¿Por qué utilizar oro en lugar de plata y cobre en la fabricación de PCB?

Las placas de circuito impreso (PCB) forman la columna vertebral de la electrónica y proporcionan soporte mecánico y conexiones eléctricas entre componentes. Las almohadillas y las pistas de los PCB suelen estar hechas de cobre, que se oxida fácilmente cuando se expone al aire. Esta oxidación puede afectar la soldabilidad y el rendimiento eléctrico. Por lo tanto, se aplican acabados superficiales como oro, plata o recubrimientos orgánicos para proteger el cobre de la corrosión.

Este artículo explora las razones detrás del uso de un costoso baño de oro versus plata o cobre más baratos en la fabricación de PCB.

Descripción general de los acabados de superficie de PCB comunes

Las trazas de cobre expuestas en los PCB están recubiertas con revestimientos metálicos o películas orgánicas para evitar la oxidación. Los acabados de superficies metálicas populares incluyen:

• Plata por inmersión: proceso de plateado químico
• Conservantes orgánicos de soldabilidad (OSP) – Películas protectoras orgánicas
• Níquel electrolítico/oro – Oro subyacente de níquel electrolítico
• Níquel electrolítico/oro por inmersión (ENIG): níquel electrolítico y luego oro por inmersión

De estos, ENIG y níquel/oro electrolítico utilizan oro para maximizar la resistencia a la corrosión y la conductividad. Pero el oro es también el acabado más caro.

La necesidad de acabados superficiales en los PCB

Los PCB actúan como plataforma para montar e interconectar componentes electrónicos. Las trazas de cobre grabadas en las placas de circuito impreso proporcionan los caminos conductores para las señales y la energía.

Sin embargo, el cobre forma fácilmente óxido de cobre no conductor cuando se expone al oxígeno y la humedad. Esta oxidación ya puede comenzar durante la fabricación de PCB cuando el cobre queda expuesto.

El proceso de oxidación continúa mientras el cobre desnudo queda expuesto a los ambientes ambientales. Esto es especialmente cierto para las almohadillas de soldadura que deben soldarse más adelante para unir los componentes. La formación de óxido en las almohadillas deteriora la soldabilidad.

Además, la oxidación aumenta la resistividad, lo que perjudica la conectividad eléctrica. Como resultado, las uniones de soldadura deficientes pueden causar fallas en el dispositivo o una menor confiabilidad.

Por lo tanto, los acabados superficiales de PCB cumplen múltiples funciones:

• Prevenir la oxidación del cobre antes de soldar.
• Permita la formación confiable de juntas de soldadura
• Mantener una baja resistencia de contacto en las uniones.
• Proteger el cobre de la corrosión durante la vida útil del producto.

Por qué se utiliza oro en la fabricación de PCB

El oro ofrece ventajas únicas que lo convierten en el metal elegido para acabados de superficies de PCB en muchas aplicaciones:

Excelente resistencia a la corrosión

El oro es altamente inerte y no se oxida ni corroe en condiciones de uso o entornos ambientales típicos. Esto preserva la pureza y conductividad de las trazas chapadas en oro durante décadas de vida útil del producto.

Alta conductividad eléctrica

El oro tiene el índice de conductividad eléctrica más alto después de la plata y el cobre. Pero tanto la plata como el cobre son propensos a la corrosión superficial. La excelente conductividad del oro se combina con su resistencia a la corrosión.

Opciones de depósito flexibles

Los recubrimientos de oro se pueden aplicar fácilmente a los PCB mediante procesos como el revestimiento electrolítico o no electrolítico. El espesor se puede controlar según sea necesario.

Excelente soldabilidad

El oro permite la formación de uniones de soldadura altamente confiables sin problemas de humedad. La soldabilidad permanece intacta durante los períodos de almacenamiento.

Larga vida útil

El oro mantiene su pureza y propiedades de forma indefinida. Esto permite una vida útil excepcionalmente larga para los PCB chapados en oro.

Depósitos Dúctiles

El oro proporciona recubrimientos dúctiles que son menos propensos a agrietarse o fracturarse bajo tensiones de ciclos térmicos.

Capacidad de unión de cables

El acabado dorado permite unir cables de alto rendimiento, importante para la microelectrónica.

Reelaboración

Los recubrimientos de oro permiten múltiples ciclos de retrabajo y reparación sin perder la integridad o las propiedades de la superficie.

Compatibilidad sin plomo

El oro es totalmente compatible con soldaduras y procesos de soldadura sin plomo.

Inconvenientes de los acabados en plata y cobre

La plata y el cobre ofrecen ventajas como mayor conductividad y menor costo en comparación con los baños de oro. Sin embargo, tanto la plata como el cobre adolecen de limitaciones:

Oxidación y corrosión: la plata y el cobre se oxidan y corroen fácilmente en ambientes ambientales. Esto conduce a una mayor resistencia de contacto y una mala soldabilidad con el tiempo.

Pobre confiabilidad de la soldadura: la formación de óxido interfiere con la humectación adecuada al soldar. Las interfaces metálicas diferentes con soldaduras también aumentan los riesgos de falla.

Vida útil reducida: los impactos de oxidación y corrosión en las superficies de plata y cobre comienzan inmediatamente después del revestimiento. Esto requiere soldar poco después del enchapado.

Unión de cables inferior: Los riesgos de oxidación plantean desafíos en la unión de cables con superficies de plata/cobre en comparación con el oro.

Fiabilidad del ciclo térmico: los óxidos de plata y cobre son más propensos a sufrir daños bajo fluctuaciones de temperatura que el oro dúctil.

Restricciones ambientales: El deslustre de los recubrimientos de plata puede liberar compuestos de plata tóxicos al medio ambiente durante su uso y eliminación.

Mayores costos del ciclo de vida: los frecuentes problemas de corrosión y soldadura con superficies de plata/cobre se traducen en mayores costos de reparación, retrabajo y garantía.

Procesos de acabado de superficies de PCB para oro

Oro de inmersión en níquel no electrolítico (ENIG)

El oro por inmersión en níquel químico (ENIG) es un acabado de superficie ampliamente utilizado para placas de circuito impreso (PCB). Consiste en un proceso de dos pasos que implica la deposición de capas de níquel y oro sobre las trazas de cobre de la PCB. A continuación se presenta un desglose del proceso ENIG y sus características clave:

Revestimiento de níquel no electrolítico

• En el primer paso, las trazas de cobre de la PCB se sumergen en un baño químico que contiene una solución de sales de níquel, agentes reductores y estabilizadores.
• Los iones de níquel en la solución se reducen catalíticamente sobre la superficie de cobre, formando una capa uniforme y continua de níquel no electrolítico.
• El espesor de la capa de níquel suele oscilar entre 3 y 6 µm (micrómetros). Este espesor proporciona una buena cobertura y sirve como barrera de difusión entre las capas de cobre y oro.

Deposición de oro por inmersión

• Después del niquelado, la PCB se sumerge en una solución que contiene sales de oro.
• Los iones de oro en la solución se reducen químicamente, depositando una fina capa de oro sobre la superficie del níquel mediante un proceso de inmersión.
• La capa de oro suele tener un espesor que oscila entre 0.03 y 0.15 µm, lo que proporciona una capa protectora fina pero eficaz.

Características clave y beneficios de ENIG

1. Barrera de difusión: La capa de níquel actúa como una barrera de difusión, evitando la migración del cobre hacia la capa de oro y viceversa. Esta barrera ayuda a mantener la integridad de la capa de oro y previene la formación de compuestos intermetálicos que podrían afectar la confiabilidad de la unión soldada.
2. Soldabilidad: ENIG proporciona una excelente soldabilidad debido a la superficie dorada plana y lisa. La capa de oro facilita la humectación de la soldadura durante el proceso de ensamblaje, asegurando uniones de soldadura confiables.
3. Protección contra la corrosión: El oro es altamente resistente a la oxidación y la corrosión, proporcionando una capa protectora confiable para el níquel y el cobre subyacentes. Esta resistencia a la corrosión es particularmente importante para los PCB utilizados en entornos hostiles o expuestos a la humedad.
4. Planitud de la superficie: el proceso ENIG da como resultado una superficie plana y plana, lo cual es importante para los componentes de tecnología de montaje en superficie (SMT) de paso fino. La suave superficie dorada ayuda a garantizar la colocación precisa de los componentes y conexiones de soldadura confiables.
5. Buen rendimiento eléctrico: ENIG tiene buena conductividad eléctrica y baja resistencia de contacto, lo que lo hace adecuado para aplicaciones digitales de alta frecuencia y alta velocidad.
6. Compatibilidad de unión de cables: la capa de oro de ENIG es compatible con las técnicas de unión de cables utilizadas para conectar chips semiconductores a la PCB. La suave superficie dorada facilita conexiones fiables de unión de cables.

En general, el oro por inmersión en níquel químico (ENIG) ofrece un acabado superficial confiable y versátil para PCB, proporcionando excelente soldabilidad, resistencia a la corrosión y rendimiento eléctrico. Su uso prevalece en diversas industrias, incluidas la electrónica de consumo, las telecomunicaciones, la aeroespacial y los dispositivos médicos.

Características del proceso de PCB chapado en oro

Problemas de soldabilidad

Si bien la capa de chapado en oro muestra una buena estabilidad química, esta estabilidad también significa que el oro no forma fácilmente una buena aleación con la soldadura, afectando así la calidad de las uniones de soldadura.
Durante el proceso de soldadura, si la capa de oro es demasiado gruesa, el oro puede disolverse en la soldadura, lo que resulta en uniones de soldadura quebradizas. Este fenómeno se conoce como “fragilización del oro”.

El material, la estructura de capas, los orificios y el acabado superficial deben considerarse como un único alcance de fabricación de la placa base . La conductividad general o el comportamiento ante la corrosión de un metal no determinan por sí solos el acabado adecuado para cada aplicación de PCB.

Limitaciones de uso

Debido a problemas de soldabilidad, el baño de oro generalmente no se usa en áreas que requieren soldadura extensa. En cambio, se emplea más comúnmente para puntos de contacto de conectores o áreas destinadas a la unión de cables de aluminio.
En áreas donde es necesaria la soldadura, a menudo se utilizan métodos alternativos de tratamiento de superficies, como conservantes orgánicos de soldabilidad (OSP), soldadura sin plomo o aleaciones de estaño y plomo.

Consideraciones de diseño

Al diseñar una PCB con baño de oro, se debe prestar especial atención al grosor de la capa de oro y su ubicación de aplicación para garantizar que se puedan utilizar los beneficios del oro y al mismo tiempo evitar sus inconvenientes en la soldadura.
Por lo tanto, a pesar del rendimiento superior de los PCB chapados en oro en ciertos aspectos, existen limitaciones en términos de rendimiento de soldadura. Estas limitaciones requieren especial atención durante el proceso de diseño y fabricación.

Aplicaciones clave de los PCB chapados en oro

Algunos ejemplos de aplicaciones críticas que dependen de PCB chapados en oro incluyen:

• Aeroespacial y aviónica: la confiabilidad de Gold garantiza un rendimiento de por vida en misiones espaciales.
• Dispositivos médicos: los recubrimientos de oro previenen la corrosión en dispositivos implantados y diagnósticos.
• Electrónica submarina: El oro resiste las condiciones salinas y de alta presión que se experimentan en los equipos oceanográficos.
• Circuitos digitales de alta velocidad: la conductividad del oro permite la transmisión de datos sin errores hasta frecuencias de varios GHz.
• Módulos de microondas y radar: el baño de oro proporciona la menor pérdida en frecuencias de microondas.
• Conectores y relés electromecánicos: el oro duro en los puntos de contacto maneja millones de ciclos de conmutación.
• Sistemas fotónicos/optoelectrónicos: los recubrimientos de oro proporcionan la alta reflectividad necesaria en los instrumentos ópticos de precisión.

Conclusión

En resumen, el oro es el acabado de superficie de PCB ideal para aplicaciones que exigen máxima confiabilidad, conductividad, resistencia a la corrosión, soldabilidad y rendimiento de unión de cables. El mayor costo inicial del material del oro se justifica por la mejora de la calidad del producto, la vida útil y la reducción de los riesgos de falla en los sistemas críticos. Esto hace que el oro valga su peso al permitir que la electrónica de próxima generación siga superando los límites del rendimiento y la durabilidad.

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