Piirilevyjen pintakäsittelyopas 7 yleiselle vaihtoehdolle

Mikä on PCB-pintakäsittely?

Piirilevyn pintakäsittelyllä tarkoitetaan piirilevyn paljaan kuparin ja komponenttien juotettavan alueen välistä metalliyhteyttä. Piirilevyssä on kuparipohjainen pinta, joka ilman suojaavaa pinnoitetta on altis hapettumiselle, joten pinnan puhtauden tarve.

Piirilevyn pintakäsittely on tärkeä vaihe piirilevyjen valmistus- ja kokoonpanoprosessissa, ja se palvelee kahta päätehtävää: suojaa paljastuneita kuparipiirejä ja tarjoaa juotettavan pinnan komponenteille, jotka voidaan kiinnittää piirilevyyn. Pintakäsittely sijaitsee piirilevyn uloimmalla kerroksella kuparikerrosten yläpuolella ja toimii kuparin ”pinnoitteena”.

PCB-pintakäsittelyn tyypit

Kuumailmajuotteen tasoitus (HASL)
Tinapinnoitus (upotustina)
Sähkötön Nickel Immersion Gold (ENIG)
Organic Solderability Preservants (OSP)
Immersion hopea (ImAg)
Sähkötön nikkeli Sähkötön Palladium Immersion Gold (ENEPIG)
Kova kulta (elektrolyyttinen kovakulta)

PCB-pintakäsittelyprosessit

Kuumailmajuotteen tasoitus (HASL)

HASL on yksi alan yleisimmin käytetyistä pintakäsittelymenetelmistä. Sitä on kahta tyyppiä: yksi lyijy-tinalla ja toinen ilman. HASL on myös yksi halvimmista saatavilla olevista PCB-pintakäsittelytyypeistä.

Tasaisen HASL-pinnan saavuttamiseksi piirilevy upotetaan sulaan juotteeseen (tina/lyijy), joka peittää levyn kaikki paljaat kuparipinnat. Sulan juotteen poistuttua korkeapaineista kuumaa ilmaa puhalletaan pinnan yli ilmaveitsen kautta, mikä tasoittaa juotoskertymiä ja poistaa ylimääräisen juotteen piirilevyn pinnalta.

Tämän prosessin aikana ohjattavia tärkeitä parametreja ovat juotoslämpötila, ilmaveitsen lämpötila, ilmaveitsen paine, upotusaika, nostonopeus ja paljon muuta.

HASL:n edut:

• Runsas tarjonta
• Uudelleenkäsiteltävissä
• Erinomainen säilyvyys
• Erinomainen juotettavuus
• Halpa/halpa hinta
• Mahdollistaa suuremman käsittelyikkunan
• Pidempi säilytysaika
• Piirilevyn valmistumisen jälkeen tyynyt peitetään kokonaan tinalla ennen juottamista
• Soveltuu lyijyttömään juottamiseen
• Kypsä pintakäsittelyn valinta
• Mahdollistaa silmämääräisen tarkastuksen ja sähkömittaukset

HASL:n haitat:

• Epätasainen pinta
• Ei sovellu hienojakoisille
• Sisältää lyijyä (HASL)
• Lämpöshokki
• Juotossilta
• Tukkeutunut tai vähentynyt PTH (pinnoitettu läpimenevä reikä)
• Paksuus/ulkonäköerot suurten ja pienten tyynyjen välillä
• Ei sovellu SMD:lle ja BGA:lle, jotka ovat pienempiä kuin 2000 tuuman miljoonasosaa
• Ei sovellu HDI-tuotteisiin
• Ei sovellu lankojen liittämiseen

Tinapinnoitus (upotustina)

Upotustina (ImSn) on metallipinta, joka kerrostetaan kemiallisella syrjäytysreaktiolla suoraan piirilevyn perusmetalliin, joka on kuparia. ISn suojaa alla olevaa kuparia hapettumiselta sen odotetun säilyvyysajan kuluessa. Koska kaikki juotteet ovat tinapohjaisia, tinakerros sopii minkä tahansa juotostyypin kanssa.

Kun tinaupotusliuokseen lisätään orgaanisia lisäaineita, tinakerrosrakenne muuttuu rakeiseksi, mikä ratkaisee tinaviirusteiden ja tinan kulkeutumisen ongelmat, mutta sillä on myös hyvä lämmönkestävyys ja juotettavuus.Tinan upotusprosessi voi muodostaa litteän kupari-tina-metalliyhdisteen, mikä antaa sille hyvän juotettavuuden, ilman diffuusio- ja metalliyhdisteen ongelmia.

Tinapinnoituksen edut:

• Erinomainen tasaisuus (sopii SMT:lle), sopii hienojakoisille/BGA/pienille komponenteille
• Keskihintainen lyijytön pintakäsittelytekniikka
• Sopiva puristuspuhtaus
• Säilyttää hyvän juotettavuuden useiden lämpöretkien jälkeen
• Soveltuu vaakasuuntaisille tuotantolinjoille
• Soveltuu hienogeometriseen koneistukseen, lyijytön kokoonpano

Tinapinnoituksen haitat:

• Herkkä käsittelylle
• Lyhyt säilyvyys, tinaviikset 6 kuukauden kuluttua
• Syövyttää juotosmaskikerroksia
• Ei suositella käytettäväksi kuorittavien maskien kanssa
• Ei sopiva valinta kosketuskytkimille
• Sähkötestaus vaatii erikoisasennuksia (pehmeä koettimen lasku)

Sähkötön Nickel Immersion Gold (ENIG)

ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) -pintakäsittely on aina ollut paras vaihtoehto hienojakoisille (tasaisille) pinnoille ja lyijyttömälle vaihtoehdolle.
ENIG on kaksivaiheinen prosessi, jossa kuparikerroksen päälle peitetään ohut kerros nikkeliä ja se peitetään sitten ohuella kultakerroksella. Nikkeli toimii esteenä kuparille ja on pinta, johon komponentit todella juotetaan, kun taas kulta suojaa nikkeliä varastoinnin aikana.

Sähkötön Nickel Immersion Gold (ENIG)

Ni:n sisäkerroksen paksuus on yleensä 3-6 μm ja Au:n ulkokerroksen paksuus on yleensä 0.05-0.1 μm.

Ni muodostaa sulkukerroksen juotteen ja kuparin väliin.

Au:n tehtävänä on estää Ni:n hapettumista varastoinnin aikana, mikä pidentää säilyvyyttä, mutta kullan pinnoitusprosessi tuottaa myös erinomaisen pinnan tasaisuuden.

ENIGin käsittelykulku on seuraava: Puhdistus -> Etsaus -> Katalysaattori -> Sähkötön nikkeli -> Kullaus -> Jäännöspuhdistus

Vaikka tällä päällystysprosessilla on pitkä varastointiaika ja se on edullinen läpivientireikien galvanoinnissa, se on monimutkainen ja kallis prosessi, jota ei voida työstää uudelleen ja jonka tiedetään aiheuttavan signaalin RF-piireissä menetyksen.

ENIG:n edut:

Tasainen pinta
Lyijytön
Sopii PTH:lle (pinnoitettu läpireikä)
Pitkä säilyvyysaika

ENIG:n haitat:

Kallis
Ei uudelleenkäsiteltävissä
Musta pehmuste/musta nikkeli
Muukalaisten aiheuttamat vahingot
Signaalin menetys (RF)
Monimutkainen prosessi

Organic Solderability Preservants (OSP)

OSP (Organic Solderability Preservatives) tai korroosionestoaineita levitetään tyypillisesti paljaalle kuparille kuljetinhihnaprosessilla, mikä suojaa kuparin pintaa hapettumiselta erittäin ohuella materiaalikerroksella.

Tällä kalvolla on oltava ominaisuuksia, kuten hapettumisenesto, lämpöiskun kestävyys ja kosteudenkestävyys kuparipinnan suojaamiseksi ruosteelta (hapettumiselta tai sulfidoitumiselta jne.) normaaleissa olosuhteissa.

Kuitenkin myöhemmän korkean lämpötilan juottamisen aikana tämä suojakalvo on poistettava helposti ja nopeasti juoksutteen vaikutuksesta, jotta puhdas kuparipinta voi välittömästi sitoutua sulaan juotteeseen muodostaen vahvan liitoksen erittäin lyhyessä ajassa.

Toisin sanoen OSP toimii esteenä kuparin ja ilman välillä.

OSP:n yleinen prosessi on: rasvanpoisto -> mikroetsaus -> happopesu -> puhdasvesihuuhtelu -> orgaaninen pinnoitus -> puhdistus.

OSP:n edut:

• Tasainen pinta
• Yksinkertainen prosessi, erittäin sileä pinta, sopii lyijyttömään juottamiseen ja SMT:hen
• Uudelleentyöstettävä, sopii vaakasuuntaisille tuotantolinjoille
• Kustannustehokas
• Ympäristöystävällinen

OSP:n haitat:

• Paksuutta ei voi mitata
• Ei sovellu PTH:lle (pinnoitettu läpireikä)
• Lyhyt säilyvyys
• Voi aiheuttaa ICT-ongelmia
• Paljas kupari lopullisessa kokoonpanossa
• Herkkä käsittely
• Ei voida juottaa (muokata) useammin kuin kahdesti
• Ei sovellu press-fit-teknologiaan ja lankasitomiseen
• Epämukava visuaalisiin ja sähköisiin testeihin

Immersion hopea (ImAg)

Upotushopea levitetään kupari-PCB-levyille upottamalla ne hopeaionisäiliöön käyttämällä ei-elektrolyyttistä kemiallista pintakäsittelyä. Se on ihanteellinen valinta EMI-suojauksella varustetuille piirilevyille ja sitä käytetään myös viestintälaitteissa.

Tämä menetelmä sopii erityisen hyvin mikroaaltotaajuuksilla ja siirtolinjoilla varustettuihin piireihin.

Hopeaupotus tarjoaa tasaisen, juotettavan pinnan ja erinomaiset sähköominaisuudet. Hopea-immersioprosessia voidaan käyttää useilla eri piirilevyillä, mukaan lukien jäykät ja taipuisat piirilevyt.

Yleinen hopean upotusprosessi on: rasvanpoisto -> mikroetsaus -> hopeapinnoitus -> huuhtelu.

Immersion Silverin edut:

• Sopii hienojakoisille
• Soveltuu vaakasuuntaisille tuotantolinjoille
• Sopii lyijyttömään kokoonpanoon, hyvä juotettavuus ja sopii SMT:hen
• Tasomaisuus
• Pitkä säilyvyys, sopii kaksipuolisille levyille, lankasidonta, sopii ICT:lle
• Hyvä signaalin laadun säilyttämisessä korkeataajuisissa piireissä

Immersion Silverin haitat:

• Lyhyt säilyvyys, vaikea varastoida (mustat täplät, vaatii tyhjiöpakkauksen)
• Kemiallinen hävittäminen
• Hapetus varastoinnin aikana
• Herkkä käsittelylle
• Ag3Sn:n muodostuminen
• Kallis
• Ei sovellu kosketuskytkimille ja irrotettaville maskeille
• Ei sovellu kultalankojen liittämiseen
• ICT-testaus voi aiheuttaa toimintahäiriön
• Prosessin hallinnan vaikeudet

Sähkötön nikkeli Sähkötön Palladium Immersion Gold (ENEPIG)

ENEPIG on monimutkainen prosessi, jossa on kolme kerrosta: nikkeli, palladium ja kulta, jotka tarjoavat erinomaisen johtavuuden ja suojan.

ENEPIGin käsittelyprosessi on: Puhdistus -> Etsaus -> Katalysaattori -> Sähkötön nikkeli -> Palladium -> Kullaus -> Jäännöspuhdistus

ENEPIG on sopivin pintakäsittely erittäin luotettaville ja nopeille tuotteille, joissa sen tasaisuus, korkea kuparinkestävyys ja hyvät korroosionestoominaisuudet ovat erityisen tärkeitä.

ENEPIG:n edut:

Erinomainen lankojen liittämiseen
Sopii hienojakoisille ja pienille osille
Soveltuu kultalangan liittämiseen
Hyvä PTH:lle
Sopii hyvin puristussovitusteknologiaan ja lankojen liimaukseen
Soveltuu ICT- ja sähkötesteihin
Pitkä säilyvyysaika
Lyijytön

ENEPIG:n haitat:

Hintava
Ei sovellu kosketuskytkimille
ICT-testaus voi aiheuttaa toimintahäiriön
Edellyttää vakaata tuotantoympäristöä
Ei sovellu aaltojuottoon

Kova kulta (elektrolyyttinen kovakulta)

Kovakulta on eräänlainen PCB-pintakäsittely, jossa käytetään kultakerrosta, joka on seostettu pieneen määrään muita metalleja sen kestävyyden lisäämiseksi. Tämä prosessi sisältää kultakerroksen galvanoinnin PCB:n pinnalle, joka sitten päällystetään elektrolyyttisellä nikkelikerroksella sen kovuuden ja kulutuskestävyyden lisäämiseksi.

Kovaa kultaa käytetään yleisesti sovelluksissa, joissa piirilevyä asetellaan ja poistetaan toistuvasti, kuten liittimissä ja kytkimissä. Kovakultainen pinnoite auttaa estämään kullan kulumista ajan myötä, mikä varmistaa luotettavat sähköliitännät.

Kovan kullan edut:

Erinomainen kestävyys ja kulutuskestävyys
Soveltuu sovelluksiin, jotka vaativat toistuvia lisäyksiä ja poistoja
Sopii erittäin luotettaviin sovelluksiin
Soveltuu ICT- ja sähkötesteihin
Soveltuu press-fit-tekniikkaan ja lankojen liimaukseen
Sopii hienojakoisille ja pienille osille

Kovan kullan haitat:

Hintava
Ei sovellu aaltojuottoon
Ei sovellu kosketuskytkimille
Rajoitettu paksuusalue

Kuinka valita piirilevyn pintaviimeistely?

Piirilevyjen pintakäsittelyn valinta on yksi kriittisimmistä vaiheista Piirilevyjen valmistus, koska se vaikuttaa suoraan prosessin tuottoon, uudelleenkäsittelyn määrään, paikan päällä tapahtuvaan epäonnistumisasteeseen, testattavuuteen, romun määrään ja kustannuksiin. Lopputuotteen korkean laadun ja suorituskyvyn varmistamiseksi kaikki tärkeät kokoonpanoon liittyvät seikat on otettava huomioon pinnan sileyden valinnassa.

Käytä tätä artikkelia vertaillessasi useita viimeistelyvaihtoehtoja kustannusten, säilyvyyden, tasaisuuden ja kokoonpanotarpeiden perusteella. Jos päätös koskee pääasiassa HASL:ää vs. ENIG:iä, lue HASL vs. ENIG vertailu; tuotantokapasiteetin ja tarjousmerkintöjen osalta käytä Piirilevyn pinnan viimeistelyn valinta.

PCB-pinnan viimeistely

Juotostyynyn tasaisuus Kuten aiemmin mainittiin, jotkin pintakäsittelyt voivat johtaa epätasaisiin pintoihin, mikä voi vaikuttaa suorituskykyyn, juotettavuuteen ja muihin tekijöihin. Jos tasaisuus on kriittinen tekijä, harkitse pinnan viimeistelyä ohuilla ja tasaisilla kerroksilla. Tässä tapauksessa sopivia vaihtoehtoja ovat ENIG, ENEPIG ja OSP.

Juotettavuus ja kostuvuus

Juotettavuus on aina keskeinen tekijä piirilevyjä käytettäessä. Tiettyjen pintakäsittelyjen, kuten OSP ja ENEPIG, on osoitettu estävän juotettavuutta, kun taas toiset pitävät HASL ovat sopivampia.

Kulta- tai alumiinilangan liimaus

Jos piirilevysi vaatii kulta- tai alumiinilangan liittämistä, saatat rajoittua ENIG ja ENEPIG.

Varastointiolosuhteet

Kuten aiemmin mainittiin, jotkut pintakäsittelyt (kuten OSP) voivat tehdä piirilevystä hauraita käsittelyn aikana, kun taas toiset lisäävät kestävyyttä. Varastointi- ja käsittelyvaatimukset tulee harkita etukäteen, ja pintakäsittelyjä, jotka tekevät PCB:stä hauraita, tulisi käyttää vain, kun varastointi- ja käsittelyvaatimukset voidaan täyttää riskittömästi.

Juotossyklit

Kuinka monta kertaa piirilevy juotetaan ja työstetään uudelleen? Monet pintakäsittelyt sopivat ihanteellisesti uudelleentyöstämiseen. Muut menetelmät, kuten upottaminen tinaan, eivät kuitenkaan sovellu uudelleenkäsittelyyn.

PCB-pinnan viimeistely-RoHS-yhteensopivuus

RoHS-yhteensopivuus on ratkaisevan tärkeää käytettävän pinnan viimeistelyssä. Tyypillisesti kaikki pintakäsittelyt, joissa käytetään lyijyä, eivät sovellu RoHS noudattamista ja niitä tulee välttää.

Piirilevytuotteesi erityisvaatimuksista ja ominaisuuksista riippuen voit käyttää tätä taulukkoa valitaksesi täydellisen pintakäsittelyvaihtoehdon.

Yhteenveto

Pintakäsittelytyyppien valinnan pinnan sileyttä varten tulee olla optimaalinen eri toimintojen täyttämiseksi. Jokaisella pintakäsittelytyypillä on omat etunsa ja haittansa. On olemassa joitakin teknisiä tekniikoita pinnan sileyden puutteista johtuvien ongelmien ratkaisemiseksi. Esimerkiksi alhaiselle kostutusvoimalle OSP, on olemassa ratkaisuja, kuten levyn pinnoitteen tai aaltojuottoseoksen vaihtaminen, yläpuolen esilämmityksen lisääminen ja niin edelleen. Tärkeintä on ottaa huomioon kaikki mahdolliset tekijät halutun suorituskyvyn saavuttamiseksi.