PCB felületkezelés típusai és összehasonlítása

A NYÁK-ok alkotják az összes modern elektronika alapját. Ahogy az integrált áramkörök és más alkatrészek egyre kisebbek és összetettebbek lesznek, a NYÁK-oknak egyre szigorúbb követelményeknek kell megfelelniük a jelintegritás, a hatékonyság és a megbízhatóság tekintetében. Ezeket a mutatókat befolyásoló egyik kritikus szempont a NYÁK felületkezelése.

A csupasz PCB-re felvitt felületkezelés vagy bevonat több funkciót is ellát:

• Megvédi az alatta lévő rezet az oxidációtól és a szennyeződéstől
• Lehetővé teszi és javítja a forraszthatóságot
• Megkönnyíti az alkatrészek összekapcsolását és összekapcsolását
• Befolyásolja a jelátvitelt és az integritást
• Befolyásolja a gyárthatóságot és a feldolgozást

A most elérhető különféle opciók révén az optimális felületi minőség kiválasztása a teljesítmény, a költségek, a gyártási képesség és az alkalmazási követelmények kiegyensúlyozását jelenti. Ez a cikk technikai áttekintést nyújt a leggyakoribb PCB felületkezelésekről, beleértve azok főbb jellemzőit, előnyeit és hátrányait, az egyes típusokhoz legmegfelelőbb alkalmazásokat és a feldolgozási szempontokat.

Vezető tényezők a felületkezelés kiválasztásában

Számos, egymással kölcsönhatásban álló szempont határozza meg a PCB felületkezelésének kiválasztását egy adott alkalmazáshoz, beleértve:

• Forraszthatóság és nedvesíthetőség: A felületi bevonatnak könnyen meg kell olvadnia a forraszanyagnak, egységes, egyenletes kötést képezve a betétek/alkatrészek és a forrasztás között, kihagyott csatlakozások vagy áthidalás nélkül. A nedvesíthetőség a folyékony forrasztóanyag terjedését/tapadását jelenti a felületen.
• Oxidáció és eltarthatóság: A felületkezelés megakadályozza a réz levegőben történő oxidációját a forrasztás előtt, a forraszthatóság megőrzése érdekében. Az eltarthatóság a bevonat robusztusságától függ.
• Ragasztási kompatibilitás: Huzalragasztáshoz vagy konform bevonatokhoz vagy edénykeverékekhez való ragasztáshoz.
• Környezetbarátság: Az anyaghasználatra, hulladékra, szennyvízre, valamint az emberi/környezeti egészségre és biztonságra vonatkozó jogszabályok betartása.
• Megbízhatóság és tartósság: Folyamatos működés elektromos, termikus és mechanikai igénybevétel mellett a termék élettartama alatt. Tartalmazza a hő- vagy mechanikai ütésállóságot, a fáradtságot, az elektromos migrációt stb.
• Jelintegritás: Tiszta jelek minimális áthallással vagy külső sugárzással nagy sebességű, rádiófrekvenciás (RF) vagy érzékeny alkalmazásokhoz.
• Megvizsgálhatóság és tesztelhetőség: A soron belüli automatizált optikai ellenőrzés és elektromos tesztelés egyszerű. Átlátszó felületek lehetővé teszik az ellenőrzést; a forrasztómaszkok zavarhatják.
• Költség: Mind az anyag-, mind a feldolgozási költségek, a teljesítménnyel egyensúlyban.
• Gyárthatóság: Kompatibilitás az olyan gyártási folyamatokkal, mint a forrasztás, tisztítás, bevonat és összeszerelés. Minimális átdolgozási arány.

Az egyes tényezők fontossága a termék típusától és a működési feltételektől függ. Például előfordulhat, hogy az eltarthatóság és az oxidációval szembeni ellenállás nem számít nagy mennyiségű, éppen időben történő gyártásnál, kevés készletezéssel. Az orvosi vagy űrrepülési termékek azonban hónapokig vagy évekig elhelyezkedhetnek, ami hosszú élettartamot tesz szükségessé.

PCB gyártási folyamat áttekintése

A NYÁK mechanikusan támogatja az elektronikus alkatrészeket, miközben biztosítja közöttük az elektromos kapcsolatokat. Maga a tábla egy szigetelő üvegszálas epoxi laminátum, egyik vagy mindkét oldalán vékony rézfóliával burkolva. Ezt a fóliát fotolitografikusan mintázták nyomokká és párnákká, amelyek a vezető útvonalakat képezik. Az alkatrészeket a betétekre forrasztják, akár lyukon keresztül, akár a felületen (SMT). A többrétegű lapok belsőleg további vezető- és szigetelőrétegeket raknak egymásra.
A nyomtatott áramköri lapokból készült csupasz tábláknak több simítási folyamaton kell keresztülmenniük, mielőtt az alkatrészekkel betömik:

Felület-előkészítés – Az alapos mosás és mikromaratás érdesíti a rezet, és eltávolítja az oxidációt vagy szennyeződéseket a tárolás, szállítás vagy kezelés során.

Felületkezelés – A bevonatot nedves kémiai eljárásokkal viszik fel, amelyeket az alábbiakban ismertetünk az egyes felületkezelési típusokhoz. A vastagságot, az érdességet és egyéb paramétereket szigorúan szabályozzák.

Forrasztómaszk bevonat – A teljes panelfelületet epoxi festékkel vonják be, kivéve az érintkezőfelületeket és a szabadon hagyott csatlakozókat. Szigetelést és jelöléseket biztosít.

Szitanyomásos alkalmazás – Alkatrészek nyomtatott jelölése, logók, áramköri referencia jelölések, polaritásjelzők és egyebek segítik a gyártást és a hibaelhárítást.

Elektromos teszt – Minden egyes panel áramkörön belüli tesztelésen esik át az elektromos folytonosság megfelelőségének ellenőrzése és a hibák korai felismerése érdekében. A panelek szigorú minőségi követelmények alapján teljesítik/sikertelenek.

A felületi kiképzés képezi a külső réteget, amely a betétrezet és az alkalmazott forrasztást határolja, és így jelentősen befolyásolhatja a későbbi feldolgozás eredményét, ha nem megfelelően illeszkedik hozzájuk. Most megvizsgáljuk a legelterjedtebb felületkezelési lehetőségeket:

Forrólevegős forrasztási szintezés (HASL)

A leghosszabb ideig fennálló PCB felületkezelés, a forrólevegős forrasztási szintező (HASL) olvadt forraszanyaggal vonja be a táblát, így forrasztható ón-ólom ötvözet réteget képez. Ahogy a neve is mutatja, a fűtött nitrogén kések simítják a folyékony forrasztóanyagot, miközben lehűl, minimalizálva az egyenetlen felhalmozódást. Az ólommentes HASL helyettesíti az ón-ezüst-réz forrasztásokat.

Folyamat: A táblák egy szállítószalagon lépnek be a HASL rendszerbe, és egy kamraelosztóban lévő olvadt forrasztóanyag előrehaladó hulláma alatt haladnak át. A bemerítést követően a levegős kések felfújják a táblákat felmelegített nitrogénnel vagy argongázzal, hogy a hűtőforraszanyag egyenletes bevonatot képezzen, jó réznedvesítő hatású, közvetlenül a forrasztóanyag megszilárdulása előtt. Az élsínek tartalmazzák a folyamatot. A paraméterek – hőmérsékletek, expozíciós idők, gázáramlások és nyomás – szigorú ellenőrzést igényelnek a konzisztens, kiváló minőségű felületek előállításához.

Főbb jellemzők:

• Alacsony költségű folyamat nagy áteresztőképességgel
• Érett technológia 50 éves múlttal
• Jól forraszt ón alapú forrasztóanyagokhoz és alkatrészekhez
• Jó felületi nedvesíthetőség és síkság
• A magas rézfedettség ellenáll az oxidációnak
• Ólommentesen elérhető az RoHS követelményei szerint
• Vizuálisan ellenőrizhető kivitel

Alkalmazások:

Alacsony árfekvésű, robusztus teljesítményével a HASL megfelel a költségérzékeny fogyasztói elektronikai cikkeknek, készülékeknek, autóelektronikának és telekommunikációs/hálózati berendezéseknek.

Előnyök:

• Olcsó, nagy mennyiségre képes
• Hosszú eltarthatóság
• Állandó forraszthatóság
• Magas marás-/szennyeződésállóság
• Átdolgozható
• Megtekintésre látható

Hátrányok:

• Nem elég sík a finom hangmagasságú IC-khez
• A hőlökés meghajthatja a táblákat
• Fémoldódás idővel
• A kockázatok áthidalása sűrű kialakítással
• Bajuszproblémák tiszta ónnal
• Törmelék és salakképződés

Organic Solderability Preservative (OSP)

Az OSP a réznyomokat imidazolból, triazolból vagy más heterociklusos vegyületekből álló szerves védőfóliával vonja be. Ez a vékony, mindössze 10-100 angström vastag polimerréteg 6-12 hónapig megakadályozza az oxidációt, miközben melegítés után lehetővé teszi a forrasztás áramlását. A bevonatot mikromaratást követően mártással vagy szórással hordják fel.

Folyamat:

A felület előkészítése tisztítással és mikromaratással előkészíti a táblákat az OSP alkalmazáshoz:

1. a táblák zárt kamrába kerülnek
2. Az OSP köd egyenletesen permetezhető a táblákra
3. a táblák kilépnek a kamrából és megszáradnak
4. végső takarítás

Az OSP oldatok stabilizáló szereket és pH-puffereket tartalmaznak az optimális teljesítmény érdekében. A megfelelő bevonatminőség és konzisztencia érdekében ellenőrizni kell a folyadék porlasztását, a hőmérsékletet, a tartózkodási időt, a vegyszerkoncentrációkat és a bevonat utáni kezelést.

Főbb jellemzők:

• Ultravékony átlátszó bevonat
• Ólommentes és környezetbarát
• Simább, mint a HASL, kiváló síksággal
• Újradolgozható kivitel
• Alacsonyabb első költség, mint más bevonatok

Alkalmazások:

Az OSP jól működik a vezeték nélküli és hordozható fogyasztói elektronikai cikkekben, az IoT-termékekben, az autóiparban, a repüléselektronikában és az orvosi elektronikában, ahol a megbízhatóságot és az ólomtartalmú tartalmat minimálisra kell csökkenteni. A sík felület segíti a sűrűn tömörített deszkákat.

Előnyök:

• Egyszerű, alacsony költségű alkalmazás
• Rendkívül sík kivitel
• Hosszú eltarthatósági idő
• Állandó forraszthatóság
• Az OSP-bevonatú táblák egyszerű átdolgozása
• Csökkenti az áthidaló rövidnadrágot

Hátrányok:

• Bevonat nélküli kezeléskor lekaparható
• Korlátozott forrasztási maszkolási képesség
• Nehéz vizuálisan ellenőrizni a lefedettséget
• Kinyitás után rövid szerelőablak
• Gyenge megbízhatóság IPC-tesztenként*
• A réz oxidációja 175°C felett gyorsan újraindul

Az IPC-tesztelés korrelálta az OSP-bevonatokat a hő-, pára- és vibrációs hatások mellett megnövekedett meghibásodási arányokkal. Ennek ellenére sokan sikeresen alkalmazzák az OSP-t.

Merítési ezüst

A PCB-k ezüst kémiai leválasztású fürdőbe merítése vékony ezüstréteget képez a réznyomokra, galvanikus elmozdulási reakcióval. A bevonat 15-25 mikroinch (0.4-0.6 mikron) vastagságú. Hosszabb ideig ellenáll a foltosodásnak vagy oxidációnak.

Folyamat:

A mikromaratás aktiválja a rézfelületet. A táblákat savas ezüst-nitrát vagy ezüst-fluoborát oldatba merítik szerves stabilizátorokkal és gyorsítókkal. A rézionok helyet cserélnek ezüstionokkal, amelyek bevonják a táblát. A paraméterek – hőmérséklet, tartózkodási idő, kémiai összetétel és ezek koncentrációja – mind gondos ellenőrzést igényelnek a vastagság konzisztenciájának és egyenletességének optimalizálása érdekében.

Főbb jellemzők:

• Alacsony költségű folyamat mérsékelt áteresztőképességgel
• Kiváló forraszthatóság és vezetőképesség
• Ellenáll a szennyeződésnek és az oxidációnak
• Jó adhéziós szilárdság és átdolgozhatóság
• Alkalmas alumínium huzalkötésre

Alkalmazások:

Az immersion silver a vezeték nélküli kommunikációhoz, az autóipari infotainment- és ADAS-rendszerekhez, a LED-es világításhoz és más, megbízhatóságtól függő elektronikához használható.

Előnyök:

• Erős forrasztási kötés megbízhatóság
• Hosszan tartó felületvédelem
• Rendkívül sík sík felület
• Alacsonyabb költség, mint az arany kivitelben
• Ólommentes és RoHS-kompatibilis

Hátrányok:

• A felület idővel kissé elszíneződik
• Kezelés közben megkarcolódhat
• Kitettség után rövid élettartam
• Nehéz az áramkörön belüli teszteléshez
• Magasabb feldolgozási hőmérséklet

Merítési ón

A megtisztított PCB-ket melegített ónoldatba merítve galvanikusan védő ónréteg rakódik le a réznyomokra. A bemerülő ónfürdőbe bevitt szerves adalékok megváltoztatják a szatén ón felület szerkezetét nagy kristályosról mikrokristályosra, elkerülve ezzel az ón habarással kapcsolatos problémákat.

Folyamat:

A deszka előkészítése tipikus tisztítással, mikromaratással, vizes öblítéssel, majd a merülőbádogfürdőbe való bemerítéssel savval történő bemerítéssel történik. A lúgos ónoldatok precíz hőmérséklet-szabályozása, valamint a szabályozott tartózkodási idő, emelési sebesség és adalékanyag-koncentrációk állandó konzisztenciát eredményez. A lerakódás 4-10 mikroinch (0.1-0.25 mikron) vastag matt ónréteget képez.

Főbb jellemzők:

• Matt fehér ónbevonat
• Kiváló forraszthatóság megmaradt
• Rétegvastagság egyenletessége
• Minimális réz oldódás
• Cseppfolyós oldat cseréje ón-ólomhoz

Alkalmazások:

A merülőbádog jól bevonja a bonyolult, sűrűn tömörített táblákat. Ellenáll a magasabb hőmérsékletű ötvözetek, például az ezüst-réz keményforrasztó alkalmazásoknak. A megfizethető eljárás nagy megbízhatóságú védelmi, légiközlekedési, navigációs és kommunikációs alkalmazásokhoz is megfelel.

Előnyök:

• Sima sík bevonat az ultrafinom osztású IC-khez
• Nincsenek bajuszos problémák
• Átdolgozható és javítható felület
• A tárolás során oxidációt át nem eresztő
• Folyasztószermentes forrasztási képesség
• Alacsonyabb hosszú távú költség

Hátrányok:

• Kitettség után rövid élettartam
• Hajlamos a foltosodásra és elhomályosodásra
• Felmondási gondok a matt felülettel
• Nehéz vizuálisan ellenőrizni a lefedettséget
• Hőmérsékletérzékeny folyamat

Immersion Gold (ENIG)

Az elektromentes nikkel-immerziós arany (ENIG) két fémréteget hord fel a robusztus védelem és forraszthatóság érdekében. Először is, egy autokatalitikus kémiai reakcióval a nikkelt 3-7 mikron vastagságúra lapozza át a réz felületén elektromos áram nélkül. Ezután a nikkel és az oldat közötti elmozdulási reakció a nikkel felületi atomjait egy vékony, mindössze 0.05-0.15 mikron vastagságú arany bevonattal helyettesíti.

Folyamat:

A kezdeti PCB mikromaratás előkészíti a rezet. A táblák egy elektromos nikkelezésű tartályba kerülnek. A katalizálás után ez az autokatalitikus leválasztási eljárás folyamatosan lemezeli a nikkelt elektromos áram nélkül. A hőmérsékletnek, a pH-puffereknek, a kémiai koncentrációknak és a tartózkodási időtartamnak egyensúlyban kell maradnia a konzisztencia érdekében. A vizes öblítést követően a táblák felmelegített aranyoldatba kerülnek, amely galvanikusan kiszorítja a nikkel atomokat, vékony aranyréteget képezve.

Főbb jellemzők:

• Mérsékelt költség a megbízható védelemért
• 12+ hónap eltarthatósági idő
• Az aranyréteg nagyrészt inert marad
• Előkészítés nélkül forrasztható
• Rendkívül sík felület
• Megbízható, de összetett folyamat

Alkalmazások:

Az ENIG olyan nagyobb értékű termékekhez illeszkedik, mint a vállalati szerverek, távközlési infrastruktúra, védelmi elektronika, repüléselektronika és orvosi termékek, ahol a hosszú eltarthatóság és a helyszíni megbízhatóság megnöveli a költségeket.

Előnyök:

• Hosszan tartó oxidációs védelem
• Kiváló síkság segíti a finom hangmagasságú IC-ket
• Egyenletes, egyenletes vastagság
• Jól forrasztható felület
• A kemény aranyréteg ellenáll a kopásnak
• Ideális alumínium huzalok ragasztásához

Hátrányok:

• Magas anyagköltség (arany)
• Komplex folyamatvezérlés
• Törékeny nikkelréteg az arany alatt
• A fekete betét kockázata az idő múlásával
• Az arany vastagságát nehéz ellenőrizni

Elektrolitikus nikkel/arany

A nikkel/arany bevonat két fémréteget hord fel galvanikusan elektromos áram segítségével, ellentétben az ENIG-gel. A kezdeti fényes nikkel aláfestés sokkal vastagabb 100-250 mikroinchnél (2.5-6 mikronnál), mielőtt az arany villanóbevonat 10-50 mikroinch-nél (0.25-1.25 mikronnál) csökkenne. Ez az elektrolitikus eljárás vastagabb, keményebb aranyrétegeket tesz lehetővé.

A folyamat áttekintése:

A mikromaratott PCB-ket sorrendben nikkel és arany elektrolitikus bevonatú tartályokba rakják, ahol a víz alá merített anódok és katódok lehetővé teszik az áram áramlását, amely fémet rak le a táblákra. Az oldatkémia, a hőmérséklet, a feszültség és a hullámforma paramétereinek precíz szabályozása biztosítja a konzisztenciát. A lámpatest-kialakítások elkerülik a légzsákokat vagy a táblák közötti sűrűségkülönbségeket.

Főbb jellemzők:

• Vastagabb keményarany rétegváltozatok
• Ellenáll az ismételt párzási ciklusoknak
• Ólommentes és RoHS-kompatibilis
• Újradolgozható kivitel

Alkalmazások:

A csatlakozók, élujjak, érintkezési pontok és ragasztópárnák kihasználják a tartósságot, míg a mérsékelt költség megfelel a nagyobb volumenű, költségérzékeny alkalmazásoknak.

Előnyök:

• Keményebb, kopásállóbb arany
• Alacsonyabb anyagköltség az ENIG-hez képest
• Megbízható forrasztási kötések
• Nagy áteresztőképességű folyamat
• Lehetővé teszi a szonda tesztelését

Hátrányok:

• Nagyon technikaérzékeny
• Hosszú folyamatidő
• A törékeny rétegek megrepedhetnek
• A sűrű PCB-k üregek bevonását kockáztatják
• A forrasztómaszkos területeken szükség lehet gyűjtősínekre

Electroless Ni Electroless Pd Immersion Au (ENEPIG)

Az ENEPIG befejezi az ENIG frissítését, és a nikkel alsó réteget elektroless palládiumra cseréli az aranylerakódás előtt a fokozott felületvédelem érdekében a nikkelkorrózió vagy a fekete betét kockázata nélkül. Újabb eljárásként azonban jelenleg többe kerül, mint az ENIG.

Főbb jellemzők:

• Kiváló eltarthatóság 
• Korrózióálló és inert
• Kiváló oxidációs gát
• Ólommentes és RoHS-kompatibilis
• Újradolgozható kivitel

Alkalmazások:

Az ENEPIG a legjobban megfelel a nagy megbízhatóságú, hosszú eltarthatóságú alkalmazásoknak, mint például a repülőgép-, védelmi és egészségügyi termékek, ahol a megbízhatóság vezérli az értéket a kezdeti költségekhez képest.

Előnyök:

• Legnagyobb megbízhatóság és hosszú élettartam
• Megszünteti a fekete betét kockázatát
• Ideális huzalkötési igényekhez
• Rendkívül sík sík felület
• 10+ évig forrasztható

Hátrányok:

• A legmagasabb költségű kivitel
• Meghosszabbított folyamatidő
• Korlátozott iparági tapasztalat
• Folyamatszabályozási kihívások
• Nehéz vizuálisan ellenőrizni

Összegzés

Az elsődleges felületkezelések ezen áttekintése rávilágított arra, hogy a nyomtatott áramköri lapok gyártása egymásra épülő folyamatok sorozatát képviseli, ahol az út minden egyes lépése befolyásolja a következő folyamatok eredményét. A felületkezelés – legyen szó forrólevegős forrasztási szintről, szerves forraszthatóság védőszerről, merítési ezüstről, merítési ónról, elektromos nikkel bemerítési aranyról, elektrolitikus nikkelaranyról vagy hasonló változatokról – jelentős hatást gyakorol.

A mérnökök az eltarthatósági időt, a forraszthatóságot, a ragasztási alkalmasságot, a megbízhatósági igényeket, a jel integritását és a költségkorlátokat is figyelembe veszik, amikor az adott alkalmazáshoz és működési környezethez megfelelő felületet választanak ki. További szempontok közé tartozik a gyárthatóság, az áteresztőképesség, a berendezések kihasználtsága és a minőség-ellenőrzés egyszerűsége.

A megfontolások ezen mátrixán keresztüli ideális optimalizálásra való törekvés végül működőképes, megbízható és költséghatékony elektronikus hardvereket tesz lehetővé. Az alkalmazások előrehaladtával és az igények szigorúbbá válásával folyamatos innovációra számíthatunk a felületkezelési lehetőségek és a feldolgozási technikák terén, hogy megfeleljenek a felmerülő igényeknek.