Во многих случаях внешние соединения с печатными узлами выполняют с помощью контактных полосок, расположенных вдоль кромки платы и являющихся неотъемлемой частью рисунка платы. Эти контактные полоски входят в соединение с соответствующими контактами гнездовых разъемов аппаратуры, в которую входит печатный узел. Если главным фактором является стоимость изделия и требования наивысшей надежности к аппаратуре не предъявляются, то контакты платы могут оставаться покрытыми припоем, что для многих случаев обеспечивает вполне удовлетворительные результаты. Если же выдвигаются требования соответствия аппаратуры высоким стандартам надежности, что характерно для широкого класса специальной аппаратуры, концевые контакты платы необходимо золотить. При этом контакты ответной части разъема также должны быть золочеными. Экономические преимущества покрытия контактов припоем очевидны, так как при этом не требуется никаких дополнительных операций к основному технологическому процессу производства печатных плат. В противоположность этому решение о применении золоченых концевых контактов требует множества ограничений, вводимых в производственный процесс и направленных на то, чтобы исключить повреждение контактов как при производстве, так и при эксплуатации. При этом необходимо исключить коррозионное воздействие на поверхность контактов и формировать износостойкое золотое покрытие, которое способно выдержать заданное число сочленений (разъединений) с ответной гнездовой частью разъема.
Золото принадлежит к так называемым благородным металлам, т. е. оно не образует оксидов и способно противостоять постоянным коррозионным воздействиям различных факторов. Кроме того, золото имеет высокую электрическую проводимость и по этой причине является идеальным материалом для контактов. Однако золото весьма дорого, и поэтому чрезвычайно важно ограничить его потребление минимально необходимым количеством. Коррозионное повреждение золоченых контактов вызвано коррозией металлов, образующих подслой, а не собственно золота. Коррозия вызывается содержащимися в промышленной атмосфере загрязнениями, из которых наиболее агрессивными являются сероводород и оксиды серы и азота. Сероводород воздействует на медь и в отсутствие влаги, а другие агенты, соединяясь с влагой атмосферы, образуют кислоты, активно воздействующие на медь. Отсюда ясно, что исключение коррозии возможно лишь при совершенно не нарушенном золотом покрытии на основном металле, т.е. при отсутствии проколов, микротрещин и царапин, которые способствуют началу коррозии в этих местах. Коррозия начинается с этих участков при воздействии сульфатов, сульфидов и оксидов; ее продукты распространяются по поверхности золотого покрытия и вызывают повышение контактного электрического сопротивления, т. е, ухудшение контакта в разъеме вплоть до полного разрыва цепи. В случае воздействия кислотных коррозионных агентов процесс коррозии усугубляется электрохимическим взаимодействием гальванической пары - золота и металла, лежащего под ним. Толщина золотого покрытия и поверхностные характеристики металлического подслоя являются основными факторами влияющими на качество золоченых контактов. Толщина наносимого покрытия ограничивается стоимостью материала, поэтому подготовка поверхности контакта под золотое покрытие играет весьма важную роль. Абразивная очистка и травление оставляют неровную поверхность контакта, что способствует образованию зернистого и пористого золотого покрытия; поэтому перед золочением на поверхность меди наносят тонкий подслой никеля. Никель обладает свойством заполнять неровности на поверхности меди, образуя особо глянцевую поверхность покрытия, на которую относительно тонкий слой золота может быть нанесен без пор и проколов. Преимуществом никеля является также его сравнительная устойчивость к воздействию сероводорода. В известных пределах эквивалентная устойчивость к коррозии может быть получена как в случае нанесения толстого слоя золота на тонкий слой никеля, так и наоборот. Последнее сочетание, разумеется, значительно дешевле. Толщины слоев золота и никеля, установленные экспериментально и давшие хорошие результаты, приведены ниже. Твердое золочение: 1-3 мкм золота по слою никеля толщиной 10-12 мкм или 2-4 мкм золота по слою никеля толщиной 1,5-2,5 мкм. Мягкое золочение: 0,5-2 мкм золота по слою никеля толщиной 3-4 мкм или 1,5-4 мкм золота без подслоя никеля.
Износостойкость золотого покрытия прямо зависит от толщины слоя золота и твердости материалов, из которых состоят контакты ответной части разъема. При этом разница в твердости золотого покрытия на контактах платы и ответной части разъема особенно важна. Твердость измеряется в ньютонах на квадратный миллиметр (Н/мм2) и обычно определяется с помощью твердомера Виккерса. Определение производится путем вдавливания в испытуемый металл алмазной пирамидки под заданной нагрузкой и измерения размеров отпечатка. Глубина отпечатка очень мала, например 1-2 мкм, при этом длина диагонали отпечатка 10-15 мкм. Твердое золото представляет собой сплав мягкого золота с другими металлами, такими как кобальт (примерно 1 %) или никель с индием (примерно 3%). Твердость по Виккерсу для твердого золота лежит в пределах 1400-2400 Н/мм2, в то время как твердость мягкого золота составляет 600-800 Н/мм2. Наибольший срок службы сопряженных контактов разъема обычно достигается выбором двух материалов, имеющих различную твердость. Так как контакты гнездового разъема весьма часто покрываются твердым золотом, концевые контакты разъема платы должны быть покрыты преимущественно мягким золотом. Другим аргументом в пользу мягкого золота является то, что оно обеспечивает лучшую защиту, чем твердое золото, видимо, потому, что оно не загрязнено никакими присадочными металлами. Но износ концевых контактов разъема не может быть большим, поскольку плата сочленяется с разъемом аппаратуры и извлекается из него всего лишь несколько раз. Очень часто бывает трудно добиться высококачественного гладкого покрытия на каждом контакте ответной части разъема. Поэтому целесообразно выбирать твердое золото для покрытия концевых контактов разъема, так как это дает большую гарантию от механического износа или повреждения слоя золота. Следует, однако, заметить, что определенные типы твердого золота имеют несколько большее контактное сопротивление, чем мягкое золото, и обычно это не вызывает проблем. Соображения, отмеченные в этом и предыдущем пунктах, позволяют автору рекомендовать покрытие из твердого золота с твердостью по Виккерсу 1400-1600 Н/мм2 и минимальной толщиной 2,5 мкм с подслоем из никеля толщиной 5 мкм.
Нанесение золотого покрытия в основном выполняется таким же путем, как было описано для меднения или нанесения покрытия припоем, т.е. гальваническим способом. Однако имеется и различие, поскольку печатная плата является уже готовой, т.е. медненой, покрытой припоем и прошедшей травление. При золочении должно быть обеспечено электрическое соединение с концевыми контактами разъема платы. Обычно отдельные контакты соединены с шиной, являющейся частью рисунка на плате, но находящейся за габаритами готовой платы. Когда же плату обрезают в размер, часть платы с этой шиной удаляют.
Очень часто на золочение поступают платы, покрытые припоем или оловом, поэтому первой операцией при золочении является удаление этого покрытия, для того чтобы обнажить медь. Это требует специальной ванны для растворения припоя или олова без воздействия на медь. В этом процессе плата погружается в мелкую ванну вертикально так, чтобы раствор покрывал только контакты концевого разъема. Четкое отделение участка платы, подвергаемого травлению, от остальной поверхности платы достигается тем, что плата выше заданного уровня обклеивается лентой, устойчивой к травителю. Разумеется, покрывать лентой всю плату неэкономично, поэтому оператор должен быть аккуратен и не допускать разбрызгивания раствора, чтобы не загрязнить и не покрыть пятнами облуженную оловом или припоем поверхность платы. После окончания операции ленту удаляют. Наилучшим же путем достижения требуемого уровня качества является нанесение подслоя никеля, который способен сгладить царапины, возникшие при механическое полировании. Далее на плату наклеивают другую ленту, обозначающую границу золочения. Эта лента обычно располагается на 0,5-1 мм выше предыдущей; в результате образуется узкая переходная зона между краем ленты и поверхностью меди, обнаженной при удалении припойного покрытия. Вследствие этого золотое покрытие наносится в этой переходной области поверх имеющегося покрытия припоем, что обеспечивает повышенную стойкость против коррозии. Если ленту расположить так, чтобы она частично закрывала участки обнаженной меди, то очевидно, что между золотым покрытием и покрытием припоем останется узкая зона непокрытой меди с ее склонностью к коррозии. Некоторые изготовители находят, что дешевле избегать повторного наклеивания ленты, оставляя первую ленту на месте. Получающаяся в этом случае небольшая зона непокрытой меди затем защищается от внешних воздействий полоской эпоксидного лака, наносимого методом трафаретной печати и являющегося частью либо паяльной, либо защитной изоляционной маски.
Золото является очень дорогим материалом, и его не следует наносить там, где в нем нет надобности. Поэтому необходимую для гальванического золочения соединительную токопроводящую шину и печатные проводники, соединяющие ее с концевыми контактами разъема, обычно перед золочением защищают лентой. Как уже отмечалось ранее, процессу золочения предшествует нанесение подслоя никеля. При этих процессах плату погружают вертикально в неглубокую ванну, уровень электролита в которой достаточен для покрытия концевых контактов разъема и части ленты. Токоподвод к плате осуществляют через соединнтельную шину и концевые контакты разъема. Контакты разъема выполняют функцию катода, и ионы золота из электролита осаждаются на этих контактах в виде металлического золота. Анодами ванны служат либо угольные, либо титановые платинированные электроды. Существуют несколько различных составов ванн золочения, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. В коротком перечислении - это щелочная цианистая ванна блестящего золочения, кислая и нейтральная ванны золочения. Преимуществом последних двух является то, что они не воздействуют химически на материал основания платы, что в определенной степени имеет место в цианистой ванне золочения. Некоторые изготовители избегают нанесения подслоя никеля, поскольку это может привести к отслаиванию слоя золота. Действительно, это может иметь место вследствие появления внутренних механических напряжений в нанесенном слое никеля или наличия загрязнений на никеле до золочения. Однако при тщательном контроле за параметрами процесса (состав ванны, температура, pH, плотность тока, степень загрязнения и добавок) можно исключить риск отслаивания. Иногда высказываются соображения, что существуют трудности нанесения золота на поверхность никеля, поскольку последняя до некоторой степени пассивна. Можно, однако, активировать слой никеля с помощью легкого травления в смеси разбавленной соляной и серной кислот. Иногда, несмотря на то, что на плате имеются все концевые контакты разъема, не все из них задействованы. Поскольку золото дорого, может показаться, что экономии можно достигнуть, исключив незадействованные контакты из оригинала. Однако существует узаконенная практика иметь резервные контакты для выполнения последующих модификаций. Заказчик может потребовать, чтобы неиспользуемые контакты не имели золотого покрытия, однако стоимость операции селективной защиты от покрытия этих контактов существенно выше, чем стоимость сэкономленного золота. Если концевой разъем имеет ориентирующий паз, то соответствующие контакты на месте паза должны отсутствовать. В этом случае на входном контроле заказчику легче установить, что координаты этого паза правильные. Наконец, следует заметить, что хотя золото и дорого, стоимость работ с золотом может оказаться на порядок выше стоимости собственно золота в зависимости от площади, занимаемой золотым покрытием. Так как стоимость обработки платы можно считать не зависящей от ее размеров, очевидно, что более высокая цена золоченого концевого разъема будет получена при увеличении числа контактов. Это должно учитываться при определении размеров и числа концевых контактов разъема, которые, однако, должны сопрягаться со стандартной платой.
В ряде случаев появляется необходимость в золочении всей платы в целом вместо покрытия припоем. При толщине 2 мкм и выше золото превосходно выполняет функции травильного резиста; кроме того, золото обладает низким контактным сопротивлением и высокой электрической проводимостью, что представляет особый интерес в случаях, когда платы используются в высокочастотных узлах. При этом золото сохраняет высокую паяемость в течение длительного срока хранения, поэтому желание иметь золотое покрытие на готовой плате вполне понятно. Однако при большой толщине золотого покрытия, например более 3-4 мкм, повышается опасность появления сухих паек. В процессе пайки золотое покрытие в отверстиях платы растворяется в припое, образуя слой интерметаллидов, который, когда содержание золота достигает 20%, становится весьма хрупким, почти полностью теряя прочность. В случае, когда пайка производится быстро, не создается подходящих условий для того, чтобы золото полностью диффундировало в припой, и такая критическая концентрация достигается именно в переходной зоне между припоем и золотым покрытием. Кроме того, необходимо заметить, что паяные соединения на золоченых контактных площадках получаются темными, что затрудняет визуальное распознавание сухих паек. По этой причине в различных технических условиях НАСА предусмотрено требование обязательного удаления золотого покрытия перед пайкой. Все это позволяет сделать вывод о том, что золочение платы целиком небезопасно и его следует избегать. Если плата снабжена контактами, предназначенными для механических контактных устройств, например для коммутационной панели, часто используется золочение платы целиком. Причиной этому является обычно то, что селективное золочение только области контактов слишком дорого, так как оно требует введения ряда дополнительных операций для формирования специальных масок и т. п. Стоимость золота столь высока, что в большинстве случаев дешевле специально оговаривать селективное золочение и готовить дополнительный оригинал. Тогда указанные выше недостатки, связанные с проблемами пайки, исключаются. Во всех случаях читателю рекомендуется эти вопросы обсудить с изготовителем печатных плат до завершения конструкторских работ. Очень тонкое золотое покрытие иногда применяется для защиты поверхности платы. Толщина покрытия выбирается 0,1-0,5 мкм в целях экономии золота, что в известном смысле подтверждается фактом, что толщина покрытия 0,1 мкм достаточна для обеспечения длительного срока хранения платы. Это, однако, весьма сомнительная мера, так как очень топкий слой золота часто получается более или менее пористым, даже если операция покрытия производится с большой тщательностью. В зависимости от способов упаковки плат, их транспортировки и хранения металл, образующий подслой, может окислиться вследствие пористости слоя золота. Если плата подвергается групповой машинной пайке, то слой золота легко растворяется, однако при коротком цикле пайки флюс не успевает поступить к обнаженному слою металла и его очистить. В результате возможно сильное несмачивание поверхности припоем: это означает, что припой стечет с поверхности до кристаллизации.