Průvodce povrchovou úpravou desek plošných spojů pro 7 běžných možností

Co je povrchová úprava PCB?

Povrchová úprava PCB označuje kovové propojení mezi holou mědí desky s plošnými spoji a pájenou plochou součástek. Deska plošných spojů má základní měděný povrch, který je bez ochranného povlaku náchylný k oxidaci, a proto je potřeba povrch udržovat v čistotě.

Povrchová úprava desek plošných spojů je zásadním krokem v procesu výroby a montáže desek plošných spojů a slouží dvěma hlavním funkcím: ochraně nechráněných měděných obvodů a zajištění pájecího povrchu pro součásti, které lze připojit k desce plošných spojů. Povrchová úprava je umístěna na nejvzdálenější vrstvě desky plošných spojů nad vrstvami mědi a působí jako „povlak“ mědi.

Druhy povrchové úpravy DPS

Horkovzdušná pájecí nivelace (HASL)
Pocínování (ponorný cín)
Bezproudové niklové imerzní zlato (ENIG)
Organické konzervační prostředky na pájení (OSP)
Immersion Silver (ImAg)
Bezproudový nikl Bezproudové palladiové imerzní zlato (ENEPIG)
Tvrdé zlato (elektrolytické tvrdé zlato)

Procesy povrchové úpravy PCB

Horkovzdušná pájecí nivelace (HASL)

HASL je jednou z nejčastěji používaných metod povrchové úpravy v průmyslu. Dodává se ve dvou typech: jeden s olověným cínem a jeden bez. HASL je také jedním z nejlevnějších dostupných typů povrchové úpravy PCB.

Pro dosažení hladkého povrchu HASL je deska plošných spojů ponořena do roztavené pájky (cín/olovo), čímž jsou pokryty všechny exponované měděné povrchy na desce. Po opuštění roztavené pájky je vysokotlaký horký vzduch vháněn po povrchu vzduchovým nožem, který vyhlazuje usazeniny pájky a odstraňuje přebytečnou pájku z povrchu desky plošných spojů.

Mezi důležité parametry, které je třeba během tohoto procesu ovládat, patří teplota pájení, teplota vzduchového nože, tlak vzduchového nože, doba ponoření, rychlost odvíjení a další.

Výhody HASL:

• Bohatá nabídka
• Přepracovatelné
• Výborná trvanlivost
• Vynikající pájitelnost
• Levné/nízké náklady
• Umožňuje větší okno zpracování
• Delší doba skladování
• Po dokončení DPS jsou plošky před pájením plně pokryty cínem
• Vhodné pro bezolovnaté pájení
• Zralá volba povrchové úpravy
• Umožňuje vizuální kontrolu a elektrická měření

Nevýhody HASL:

• Nerovný povrch
• Nevhodné pro jemnou výšku tónu
• Obsahuje olovo (HASL)
• Tepelný šok
• Pájecí můstek
• Ucpaný nebo snížený PTH (pokovený průchozí otvor)
• Rozdíly v tloušťce/vzhledu mezi velkými a malými polštářky
• Nevhodné pro SMD a BGA menší než 2000 miliontin palce
• Nevhodné pro produkty HDI
• Nevhodné pro lepení drátů

Pocínování (ponorný cín)

Imerzní cín (ImSn) je kovová povrchová úprava nanášená chemickou vytěsňovací reakcí přímo na základní kov desky plošných spojů, kterým je měď. ISn chrání podkladovou měď před oxidací během její očekávané životnosti. Protože všechny pájky jsou na bázi cínu, vrstva cínu se může shodovat s jakýmkoliv typem pájky.

Přidáním organických přísad do roztoku pro ponoření do cínu se struktura vrstvy cínu stává granulovanou, čímž překonává problémy s cínovými vousy a migrací cínu, přičemž má také dobrou tepelnou stabilitu a pájitelnost. Proces ponoření do cínu může vytvořit plochou měď-cínovou intermetalickou sloučeninu, dává mu dobrou pájitelnost bez plochosti a problémů s difúzí intermetalických sloučenin.

Výhody pocínování:

• Vynikající rovinnost (vhodné pro SMT), vhodné pro jemné rozteče/BGA/malé součástky
• Středně nákladná technologie povrchové úpravy bez olova
• Vhodná čistota lisování
• Zachovává dobrou pájitelnost i po vícenásobných tepelných výchylkách
• Vhodné pro horizontální výrobní linky
• Vhodné pro jemné obrábění geometrie, montáž bez olova

Nevýhody pocínování:

• Citlivé na manipulaci
• Krátká trvanlivost, cínové vousy po 6 měsících
• Korozivní pro vrstvy pájecí masky
• Nedoporučuje se používat se slupovacími maskami
• Není vhodná volba pro dotykové spínače
• Elektrické testování vyžaduje speciální nastavení (měkké přistání sondy)

Bezproudové niklové imerzní zlato (ENIG)

Povrchová úprava ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) byla vždy nejlepší volbou pro jemné (rovné) povrchy a bezolovnaté varianty.
ENIG je dvoustupňový proces, při kterém se měděná vrstva pokryje tenkou vrstvou niklu a poté se pokryje tenkou vrstvou zlata. Nikl působí jako bariéra pro měď a je povrchem, ke kterému jsou komponenty skutečně připájeny, zatímco zlato chrání nikl při skladování.

Bezproudové niklové imerzní zlato (ENIG)

Tloušťka vnitřní vrstvy Ni je obecně 3-6 μm a tloušťka vnější vrstvy Au je obecně 0.05-0.1 μm.

Ni tvoří bariérovou vrstvu mezi pájkou a mědí.

Úlohou Au je zabránit oxidaci Ni během skladování a tím prodloužit trvanlivost, ale proces pokovování zlata také vytváří vynikající rovinnost povrchu.

Proces zpracování ENIG je následující: Čištění -> Leptání -> Katalyzátor -> Bezproudový nikl -> Zlacení -> Čištění zbytků

Zatímco tento proces potahování má dlouhou životnost a je výhodný pro galvanické pokovování průchozích otvorů, je to složitý a nákladný proces, který nelze přepracovat a je známo, že způsobuje ztráty v signálových RF obvodech.

Výhody ENIG:

Plochý povrch
Bezolovnaté
Vhodné pro PTH (pokovený průchozí otvor)
Dlouhá trvanlivost

Nevýhody ENIG:

Drahý
Nelze přepracovat
Černá podložka/černý nikl
Poškození od mimozemšťanů
Ztráta signálu (RF)
Složitý proces

Organické konzervační prostředky na pájení (OSP)

OSP (Organic Solderability Preservatives) neboli antikorozní prostředky se obvykle nanášejí na exponovanou měď pomocí procesu dopravníkového pásu, který chrání povrch mědi před oxidací velmi tenkou vrstvou materiálu.

Tento film musí mít vlastnosti, jako je antioxidace, odolnost proti tepelným šokům a odolnost proti vlhkosti, aby chránil měděný povrch před korozí (oxidace nebo sulfidace atd.) za normálních podmínek.

Při následném vysokoteplotním pájení je však nutné tento ochranný film snadno a rychle odstranit tavidlem, aby se čistý měděný povrch okamžitě spojil s roztavenou pájkou a vytvořil pevný spoj ve velmi krátké době.

Jinými slovy, OSP působí jako bariéra mezi mědí a vzduchem.

Obecný proces OSP je: odmaštění -> mikroleptání -> mytí kyselinou -> oplach čistou vodou -> organický povlak -> čištění.

Výhody OSP:

• Plochý povrch
• Jednoduchý proces, velmi hladký povrch, vhodné pro bezolovnaté pájení a SMT
• Přepracovatelné, vhodné pro horizontální výrobní linky
• Nákladově efektivní
• Přátelský k životnímu prostředí

Nevýhody OSP:

• Tloušťku nelze změřit
• Nevhodné pro PTH (pokovený průchozí otvor)
• Krátká trvanlivost
• Může způsobit problémy s ICT
• Odkrytá měď při konečné montáži
• Citlivé zpracování
• Nelze pájet (přepracovávat) více než dvakrát
• Nevhodné pro technologii press-fit a drátěnou vazbu
• Nepohodlné pro vizuální a elektrické testy

Immersion Silver (ImAg)

Imerzní stříbro se aplikuje na měděné PCB jejich ponořením do nádrže s ionty stříbra pomocí neelektrolytické chemické povrchové úpravy. Je ideální volbou pro desky plošných spojů se stíněním EMI a používá se také v komunikačních zařízeních.

Tato metoda je vhodná zejména pro obvody s mikrovlnnými frekvencemi a přenosová vedení.

Stříbrné ponoření poskytuje plochý, pájitelný povrch a vynikající elektrické vlastnosti. Proces ponoření do stříbra lze použít na široké škále desek plošných spojů, včetně pevných a flexibilních desek plošných spojů.

Obecný proces imerzního stříbra je: odmaštění -> mikroleptání -> nanášení stříbra -> oplach.

Výhody ponorného stříbra:

• Vhodné pro jemnou výšku tónu
• Vhodné pro horizontální výrobní linky
• Dobré pro montáž bez olova, dobrá pájitelnost a vhodné pro SMT
• Plochost
• Dlouhá skladovatelnost, dobré pro oboustranné desky, drátěná vazba, vhodné pro ICT
• Dobré při zachování kvality signálu ve vysokofrekvenčních obvodech

Nevýhody ponorného stříbra:

• Krátká trvanlivost, obtížné skladování (černé skvrny, vyžaduje vakuové balení)
• Chemická likvidace
• Oxidace během skladování
• Citlivé na manipulaci
• Tvorba Ag3Sn
• Drahý
• Nevhodné pro dotykové spínače a snímatelné masky
• Nevhodné pro lepení zlatým drátem
• Testování ICT může způsobit poruchu
• Potíže s řízením procesu

Bezproudový nikl Bezproudové palladiové imerzní zlato (ENEPIG)

ENEPIG je komplexní proces zahrnující tři vrstvy: nikl, palladium a zlato, které poskytují vynikající vodivost a ochranu.

Proces zpracování ENEPIG je: Čištění -> Leptání -> Katalyzátor -> Bezproudový nikl -> Palladium -> Pokovování zlatem -> Čištění zbytků

ENEPIG je nejvhodnější povrchová úprava pro vysoce spolehlivé a vysokorychlostní výrobky, kde je důležitá především jeho rovinnost, vysoká odolnost proti mědi a dobré antikorozní vlastnosti.

Výhody ENEPIG:

Vynikající pro lepení drátů
Vhodné pro jemnou rozteč a malé díly
Vhodné pro lepení zlatým drátem
Dobré pro PTH
Dobré pro technologii lisování a spojování drátů
Vhodné pro ICT a elektrické testy
Dlouhá trvanlivost
Bezolovnaté

Nevýhody ENEPIG:

Vysoká cena
Nevhodné pro dotykové spínače
Testování ICT může způsobit poruchu
Vyžaduje stabilní produkční prostředí
Nevhodné pro pájení vlnou

Tvrdé zlato (elektrolytické tvrdé zlato)

Tvrdé zlato je druh povrchové úpravy PCB, která využívá vrstvu zlata legovanou malým množstvím jiných kovů pro zvýšení její odolnosti. Tento proces zahrnuje galvanické pokovování vrstvy zlata na povrch desky plošných spojů, která je následně potažena vrstvou elektrolytického niklu pro zvýšení její tvrdosti a odolnosti proti opotřebení.

Tvrdé zlato se běžně používá v aplikacích, kde bude deska plošných spojů vystavena opakovanému vkládání a vyjímání, jako jsou konektory a přepínače. Tvrdý zlatý povlak pomáhá předcházet opotřebení zlata v průběhu času a zajišťuje spolehlivé elektrické spojení.

Výhody tvrdého zlata:

Vynikající životnost a odolnost proti opotřebení
Vhodné pro aplikace vyžadující opakované vkládání a vyjímání
Dobré pro vysoce spolehlivé aplikace
Vhodné pro ICT a elektrické testy
Vhodné pro technologii lisování a spojování drátů
Vhodné pro jemnou rozteč a malé díly

Nevýhody tvrdého zlata:

Vysoká cena
Nevhodné pro pájení vlnou
Nevhodné pro dotykové spínače
Omezený rozsah tloušťky

Jak vybrat povrchovou úpravu PCB?

Výběr povrchové úpravy desek plošných spojů je jedním z nejdůležitějších kroků při výrobě desek plošných spojů , protože přímo ovlivňuje výtěžnost procesu, množství přepracovaných dílů, míru poruchovosti na místě, testovatelnost, míru zmetkovitosti a náklady. Aby byla zajištěna vysoká kvalita a výkon konečného produktu, je třeba při výběru hladkosti povrchu zohlednit všechny důležité aspekty týkající se montáže.

Tento článek použijte při porovnávání více možností povrchové úpravy z hlediska nákladů, trvanlivosti, rovinnosti a potřeb montáže. Pokud se rozhodujete hlavně mezi HASL a ENIG, přečtěte si srovnání HASL a ENIG ; pro výrobní kapacitu a poznámky k cenové nabídce použijte článek Výběr povrchové úpravy desek plošných spojů.

Povrchová úprava PCB

Rovinnost pájecí destičky Jak již bylo zmíněno dříve, některé povrchové úpravy mohou vést k nerovným povrchům, což může ovlivnit výkon, pájitelnost a další faktory. Pokud je kritickým faktorem rovinnost, zvažte povrchové úpravy s tenkými a stejnoměrnými vrstvami. V tomto případě vhodné možnosti zahrnují ENIG, ENEPIG a OSP.

Pájitelnost a smáčivost

Pájitelnost je vždy klíčovým faktorem při použití desek plošných spojů. Ukázalo se, že specifické povrchové úpravy, jako jsou OSP a ENEPIG, pájitelnost ztěžují, zatímco jiné, jako například HASL, jsou vhodnější.

Lepení zlatým nebo hliníkovým drátem

Pokud vaše deska plošných spojů vyžaduje propojení zlatými nebo hliníkovými drátky, můžete být omezeni na ENIG a ENEPIG.

Podmínky skladování

Jak již bylo zmíněno dříve, některé povrchové úpravy (jako OSP) mohou způsobit, že PCB během zpracování zkřehne, zatímco jiné zvyšují trvanlivost. Požadavky na skladování a manipulaci by měly být zváženy předem a povrchové úpravy, které zkřehnou PCB, by se měly používat pouze tehdy, pokud lze bez rizika splnit požadavky na skladování a manipulaci.

Pájecí cykly

Kolikrát bude PCB pájeno a přepracováno? Mnoho povrchových úprav je ideálních pro přepracování. Jiné metody, jako je ponoření do cínu, však nejsou pro přepracování vhodné.

Povrchová úprava desky plošných spojů - Shoda s RoHS

Soulad s RoHS je klíčový při určování použité povrchové úpravy. Obvykle všechny povrchové úpravy, které používají olovo, nejsou vhodné pro shodu s RoHS a je třeba se jim vyhnout.

V závislosti na konkrétních požadavcích a vlastnostech vašeho produktu PCB můžete použít tuto tabulku k výběru perfektní možnosti povrchové úpravy.

Závěr

Výběr typů povrchové úpravy pro dosažení hladkosti povrchu musí být optimální, aby splňoval různé funkce. Každý typ povrchové úpravy má své výhody a nevýhody. Existují určité inženýrské techniky, které řeší problémy způsobené nedostatky v hladkosti povrchu. Například pro nízkou smáčivost OSP existují řešení, jako je změna pokovení desky nebo vlnové pájky, zvýšení předehřevu horní strany atd. Klíčem je zvážit všechny možné faktory pro dosažení požadovaného výkonu.