميم الصحيح للعملية، يمكن أن يفشل ENIG إذا لم تتم مراقبته.
إليك بعض التدابير العملية التي يمكن أن يتبعها المصنعون والمشترون:

• التحقق من المواد الواردة:
  التحقق من لون السطح (الذهب غير اللامع الموحد)، وعدم وجود بقع داكنة أو تغير في اللون.
• التحقق من السماكة (XRF):
  عينة عشوائية من كل دفعة؛ سجل سماكة النيكل/الذهب ضمن نطاق IPC-4552.
• اختبار قابلية اللحام:
  إجراء اختبار الوزن المبلل أو الغطس والنظر بعد الشيخوخة.
• ظروف التخزين:
  تخزين لوحات ENIG في أكياس جافة، رطوبة أقل من 40% ودرجة حرارة أقل من 25 درجة مئوية.

الأسئلة الشائعة

الخلاصة

• ENIG = النيكل المغمور في الذهب
  طبقتان معدنيتان تحميان النحاس وتضمنان لحامًا موثوقًا.
• التحكم في العملية أمر مهم.
  يعد الحفاظ على كيمياء الحمام والتنظيف المناسب أمرًا ضروريًا لمنع اللوحة السوداء واختلاف السماكة.
• استخدم ENIG عندما تكون الدقة والموثوقية والمساحة المسطحة أكثر أهمية من التكلفة.
• حدد المعايير بوضوح.
  دائمًا ما تشير إلى IPC-4552 ونطاقات السماكة في ملاحظات التصنيع.

ملاحظة نهائية

في تصنيع الدوائر المطبوعة الحديثة، يظل ENIG هو التشطيب المفضل للتصاميم ذات المسافة الدقيقة والكثافة العالية والمتطلبات العالية للموثوقية.
يجمع بين دقة النيكل-الفوسفور مع الفوائد الوقائية لطبقة ذهب رقيقة - مما يوفر مسطحًا استثنائيًا، ومقاومة للتآكل، وقابلية لحام طويلة الأمد.

بينما يتطلب ENIG تكلفة أكبر ومراقبة عملية دقيقة، فإن اتساقه وأدائه يجعلاه يستحق كل قرش بالنسبة للمهندسين الذين يقدرون الاعتمادية والتكرار.