Przewodnik po wykończeniu powierzchni PCB dla 7 popularnych opcji

Co to jest obróbka powierzchni PCB?

Obróbka powierzchni PCB odnosi się do metalowego połączenia między gołą miedzią płytki drukowanej a lutowalnym obszarem komponentów. Płytka drukowana ma powierzchnię miedzi bazowej, która bez powłoki ochronnej jest podatna na utlenianie, stąd potrzeba czystości powierzchni.

Obróbka powierzchni PCB jest kluczowym etapem w procesie produkcji i montażu PCB, pełniącym dwie główne funkcje: ochronę odsłoniętych obwodów miedzianych i zapewnienie lutowalnej powierzchni dla komponentów do przymocowania do PCB. Obróbka powierzchni znajduje się na najbardziej zewnętrznej warstwie PCB, nad warstwami miedzi, działając jako „powłoka” dla miedzi.

Rodzaje obróbki powierzchni PCB

Poziomowanie gorącym powietrzem (HASL)
Cynowanie (cynowanie zanurzeniowe)
Bezprądowe niklowe złoto zanurzeniowe (ENIG)
Organiczne środki konserwujące ułatwiające lutowanie (OSP)
Srebro zanurzeniowe (ImAg)
Bezprądowy niklowy bezprądowy palladowy złoty (ENEPIG)
Twarde złoto (elektrolityczne twarde złoto)

Procesy obróbki powierzchni PCB

Poziomowanie gorącym powietrzem (HASL)

HASL jest jedną z najczęściej stosowanych metod obróbki powierzchni w przemyśle. Występuje w dwóch typach: z ołowiem i cyną oraz bez. HASL jest również jednym z najtańszych dostępnych typów obróbki powierzchni PCB.

Aby uzyskać gładką powierzchnię HASL, płytka drukowana jest zanurzana w stopionym lutowiu (cyna/ołów), pokrywając wszystkie odsłonięte powierzchnie miedziane na płytce. Po opuszczeniu stopionego lutu, gorące powietrze pod wysokim ciśnieniem jest wdmuchiwane na powierzchnię przez nóż powietrzny, co wygładza osady lutu i usuwa nadmiar lutu z powierzchni płytki drukowanej.

Ważnymi parametrami, które należy kontrolować w trakcie tego procesu, są temperatura lutowania, temperatura noża powietrznego, ciśnienie noża powietrznego, czas zanurzenia, prędkość odrywania i inne.

Zalety HASL:

• Obfite zaopatrzenie
• Możliwość ponownej obróbki
• Doskonała trwałość
• Wyjątkowa lutowalność
• Niedrogi/niski koszt
• Umożliwia większe okno przetwarzania
• Dłuższy czas przechowywania
• Po zakończeniu prac nad PCB, pady są całkowicie pokrywane cyną przed lutowaniem
• Nadaje się do lutowania bezołowiowego
• Wybór dojrzałej obróbki powierzchni
• Umożliwia przeprowadzenie kontroli wizualnej i pomiarów elektrycznych

Wady HASL:

• Nierówna powierzchnia
• Nie nadaje się do drobnego skoku
• Zawiera ołów (HASL)
• Szok termiczny
• Mostkowanie lutownicze
• Zatkany lub zredukowany PTH (otwór przelotowy)
• Różnice w grubości/wyglądzie pomiędzy dużymi i małymi podkładkami
• Nie nadaje się do układów SMD i BGA mniejszych niż 2000 milionowych części cala
• Nie nadaje się do produktów HDI
• Nie nadaje się do łączenia drutem

Cynowanie (cynowanie zanurzeniowe)

Cyna zanurzeniowa (ImSn) to powłoka metalowa nakładana przez reakcję chemicznego przemieszczania bezpośrednio na metal bazowy płytki drukowanej, którym jest miedź. ISn chroni leżącą pod spodem miedź przed utlenianiem w oczekiwanym okresie trwałości. Ponieważ wszystkie luty są na bazie cyny, warstwa cyny może pasować do każdego rodzaju lutu.

Dodanie organicznych dodatków do roztworu zanurzeniowego w cynie powoduje, że struktura warstwy cyny staje się ziarnista, co pozwala uniknąć problemów z wąsami cynowymi i migracją cyny, a jednocześnie zapewnia dobrą stabilność termiczną i lutowalność. Proces zanurzania w cynie może spowodować powstanie płaskiego związku międzymetalicznego miedzi i cyny, co zapewnia dobrą lutowalność, bez płaskości i problemów z dyfuzją związku międzymetalicznego.

Zalety cynowania:

• Doskonała płaskość (nadaje się do montażu powierzchniowego SMT), odpowiednia do małych elementów/BGA/małych komponentów
• Średnio kosztowna technologia obróbki powierzchni bez użycia ołowiu
• Odpowiednia czystość prasowania
• Zachowuje dobrą lutowalność po wielokrotnych wahaniach temperatury
• Nadaje się do poziomych linii produkcyjnych
• Nadaje się do obróbki precyzyjnej geometrii, montaż bez zawartości ołowiu

Wady cynowania:

• Wrażliwy na obsługę
• Krótki okres przydatności do spożycia, blaszane wąsy po 6 miesiącach
• Żrący dla warstw maski lutowniczej
• Nie zaleca się stosowania z maskami zrywalnymi
• Nie jest to odpowiedni wybór dla przełączników dotykowych
• Testy elektryczne wymagają specjalnej konfiguracji (miękkie lądowanie sondy)

Bezprądowe niklowe złoto zanurzeniowe (ENIG)

Obróbka powierzchni metodą ENIG (bezprądowe niklowanie zanurzeniowe złotem) zawsze była najlepszym wyborem w przypadku powierzchni o małej podziałce (płaskich) i opcji bezołowiowych.
ENIG to dwuetapowy proces, polegający na pokryciu cienkiej warstwy niklu warstwą miedzi, a następnie pokryciu jej cienką warstwą złota. Nikiel działa jako bariera dla miedzi i jest powierzchnią, do której elementy są faktycznie lutowane, podczas gdy złoto chroni nikiel podczas przechowywania.

Bezprądowe niklowe złoto zanurzeniowe (ENIG)

Grubość wewnętrznej warstwy Ni wynosi na ogół 3-6 μm, a grubość zewnętrznej warstwy Au wynosi na ogół 0.05-0.1 μm.

Ni tworzy warstwę barierową pomiędzy lutem i miedzią.

Rolą Au jest zapobieganie utlenianiu Ni w trakcie przechowywania, co wydłuża okres przydatności do użycia, ale proces złocenia zapewnia również doskonałą płaskość powierzchni.

Przebieg procesu ENIG jest następujący: Czyszczenie -> Trawienie -> Katalizator -> Nikiel bezprądowy -> Złocenie -> Czyszczenie pozostałości

Chociaż proces powlekania ma długą trwałość i jest korzystny w przypadku galwanizacji otworów przelotowych, jest to proces złożony, kosztowny i niemożliwy do powtórzenia, a ponadto powoduje on straty w sygnałach obwodów RF.

Zalety ENIG:

Płaska powierzchnia
Bez ołowiu
Nadaje się do PTH (otwór przelotowy)
Długi okres trwałości

Wady ENIG:

Drogi
Nie można przerobić
Czarny pad/czarny nikiel
Uszkodzenia spowodowane przez kosmitów
Utrata sygnału (RF)
Złożony proces

Organiczne środki konserwujące ułatwiające lutowanie (OSP)

OSP (organiczne środki konserwujące lutowność) lub środki antykorozyjne są zazwyczaj nakładane na odsłoniętą miedź za pomocą procesu taśmociągowego, chroniąc powierzchnię miedzi przed utlenianiem za pomocą bardzo cienkiej warstwy materiału.

Powłoka ta musi mieć właściwości takie jak: odporność na utlenianie, szok termiczny i wilgoć, aby chronić powierzchnię miedzi przed rdzewieniem (utlenianiem lub siarkowaniem itp.) w normalnych warunkach.

Jednakże podczas późniejszego lutowania w wysokiej temperaturze tę warstwę ochronną należy łatwo i szybko usunąć za pomocą topnika, aby umożliwić natychmiastowe połączenie czystej powierzchni miedzi z roztopionym lutem, tworząc w bardzo krótkim czasie mocne połączenie.

Innymi słowy, OSP działa jak bariera pomiędzy miedzią a powietrzem.

Ogólny proces OSP wygląda następująco: odtłuszczanie -> mikrotrawienie -> mycie kwasem -> płukanie czystą wodą -> powlekanie organiczne -> czyszczenie.

Zalety OSP:

• Płaska powierzchnia
• Prosty proces, bardzo gładka powierzchnia, nadaje się do lutowania bezołowiowego i montażu SMT
• Możliwość ponownej obróbki, odpowiednia do poziomych linii produkcyjnych
• Opłacalność
• Przyjazny dla środowiska

Wady OSP:

• Grubości nie można zmierzyć
• Nie nadaje się do PTH (otworów przelotowych)
• Krótki okres trwałości
• Może powodować problemy z ICT
• Odsłonięta miedź podczas montażu końcowego
• Przetwarzanie wrażliwe
• Nie można lutować (przerabiać) więcej niż dwa razy
• Nie nadaje się do technologii prasowania i łączenia drutem.
• Niewygodny do testów wizualnych i elektrycznych

Srebro zanurzeniowe (ImAg)

Srebro immersyjne jest nakładane na miedziane PCB poprzez zanurzenie ich w zbiorniku z jonami srebra przy użyciu nieelektrolitycznej chemicznej obróbki powierzchni. Jest to idealny wybór dla płytek drukowanych z ekranowaniem EMI i jest również stosowane w sprzęcie komunikacyjnym.

Metoda ta jest szczególnie przydatna w przypadku obwodów z częstotliwościami mikrofalowymi i liniami transmisyjnymi.

Zanurzenie w srebrze zapewnia płaską, lutowalną powierzchnię i doskonałe właściwości elektryczne. Proces zanurzenia w srebrze można stosować na wielu różnych płytkach drukowanych, w tym sztywnych i elastycznych płytkach drukowanych.

Ogólny proces zanurzania w srebrze wygląda następująco: odtłuszczanie -> mikrotrawienie -> osadzanie srebra -> płukanie.

Zalety immersji srebra:

• Nadaje się do drobnego skoku
• Nadaje się do poziomych linii produkcyjnych
• Nadaje się do montażu bezołowiowego, dobrze lutowalny i nadaje się do montażu powierzchniowego SMT
• Płaskość
• Długi okres trwałości, nadaje się do płytek dwustronnych, oprawy drutowej, nadaje się do zastosowań w ICT
• Dobrze zachowuje jakość sygnału w obwodach o wysokiej częstotliwości

Wady srebrze zanurzeniowego:

• Krótki termin przydatności, trudne przechowywanie (czarne plamy, wymaga pakowania próżniowego)
• Utylizacja chemiczna
• Utlenianie podczas przechowywania
• Wrażliwy na obsługę
• Tworzenie Ag3Sn
• Drogi
• Nie nadaje się do przełączników dotykowych i masek odklejanych
• Nie nadaje się do łączenia drutem złotym
• Testowanie ICT może spowodować awarię
• Trudności w kontroli procesu

Bezprądowy niklowy bezprądowy palladowy złoty (ENEPIG)

ENEPIG to złożony proces obejmujący trzy warstwy: niklu, palladu i złota, zapewniający doskonałą przewodność i ochronę.

Przebieg procesu ENEPIG jest następujący: Czyszczenie -> Trawienie -> Katalizator -> Nikiel bezprądowy -> Pallad -> Złocenie -> Czyszczenie pozostałości

ENEPIG to powłoka powierzchniowa najbardziej odpowiednia do produktów o wysokiej niezawodności i dużej prędkości, w których płaskość, wysoka odporność miedzi i dobre właściwości antykorozyjne są szczególnie ważne.

Zalety ENEPIG:

Doskonale nadaje się do łączenia drutowego
Nadaje się do małych skoków i małych części
Nadaje się do łączenia drutem złotym
Dobre dla PTH
Nadaje się do technologii prasowania wciskowego i łączenia drutowego
Nadaje się do testów ICT i elektrycznych
Długi okres trwałości
Bez ołowiu

Wady ENEPIG:

Wysoki koszt
Nie nadaje się do przełączników dotykowych
Testowanie ICT może spowodować awarię
Wymaga stabilnego środowiska produkcyjnego
Nie nadaje się do lutowania falowego

Twarde złoto (elektrolityczne twarde złoto)

Twarde złoto to rodzaj obróbki powierzchni PCB, który wykorzystuje warstwę złota stopioną z niewielką ilością innych metali w celu zwiększenia jej trwałości. Proces ten obejmuje galwanizację warstwy złota na powierzchni PCB, która jest następnie powlekana warstwą niklu elektrolitycznego w celu zwiększenia jej twardości i odporności na zużycie.

Twarde złoto jest powszechnie stosowane w zastosowaniach, w których PCB będzie poddawane wielokrotnym wkładanym i wyjmowanym elementom, takim jak złącza i przełączniki. Twarda powłoka złota pomaga zapobiegać zużyciu złota z upływem czasu, zapewniając niezawodne połączenia elektryczne.

Zalety twardego złota:

Doskonała trwałość i odporność na zużycie
Nadaje się do zastosowań wymagających wielokrotnego wkładania i wyjmowania
Dobre do zastosowań wymagających wysokiej niezawodności
Nadaje się do testów ICT i elektrycznych
Nadaje się do technologii prasowania wciskowego i łączenia drutowego
Nadaje się do małych skoków i małych części

Wady twardego złota:

Wysoki koszt
Nie nadaje się do lutowania falowego
Nie nadaje się do przełączników dotykowych
Ograniczony zakres grubości

Jak wybrać wykończenie powierzchni PCB?

Wybór wykończenia powierzchni płytek PCB jest jednym z najważniejszych etapów produkcji , ponieważ bezpośrednio wpływa na wydajność procesu, liczbę poprawek, wskaźnik awaryjności na miejscu, testowalność, wskaźnik braków oraz koszty. Aby zapewnić wysoką jakość i wydajność produktu końcowego, przy wyborze gładkości powierzchni należy uwzględnić wszystkie istotne kwestie związane z montażem.

Skorzystaj z tego artykułu, porównując różne opcje wykończenia pod kątem kosztów, trwałości, płaskości i potrzeb montażowych. Jeśli decyzja dotyczy głównie HASL i ENIG, zapoznaj się z porównaniem HASL i ENIG ; aby uzyskać informacje o możliwościach produkcyjnych i wycenie, skorzystaj z informacji o wyborze wykończenia powierzchni PCB.

Wykończenie powierzchni PCB

Płaskość podkładki lutowniczej Jak wspomniano wcześniej, niektóre wykończenia powierzchni mogą prowadzić do nierównych powierzchni, co może mieć wpływ na wydajność, lutowalność i inne czynniki. Jeśli płaskość jest czynnikiem krytycznym, należy rozważyć wykończenia powierzchni cienkimi i jednolitymi warstwami. W takim przypadku odpowiednie opcje obejmują ENIG, ENEPIG i OSP.

Lutowalność i zwilżalność

Lutowalność jest zawsze kluczowym czynnikiem przy stosowaniu płytek PCB. Wykazano, że niektóre wykończenia powierzchni, takie jak OSP i ENEPIG, utrudniają lutowanie, podczas gdy inne, takie jak HASL, są bardziej odpowiednie.

Łączenie drutem złotym lub aluminiowym

Jeśli Twoja płytka PCB wymaga połączeń drutem złotym lub aluminiowym, możesz być ograniczony do ENIG i ENEPIG.

Warunki przechowywania

Jak wspomniano wcześniej, niektóre wykończenia powierzchni (takie jak OSP) mogą sprawić, że PCB stanie się kruche podczas przetwarzania, podczas gdy inne zwiększają trwałość. Wymagania dotyczące przechowywania i obsługi należy rozważyć z wyprzedzeniem, a wykończenia powierzchni, które sprawiają, że PCB staje się kruche, należy stosować tylko wtedy, gdy wymagania dotyczące przechowywania i obsługi można spełnić bez ryzyka.

Cykle lutowania

Ile razy PCB będzie lutowana i przerabiana? Wiele wykończeń powierzchni jest idealnych do przeróbek. Jednak inne metody, takie jak zanurzanie w cynie, nie nadają się do przeróbek.

Wykończenie powierzchni PCB — zgodność z dyrektywą RoHS

Zgodność z dyrektywą RoHS ma kluczowe znaczenie przy wyborze wykończenia powierzchni. Zazwyczaj wszystkie wykończenia powierzchni zawierające ołów nie spełniają wymogów RoHS i należy ich unikać.

W zależności od konkretnych wymagań i właściwości Twojego produktu PCB, możesz użyć tej tabeli, aby wybrać idealną opcję wykończenia powierzchni.

Wniosek

Wybór rodzaju wykończenia powierzchni w celu uzyskania jej gładkości musi być optymalny, aby spełniał on różne funkcje. Każdy rodzaj obróbki powierzchni ma swoje zalety i wady. Istnieją pewne techniki inżynieryjne pozwalające rozwiązać problemy wynikające z niedostatków gładkości powierzchni. Na przykład, w przypadku niskiej siły zwilżania OSP , istnieją rozwiązania takie jak zmiana powłoki płytki lub stopu lutowniczego do lutowania falowego, zwiększenie wstępnego podgrzewania górnej części płytki itd. Kluczem jest uwzględnienie wszystkich możliwych czynników, aby osiągnąć pożądaną wydajność.