Guida alla finitura superficiale dei PCB: 7 opzioni comuni

Cos'è il trattamento superficiale del PCB?

Il trattamento superficiale del PCB si riferisce all'interconnessione metallica tra il rame nudo del circuito stampato e l'area saldabile dei componenti. Un circuito stampato ha una superficie base in rame che, senza rivestimento protettivo, è soggetta ad ossidazione, da qui la necessità di pulizia della superficie.

Il trattamento superficiale del PCB è un passaggio cruciale nel processo di produzione e assemblaggio del PCB, poiché svolge due funzioni principali: proteggere i circuiti in rame esposti e fornire una superficie saldabile per il collegamento dei componenti al PCB. Il trattamento superficiale si trova sullo strato più esterno del PCB, sopra gli strati di rame, fungendo da “rivestimento” per il rame.

Tipi di trattamento superficiale del PCB

Livellamento della saldatura ad aria calda (HASL)
Stagnatura (stagno per immersione)
Nichel elettrolitico Immersion Gold (ENIG)
Conservanti organici per saldabilità (OSP)
Argento per immersione (ImAg)
Nichel chimico Oro per immersione al palladio chimico (ENEPIG)
Oro duro (oro duro elettrolitico)

Processi di trattamento superficiale dei PCB

Livellamento della saldatura ad aria calda (HASL)

HASL è uno dei metodi di trattamento superficiale più comunemente utilizzati nel settore. È disponibile in due tipi: uno con piombo-stagno e uno senza. HASL è anche uno dei tipi di trattamento superficiale PCB più economici disponibili.

Per ottenere una superficie HASL liscia, la scheda del circuito viene immersa in una lega di saldatura fusa (stagno/piombo), che copre tutte le superfici di rame esposte sulla scheda. Dopo aver lasciato la saldatura fusa, aria calda ad alta pressione viene soffiata sulla superficie attraverso una lama d'aria, che leviga i depositi di saldatura e rimuove la saldatura in eccesso dalla superficie del circuito.

I parametri importanti da controllare durante questo processo includono la temperatura di saldatura, la temperatura della lama d'aria, la pressione della lama d'aria, il tempo di immersione, la velocità di sollevamento e altro ancora.

Vantaggi dell'HASL:

• Fornitura abbondante
• Rilavorabile
• Eccellente durata
• Saldabilità eccezionale
• Economico/a basso costo
• Consente una finestra di elaborazione più ampia
• Tempo di conservazione più lungo
• Dopo il completamento del PCB, i pad vengono completamente ricoperti di stagno prima della saldatura
• Adatto per saldatura senza piombo
• Scelta matura del trattamento superficiale
• Consente l'ispezione visiva e le misurazioni elettriche

Svantaggi dell'HASL:

• Superficie irregolare
• Non adatto per tono fine
• Contiene piombo (HASL)
• Shock termico
• Ponti di saldatura
• PTH intasato o ridotto (foro passante placcato)
• Differenze di spessore/aspetto tra cuscinetti grandi e piccoli
• Non adatto per SMD e BGA inferiori a 2000 milionesimi di pollice
• Non adatto per prodotti HDI
• Non adatto per il wire bonding

Stagnatura (stagno per immersione)

Lo stagno per immersione (ImSn) è una finitura metallica depositata mediante una reazione di spostamento chimico direttamente sul metallo di base di un circuito stampato, che è rame. ISn protegge il rame sottostante dall'ossidazione entro la durata di conservazione prevista. Poiché tutte le saldature sono a base di stagno, lo strato di stagno può corrispondere a qualsiasi tipo di saldatura.

Aggiungendo additivi organici alla soluzione di immersione nello stagno, la struttura dello strato di stagno diventa granulare, superando i problemi dei filamenti di stagno e della migrazione dello stagno, possedendo anche una buona stabilità termica e saldabilità. Il processo di immersione nello stagno può formare un composto intermetallico piatto rame-stagno, conferendogli una buona saldabilità, senza problemi di planarità e di diffusione dei composti intermetallici.

Vantaggi della stagnatura:

• Eccellente planarità (adatto per SMT), adatto per componenti a passo fine/BGA/piccoli
• Tecnologia di trattamento superficiale senza piombo a medio costo
• Pulizia di pressatura adeguata
• Mantiene una buona saldabilità dopo molteplici escursioni termiche
• Adatto per linee di produzione orizzontali
• Adatto per lavorazione di geometrie fini, assemblaggio senza piombo

Svantaggi della stagnatura:

• Sensibile alla manipolazione
• Breve durata, baffi di stagno dopo 6 mesi
• Corrosivo per gli strati della maschera di saldatura
• Non consigliato per l'uso con maschere staccabili
• Non è una scelta adatta per gli interruttori tattili
• I test elettrici richiedono una configurazione speciale (atterraggio morbido della sonda)

Nichel elettrolitico Immersion Gold (ENIG)

Il trattamento superficiale ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) è sempre stato l'opzione migliore per superfici a passo fine (piatte) e opzioni senza piombo.
L'ENIG è un processo in due fasi, che ricopre un sottile strato di nichel sopra lo strato di rame e poi lo ricopre con un sottile strato d'oro. Il nichel funge da barriera per il rame ed è la superficie su cui vengono effettivamente saldati i componenti, mentre l'oro protegge il nichel durante lo stoccaggio.

Nichel elettrolitico Immersion Gold (ENIG)

Lo spessore dello strato interno di Ni è generalmente di 3-6μm, mentre lo spessore dello strato esterno di Au è generalmente di 0.05-0.1μm.

Il Ni forma uno strato barriera tra la saldatura e il rame.

Il ruolo dell'Au è quello di prevenire l'ossidazione del Ni durante lo stoccaggio, prolungando così la durata di conservazione, ma il processo di placcatura in oro produce anche un'eccellente planarità superficiale.

Il flusso di elaborazione di ENIG è il seguente: Pulizia -> Acquaforte -> Catalizzatore -> Nichel chimico -> Placcatura in oro -> Pulizia dei residui

Anche se questo processo di rivestimento ha una lunga durata ed è vantaggioso per la galvanica dei fori passanti, è un processo complesso e costoso che non è rilavorabile ed è noto per causare perdite nei circuiti RF del segnale.

Vantaggi dell'ENIG:

Superficie piana
Senza piombo
Adatto per PTH (foro passante placcato)
durata lunga

Svantaggi dell'ENIG:

Costoso
Non rilavorabile
Cuscinetto nero/nichel nero
Danni da alieni
Perdita di segnale (RF)
Processo complesso

Conservanti organici per saldabilità (OSP)

Gli OSP (preservanti organici per la saldabilità) o agenti anticorrosione vengono generalmente applicati al rame esposto utilizzando un processo a nastro trasportatore, proteggendo la superficie del rame dall'ossidazione con uno strato molto sottile di materiale.

Questa pellicola deve avere proprietà quali antiossidazione, resistenza agli shock termici e resistenza all'umidità per proteggere la superficie del rame dalla ruggine (ossidazione o solforazione, ecc.) in condizioni normali.

Tuttavia, durante la successiva saldatura ad alta temperatura, questa pellicola protettiva deve essere rimossa facilmente e rapidamente dal flusso per consentire alla superficie di rame pulita di legarsi immediatamente con la saldatura fusa, formando un giunto resistente in un tempo molto breve.

In altre parole, l’OSP funge da barriera tra il rame e l’aria.

Il processo generale di OSP è: sgrassaggio -> microincisione -> lavaggio acido -> risciacquo con acqua pura -> rivestimento organico -> pulizia.

Vantaggi dell'OSP:

• Superficie piana
• Processo semplice, superficie molto liscia, adatta per saldatura senza piombo e SMT
• Rilavorabile, adatto per linee di produzione orizzontali
• Economicamente vantaggioso
• Ecologico

Svantaggi dell'OSP:

• Lo spessore non può essere misurato
• Non adatto per PTH (foro passante placcato)
• Breve durata di conservazione
• Può causare problemi ICT
• Rame esposto all'assemblaggio finale
• Elaborazione sensibile
• Non può essere saldato (rielaborato) più di due volte
• Non adatto alla tecnologia press-fit e alla legatura a filo
• Scomodo per test visivi ed elettrici

Argento per immersione (ImAg)

L'argento per immersione viene applicato ai PCB in rame immergendoli in un serbatoio di ioni d'argento utilizzando un trattamento superficiale chimico non elettrolitico. È la scelta ideale per i circuiti stampati con schermatura EMI e viene utilizzato anche nelle apparecchiature di comunicazione.

Questo metodo è particolarmente adatto per circuiti con frequenze di microonde e linee di trasmissione.

L'immersione in argento fornisce una superficie piana, saldabile ed eccellenti proprietà elettriche. Il processo di immersione in argento può essere utilizzato su un'ampia varietà di circuiti stampati, inclusi circuiti stampati rigidi e flessibili.

Il processo generale di immersione dell'argento è: sgrassaggio -> micro-incisione -> deposizione dell'argento -> risciacquo.

Vantaggi dell'argento ad immersione:

• Adatto per passo fine
• Adatto per linee di produzione orizzontali
• Buono per l'assemblaggio senza piombo, buona saldabilità e adatto per SMT
• Pianura
• Lunga durata, ideale per pannelli fronte-retro, rilegatura a filo, adatto per ICT
• Ottimo nel mantenere la qualità del segnale nei circuiti ad alta frequenza

Svantaggi dell'argento ad immersione:

• Breve durata di conservazione, difficile da conservare (punti neri, richiede confezionamento sottovuoto)
• Smaltimento chimico
• Ossidazione durante lo stoccaggio
• Sensibile alla manipolazione
• Formazione di Ag3Sn
• Costoso
• Non adatto per interruttori touch e maschere pelabili
• Non adatto per l'incollaggio di fili d'oro
• I test ICT possono causare un malfunzionamento
• Difficoltà di controllo del processo

Nichel chimico Oro per immersione al palladio chimico (ENEPIG)

ENEPIG è un processo complesso che coinvolge tre strati: nichel, palladio e oro, fornendo eccellente conduttività e protezione.

Il flusso di lavorazione di ENEPIG è: Pulitura -> Acquaforte -> Catalizzatore -> Nichel chimico -> Palladio -> Placcatura in oro -> Pulitura residui

ENEPIG è il trattamento superficiale più adatto per prodotti ad alta affidabilità e ad alta velocità, dove la planarità, l'elevata resistenza al rame e le buone proprietà anticorrosive sono particolarmente importanti.

Vantaggi dell'ENEPIG:

Eccellente per l'incollaggio di fili
Adatto per passo fine e piccole parti
Adatto per l'incollaggio di fili d'oro
Buono per PTH
Ottimo per la tecnologia press-fit e il wire bonding
Adatto per test ICT ed elettrici
durata lunga
Senza piombo

Svantaggi di ENEPIG:

Costo alto
Non adatto per interruttori touch
I test ICT possono causare un malfunzionamento
Richiede un ambiente di produzione stabile
Non adatto per la saldatura ad onda

Oro duro (oro duro elettrolitico)

L'oro duro è un tipo di trattamento superficiale del PCB che utilizza uno strato di oro legato con una piccola quantità di altri metalli per aumentarne la durata. Questo processo prevede la placcatura galvanica di uno strato d'oro sulla superficie del PCB, che viene poi rivestito con uno strato di nichel elettrolitico per aumentarne la durezza e la resistenza all'usura.

L'oro duro è comunemente utilizzato in applicazioni in cui il PCB sarà soggetto a ripetuti inserimenti e rimozioni, come nei connettori e negli interruttori. Il rivestimento in oro duro aiuta a prevenire l'usura dell'oro nel tempo, garantendo collegamenti elettrici affidabili.

Vantaggi dell'oro duro:

Eccellente durata e resistenza all'usura
Adatto per applicazioni che richiedono inserimenti e rimozioni ripetuti
Buono per applicazioni ad alta affidabilità
Adatto per test ICT ed elettrici
Adatto per la tecnologia press-fit e il wire bonding
Adatto per passo fine e piccole parti

Svantaggi dell'oro duro:

Costo alto
Non adatto per la saldatura ad onda
Non adatto per interruttori touch
Gamma di spessori limitata

Come scegliere la finitura superficiale del PCB?

La scelta della finitura superficiale per i PCB è una delle fasi più critiche nella produzione di PCB , poiché incide direttamente sulla resa del processo, sulla quantità di rilavorazioni, sul tasso di guasti in loco, sulla testabilità, sul tasso di scarto e sui costi. Per garantire elevata qualità e prestazioni del prodotto finale, nella scelta della levigatezza superficiale è necessario tenere conto di tutte le considerazioni importanti relative all'assemblaggio.

Utilizza questo articolo per confrontare diverse opzioni di finitura in base a costi, durata, planarità e requisiti di assemblaggio. Se la scelta riguarda principalmente la finitura HASL o ENIG, consulta il confronto tra HASL e ENIG ; per informazioni su capacità produttiva e preventivi, consulta la sezione "Selezione della finitura superficiale del PCB".

Finitura superficiale PCB

Planarità del pad di saldatura Come accennato in precedenza, alcune finiture superficiali possono portare a superfici irregolari, che possono influire sulle prestazioni, sulla saldabilità e su altri fattori. Se la planarità è un fattore critico, considerare finiture superficiali con strati sottili e uniformi. In questo caso, le opzioni adatte includono ENIG, ENEPIG e OSP.

Saldabilità e bagnabilità

La saldabilità è sempre un fattore chiave quando si utilizzano i PCB. È stato dimostrato che alcune finiture superficiali, come OSP ed ENEPIG, ostacolano la saldabilità, mentre altre, come HASL, risultano più adatte.

Incollaggio di fili in oro o alluminio

Se il tuo PCB richiede collegamenti con fili d'oro o di alluminio, potresti essere limitato ai modelli ENIG e ENEPIG.

Condizioni di archiviazione

Come accennato in precedenza, alcune finiture superficiali (come l'OSP) possono rendere fragile il PCB durante la lavorazione, mentre altre ne aumentano la durata. I requisiti di stoccaggio e movimentazione dovrebbero essere considerati in anticipo e le finiture superficiali che rendono fragile il PCB dovrebbero essere utilizzate solo quando i requisiti di stoccaggio e movimentazione possono essere soddisfatti senza rischi.

Cicli di saldatura

Quante volte il PCB verrà saldato e rielaborato? Molte finiture superficiali sono ideali per la rilavorazione. Tuttavia, altri metodi come l'immersione nello stagno non sono adatti alla rilavorazione.

Finitura superficiale PCB: conformità RoHS

Il rispetto della direttiva RoHS è fondamentale per determinare la finitura superficiale da utilizzare. In genere, tutte le finiture superficiali che utilizzano il piombo non sono idonee alla conformità RoHS e dovrebbero essere evitate.

A seconda dei requisiti e delle caratteristiche specifici del tuo prodotto PCB, puoi utilizzare questa tabella per selezionare l'opzione di finitura superficiale perfetta.

Conclusione

La scelta del tipo di finitura superficiale per ottenere una superficie liscia deve essere ottimale per assolvere alle diverse funzioni. Ogni tipo di trattamento superficiale presenta vantaggi e svantaggi specifici. Esistono diverse tecniche ingegneristiche per ovviare ai problemi causati dalle carenze di levigatezza superficiale. Ad esempio, per la bassa forza di bagnatura dell'OSP , esistono soluzioni come la modifica della placcatura del circuito stampato o della lega di saldatura a onda, l'aumento del preriscaldamento della superficie superiore e così via. La chiave è considerare tutti i fattori possibili per raggiungere le prestazioni desiderate.