PCB 표면 마감에서 침지 금속 전에 침지 니켈이 중요한 이유

PCB 제조 세계에서 표면 마감은 구리 패드를 보호하고, 안정적인 납땜을 보장하며, 보드의 수명을 연장하는 숨은 영웅입니다. 가장 신뢰받는 마감재 중 하나는 내구성과 납땜성, 고밀도 설계와의 호환성으로 높이 평가받는 무전해 니켈 침지 금(ENIG)입니다. 하지만 ENIG가 이렇게 효과적인 이유는 무엇일까요? 그 답은 두 층 구조에 있습니다. 즉, 침지 니켈 베이스 위에 얇은 침지 금 층이 덮여 있습니다. 금이 부식 방지 기능으로 많은 주목을 받지만, 니켈 층은 숨은 일꾼입니다. 니켈이 없으면 ENIG는 실패합니다. 다음은 침지 니켈이 침지 금 전에 필수적인 이유와 PCB가 중요한 응용 분야에서 성능을 보장하는 방법입니다.

침지 니켈의 역할: 단순한 '중간층' 그 이상
침지 니켈은 PCB의 구리 패드와 외부 금 층 사이에 위치하며, 고신뢰성 전자 제품에 대한 ENIG의 금 표준을 만드는 세 가지 대체 불가능한 기능을 수행합니다.

1. 장벽 보호: 구리 확산 방지
구리는 우수한 전도체이지만, 특히 금에 노출되면 화학적으로 반응합니다. 장벽이 없으면 구리 원자가 시간이 지남에 따라 금 층으로 이동하는 확산이라는 과정이 발생합니다. 이러한 혼합은 금의 무결성을 손상시켜 부서지기 쉽고 산화되기 쉽게 만듭니다. 그 결과? 납땜 접합부가 약해지고, 신호가 저하되며, 조기 고장이 발생합니다.

침지 니켈은 화학적 방화벽 역할을 합니다. 결정 구조가 밀도가 높아 고온 환경(예: 리플로우 납땜 중)에서도 구리 이온이 금에 도달하는 것을 차단합니다. 테스트 결과에 따르면 3~5μm 니켈 층은 구리 확산을 구리에 직접 도금된 금에 비해 99% 이상 줄입니다.

2. 납땜성 향상: 강력한 접합부의 기초
PCB의 경우 납땜성은 단순히 '붙는' 것이 아니라 온도 사이클, 진동 및 시간을 견디는 강력하고 일관된 결합을 형성하는 것입니다. 침지 니켈은 이를 가능하게 합니다.

  a. 평평하고 균일한 표면: 산화가 빠르게 진행되는 베어 구리 또는 거친 마감재(HASL과 같은)와 달리 니켈은 납땜을 위한 부드럽고 균일한 베이스를 만듭니다. 이렇게 하면 납땜이 패드 전체에 고르게 퍼져 '납땜 볼' 또는 '콜드 접합부'와 같은 결함을 줄일 수 있습니다.
  b. 제어된 금속간 화합물 형성: 납땜 시 니켈은 납땜의 주석과 반응하여 접합부를 제자리에 고정하는 강력한 금속간 화합물인 Ni₃Sn₄를 형성합니다. 니켈이 없으면 구리는 주석과 반응하여 Cu₆Sn₅를 형성하는데, 이는 부서지기 쉽고 스트레스를 받으면 균열이 발생하기 쉽습니다.

IPC의 연구에 따르면 ENIG 납땜 접합부(니켈 포함)는 니켈 없이 금 도금된 구리를 사용하는 접합부보다 3배 더 많은 열 사이클(-55°C ~ 125°C)을 견딥니다.

3. 기계적 강도: 박리 및 마모 방지
PCB는 커넥터 삽입/제거부터 자동차 또는 항공 우주 환경의 진동까지 끊임없이 기계적 스트레스를 받습니다. 침지 니켈은 중요한 강성을 추가합니다.

  a. 접착력: 니켈은 구리와 금 모두에 단단히 결합하여 하부 구리가 부식에 노출되는 박리(벗겨짐)를 방지합니다.
  b. 내마모성: 금은 부드럽지만 니켈의 경도(200~300 HV)는 취급 또는 조립 중 긁힘으로부터 마감을 보호합니다. 이는 산업용 센서와 같은 견고한 장치에 사용되는 PCB에 필수적입니다.

ENIG 공정: 니켈과 금의 협력 방식
ENIG는 단순히 '니켈 도금 후 금 도금'이 아니라 각 층의 고유한 특성에 의존하는 정밀 화학 공정입니다. 작동 방식은 다음과 같습니다.

1단계: 침지 니켈 증착
PCB의 구리 패드는 먼저 산화물을 제거하기 위해 세척한 다음 니켈-인 욕조에 담급니다. 전기 도금(전기를 사용)과 달리 침지 니켈은 화학 반응을 통해 형성됩니다. 욕조의 니켈 이온이 환원되어 구리 표면에 증착되는 반면, 구리는 산화되어 용액에 용해됩니다.

  b. 인 함량: 대부분의 ENIG 니켈은 7~11%의 인을 함유하여 내식성을 향상시키고 층의 응력을 줄입니다.2단계: 침지 금 증착
니켈 층이 경화되면 PCB를 금 욕조에 담급니다. 금 이온은 표면에서 니켈 원자를 대체하여(변위 도금이라고 하는 공정) 니켈을 밀봉하는 얇은 층(0.05~0.2μm)을 형성합니다.

금의 역할은 납땜 전에 니켈을 산화로부터 보호하는 것입니다. 조립 중에는 납땜에 용해될 정도로 얇아 금속간 화합물을 형성하기 위해 니켈을 노출시키지만, 보관 중에는 변색을 방지할 정도로 두껍습니다(12개월 이상).
이 2단계 공정을 건너뛸 수 없는 이유

금만으로는 니켈 층을 대체할 수 없습니다. 금은 구리 확산을 차단하기에는 너무 부드럽고, 납땜과 강력한 금속간 화합물을 형성하지 않습니다. 더 나쁜 것은 구리에 직접 도금된 금이 부식을 가속화하는 '갈바닉 커플'(배터리 같은 효과)을 생성한다는 것입니다. ENIG의 마법은 시너지 효과에 있습니다. 니켈은 확산을 차단하고 강력한 납땜을 가능하게 하는 반면, 금은 니켈을 산화로부터 보호합니다.

니켈을 건너뛰면 어떻게 될까요? 지름길을 택할 경우의 위험
일부 제조업체는 니켈을 건너뛰거나 품질이 낮은 층을 사용하여 비용을 절감하려고 시도하지만, 특히 의료 기기 또는 항공 우주 시스템과 같은 중요한 응용 분야의 PCB의 경우 그 결과는 심각합니다.

1. '블랙 패드' 고장: 가장 흔한 재앙
'블랙 패드'는 니켈 층이 손상되어 금과 구리 사이에 어둡고 다공성 잔류물이 남는 무서운 결함입니다. 니켈이 너무 얇거나, 도금이 불량하거나, 오염 물질에 노출될 때 발생합니다. 손상되지 않은 니켈 장벽이 없으면 금-구리 인터페이스가 손상되어 납땜이 불가능해집니다. 접합부가 붙지 않거나 최소한의 힘으로 떨어져 나옵니다.

IPC의 연구에 따르면 항공 우주 PCB의 ENIG 고장의 80%가 부적절한 니켈 층으로 인해 발생하며, 제조업체는 배치당 평균 5만 달러의 재작업 및 지연 비용을 지불합니다.
2. 부식 및 산화

니켈은 구리보다 부식에 훨씬 더 강합니다. 니켈이 없으면 구리 패드는 통제된 보관 환경에서도 빠르게 산화됩니다. 산화된 구리는 납땜을 밀어내어 전기 부하에서 고장나는 '건조 접합부'로 이어집니다. 예를 들어, 5G 기지국에서 금 도금(니켈 미포함) PCB를 사용하는 통신 회사는 산화로 인해 6개월 이내에 30%의 고장률을 보고했습니다. 이는 ENIG의 0.5%와 비교됩니다.

3. 납땜 접합부 신뢰성 저하
납땜은 금이 아닌 니켈에 결합됩니다. 니켈이 없으면 납땜은 금 도금된 구리에 약하게 부착되어 열적 또는 기계적 스트레스를 받으면 균열이 발생하는 접합부를 생성합니다. 자동차 PCB(진동 및 온도 변화의 영향을 받음)의 경우, 이는 ADAS(첨단 운전자 지원 시스템)와 같은 중요한 시스템에서 간헐적인 고장으로 이어집니다. 이는 어떤 제조업체도 감당할 수 없는 위험입니다.

ENIG 대 기타 마감재: 니켈이 차이를 만드는 이유
ENIG가 유일한 PCB 마감재는 아니지만, 니켈 층은 다른 대안이 따라올 수 없는 장점을 제공합니다. 다음과 같이 비교할 수 있습니다.

마감 유형
니켈 층?

니켈의 이점을 극대화하려면 제조업체는 두께, 순도 및 공정 관리에 대한 엄격한 표준을 준수해야 합니다.

1. 두께 관리: 3~7μm는 필수
언급했듯이 3μm 미만의 니켈 층은 장벽 역할을 하지 못하고, 7μm 이상의 층은 부서지기 쉽습니다. IPC-4552(무전해 니켈에 대한 글로벌 표준)는 일관성을 보장하기 위해 ±1μm의 허용 오차를 규정합니다. 주요 제조업체는 X선 형광(XRF)을 사용하여 패드 전체의 두께를 100% 확인합니다.

2. 인 함량: 최적의 성능을 위해 7~11%

3. 공정 모니터링: '블랙 패드' 방지
블랙 패드는 니켈 욕조가 제대로 관리되지 않을 때 발생합니다(예: 잘못된 pH, 오염된 화학 물질). 제조업체는 다음을 수행해야 합니다.  a. 매일 욕조 화학 물질을 테스트합니다(pH 4.5~5.5가 이상적임).  b. 입자 오염 물질을 제거하기 위해 욕조를 필터링합니다.

  c. 균일한 증착을 보장하기 위해 자동 도금 장비를 사용합니다.
실제 영향: 중요한 응용 분야의 ENIG

니켈 층으로 구동되는 ENIG의 신뢰성은 고장이 선택 사항이 아닌 분야에서 필수적입니다.
  a. 의료 기기: 심박 조율기 및 제세동기는 ENIG를 사용하여 납땜 접합부가 체액 및 온도 변동을 10년 이상 견딜 수 있도록 합니다.
  b. 항공 우주: 위성 PCB는 부식 없이 방사선 및 극한 온도 변화(-200°C ~ 150°C)에 저항하기 위해 ENIG에 의존합니다.

  c. 5G 인프라: ENIG의 평평한 표면은 기지국의 미세 피치 BGA(0.4mm 피치)를 지원하여 안정적인 고주파 신호(28+GHz)를 보장합니다.
FAQ

Q: 침지 니켈이 너무 얇으면(<3μm) 어떻게 됩니까?r>A: 얇은 니켈은 구리 확산을 차단하지 못하여 산화, 부서지기 쉬운 금, 약한 납땜 접합부로 이어집니다. '블랙 패드' 결함의 위험을 증가시킵니다.
Q: 다른 금속이 ENIG에서 니켈을 대체할 수 있습니까?

A: 아니요. 팔라듐과 같은 대안은 비용이 많이 들고 납땜과 동일한 강력한 금속간 화합물을 형성하지 않습니다. 니켈은 장벽 보호, 납땜성 및 비용의 균형을 맞추는 유일한 재료입니다.
Q: 침지 니켈은 ENIG에서 얼마나 오래 지속됩니까?A: 적절한 도금(3~7μm 두께, 7~11% 인)을 사용하면 니켈은 PCB의 수명 동안 효과적으로 유지됩니다. 이는 제어된 환경에서 10년 이상인 경우가 많습니다.Q: ENIG가 다른 마감재보다 비싼 이유는 무엇입니까?

A: ENIG의 비용은 고순도 니켈과 금을 포함한 2층 공정의 정밀도와 엄격한 품질 관리를 반영합니다. 이 투자는 특히 고가 전자 제품의 신뢰성에 도움이 됩니다.
결론

침지 니켈은 ENIG에서 사후 고려 사항이 아니라 기초입니다. 구리 확산에 대한 장벽, 강력한 납땜 접합부의 가능하게 하는 요소, 기계적 스트레스로부터의 보호자로서의 역할은 대체 불가능하게 만듭니다. 니켈을 건너뛰거나 두께를 줄이면 마감재가 손상될 뿐만 아니라, 특히 중요한 응용 분야에서 전체 PCB의 성능을 위험에 빠뜨립니다.
엔지니어와 제조업체에게 메시지는 분명합니다. ENIG를 지정할 때는 니켈 층을 우선시하십시오. 그 품질이 PCB가 성공할지 실패할지를 결정합니다.