Руководство по финишной обработке поверхности печатных плат для 7 распространенных вариантов.

Что такое обработка поверхности печатной платы?

Обработка поверхности печатной платы относится к металлическому соединению между голой медью печатной платы и областью пайки компонентов. Печатная плата имеет медную поверхность, которая без защитного покрытия склонна к окислению, отсюда и необходимость чистоты поверхности.

Обработка поверхности печатной платы — важнейший этап в процессе производства и сборки печатной платы, выполняющий две основные функции: защита открытых медных цепей и обеспечение поверхности, пригодной для пайки, для крепления компонентов к печатной плате. Поверхностная обработка осуществляется на самом внешнем слое печатной платы, над медными слоями, действуя как «покрытие» для меди.

Виды обработки поверхности печатной платы

Выравнивание припоя горячим воздухом (HASL)
Лужение (погружное олово)
Золото с иммерсионным никелем (ENIG)
Органические консерванты паяемости (OSP)
Иммерсионное серебро (ImAg)
Иммерсионное золото палладия без химического нанесения на никель (ENEPIG)
Твердое золото (электролитическое твердое золото)

Процессы обработки поверхности печатных плат

Выравнивание припоя горячим воздухом (HASL)

HASL — один из наиболее часто используемых методов обработки поверхности в промышленности. Он бывает двух типов: со свинцово-оловянным покрытием и без него. HASL также является одним из самых дешевых доступных типов обработки поверхности печатных плат.

Чтобы добиться гладкой поверхности HASL, печатную плату погружают в расплавленный припой (олово/свинец), покрывая все открытые медные поверхности на плате. После выхода расплавленного припоя по поверхности обдувается горячий воздух под высоким давлением через воздушный нож, который разглаживает отложения припоя и удаляет излишки припоя с поверхности печатной платы.

Важные параметры, которые необходимо контролировать во время этого процесса, включают температуру пайки, температуру воздушного ножа, давление воздушного ножа, время погружения, скорость отрыва и многое другое.

Преимущества HASL:

• Обильный запас
• Перерабатываемый
• Отличный срок годности
• Превосходная паяемость
• Недорогой/низкая стоимость
• Позволяет увеличить окно обработки
• Более длительный срок хранения
• После завершения сборки печатной платы площадки перед пайкой полностью покрываются оловом.
• Подходит для бессвинцовой пайки.
• Продуманный выбор обработки поверхности
• Позволяет осуществлять визуальный осмотр и электрические измерения.

Недостатки HASL:

• Неровная поверхность
• Не подходит для мелкого шага
• Содержит свинец (HASL)
• Тепловой удар
• Перемычка припоя
• Засорен или снижен уровень ПТГ (сквозное отверстие с металлизацией)
• Различия в толщине/внешнем виде между большими и маленькими подушечками
• Не подходит для SMD и BGA размером менее 2000 миллионных дюйма.
• Не подходит для продуктов HDI.
• Не подходит для склеивания проводов.

Лужение (погружное олово)

Иммерсионное олово (ImSn) — это металлическое покрытие, наносимое в результате реакции химического замещения непосредственно на основной металл печатной платы, которым является медь. ISN защищает лежащую под ним медь от окисления в течение ожидаемого срока годности. Поскольку все припои изготовлены на основе олова, слой олова может соответствовать любому типу припоя.

Путем добавления органических добавок в иммерсионный раствор олова структура слоя олова становится зернистой, устраняя проблемы оловянных усов и миграции олова, а также обладая хорошей термической стабильностью и паяемостью. Процесс иммерсионного олова может образовывать плоское интерметаллическое соединение медь-олово. придавая ему хорошую паяемость, без проблем с плоскостностью и диффузией интерметаллических соединений.

Преимущества лужения:

• Отличная плоскостность (подходит для поверхностного монтажа), подходит для компонентов с мелким шагом/BGA/маленьких компонентов.
• Среднезатратная технология обработки поверхности без использования свинца
• Соответствующая чистота прессования
• Сохраняет хорошую паяемость после многочисленных температурных отклонений.
• Подходит для горизонтальных производственных линий.
• Подходит для точной геометрической обработки, бессвинцовая сборка.

Недостатки лужения:

• Чувствителен к обращению
• Короткий срок хранения, жестяные усы через 6 месяцев.
• Разъедает слои паяльной маски.
• Не рекомендуется использовать с отслаивающимися масками.
• Неподходящий выбор для сенсорных выключателей.
• Электрические испытания требуют специальной настройки (мягкая посадка щупа)

Золото с иммерсионным никелем (ENIG)

Обработка поверхности ENIG (электрохимическое никель-погружение золотом) всегда была лучшим вариантом для поверхностей с мелким шагом (плоских) и вариантов, не содержащих свинец.
ENIG — это двухэтапный процесс: поверх слоя меди наносится тонкий слой никеля, а затем тонкий слой золота. Никель действует как барьер для меди и представляет собой поверхность, к которой фактически припаиваются компоненты, а золото защищает никель во время хранения.

Золото с иммерсионным никелем (ENIG)

Толщина внутреннего слоя Ni обычно составляет 3–6 мкм, а толщина внешнего слоя Au обычно составляет 0.05–0.1 мкм.

Ni образует барьерный слой между припоем и медью.

Роль Au заключается в предотвращении окисления Ni во время хранения, тем самым продлевая срок хранения, но процесс золотого покрытия также обеспечивает превосходную плоскостность поверхности.

Процесс обработки ENIG выглядит следующим образом: Очистка -> Травление -> Катализатор -> Химическое никелирование -> Позолота -> Очистка от остатков.

Хотя этот процесс нанесения покрытия имеет длительный срок хранения и выгоден для гальваники сквозных отверстий, это сложный и дорогой процесс, который не поддается повторной обработке и, как известно, приводит к потерям в сигнальных радиочастотных цепях.

Преимущества ЭНИГ:

Плоская поверхность
Без свинца
Подходит для PTH (сквозное отверстие с металлическим покрытием)
Длительный срок хранения

Недостатки ЭНИГ:

Дорогостоящий
Не подлежит переработке
Черная колодка/черный никель
Урон от инопланетян
Потеря сигнала (РЧ)
Комплексный процесс

Органические консерванты паяемости (OSP)

OSP (органические консерванты для пайки) или антикоррозионные средства обычно наносятся на открытую медь с помощью конвейерной ленты, защищая медную поверхность от окисления очень тонким слоем материала.

Эта пленка должна обладать такими свойствами, как антиокислительная стойкость, термостойкость и влагостойкость, чтобы защитить медную поверхность от ржавления (окисления или сульфидирования и т. д.) в нормальных условиях.

Однако при последующей высокотемпературной пайке эта защитная пленка должна легко и быстро удаляться флюсом, чтобы чистая медная поверхность могла немедленно сцепиться с расплавленным припоем, образуя прочное соединение за очень короткое время.

Другими словами, OSP действует как барьер между медью и воздухом.

Общий процесс OSP: обезжиривание -> микротравление -> промывка кислотой -> промывка чистой водой -> органическое покрытие -> очистка.

Преимущества ОСП:

• Плоская поверхность
• Простой процесс, очень гладкая поверхность, подходит для бессвинцовой пайки и поверхностного монтажа.
• Поддается переработке, подходит для горизонтальных производственных линий.
• Экономичное
• Экологичность

Недостатки ОСП:

• Толщину невозможно измерить
• Не подходит для PTH (сквозное отверстие с металлизацией)
• Короткий срок хранения
• Может вызвать проблемы с ИКТ
• Открытая медь при окончательной сборке
• Чувствительная обработка
• Нельзя паять (переделывать) более двух раз.
• Не подходит для технологии запрессовки и проволочной обвязки.
• Неудобен для визуальных и электрических испытаний.

Иммерсионное серебро (ImAg)

Иммерсионное серебро наносится на медные печатные платы путем их погружения в резервуар с ионами серебра с использованием неэлектролитической химической обработки поверхности. Это идеальный выбор для печатных плат с защитой от электромагнитных помех, а также используется в коммуникационном оборудовании.

Этот метод особенно подходит для цепей с СВЧ-частотами и линий передачи.

Погружение в серебро обеспечивает плоскую паяемую поверхность и отличные электрические свойства. Процесс погружения в серебро можно использовать на самых разных печатных платах, включая жесткие и гибкие.

Общий процесс иммерсионного серебра: обезжиривание -> микротравление -> нанесение серебра -> промывка.

Преимущества иммерсионного серебра:

• Подходит для мелкого шага
• Подходит для горизонтальных производственных линий.
• Подходит для бессвинцовой сборки, хорошей паяемости и подходит для поверхностного монтажа.
• Плоскость
• Длительный срок хранения, подходит для двусторонних плат, проволочной обвязки, подходит для ИКТ.
• Хорошо сохраняет качество сигнала в высокочастотных цепях.

Недостатки иммерсионного серебра:

• Короткий срок годности, сложно хранить (черные пятна, требуется вакуумная упаковка)
• Химическая утилизация
• Окисление при хранении
• Чувствителен к обращению
• Образование Ag3Sn
• Дорогостоящий
• Не подходит для сенсорных выключателей и съемных масок.
• Не подходит для склеивания золотой проволоки.
• Тестирование ИКТ может привести к неисправности
• Трудности с контролем процесса

Иммерсионное золото палладия без химического нанесения на никель (ENEPIG)

ENEPIG — это сложный процесс, включающий три слоя: никель, палладий и золото, обеспечивающие превосходную проводимость и защиту.

Процесс обработки ENEPIG: Очистка -> Травление -> Катализатор -> Химический никель -> Палладий -> Позолота -> Очистка от остатков.

ENEPIG является наиболее подходящей обработкой поверхности для высоконадежных и высокоскоростных изделий, где особенно важны ее плоскостность, высокая стойкость к меди и хорошие антикоррозионные свойства.

Преимущества ЭНЕПИГ:

Отлично подходит для склеивания проводов
Подходит для мелкого шага и мелких деталей.
Подходит для склеивания золотой проволоки.
Хорошо для ПТГ
Подходит для технологии запрессовки и склеивания проводов.
Подходит для ИКТ и электрических испытаний.
Длительный срок хранения
Без свинца

Недостатки ЭНЕПИГ:

Высокая стоимость
Не подходит для сенсорных выключателей.
Тестирование ИКТ может привести к неисправности
Требуется стабильная производственная среда
Не подходит для пайки волной.

Твердое золото (электролитическое твердое золото)

Твердое золото — это тип обработки поверхности печатной платы, при котором используется слой золота, легированный небольшим количеством других металлов для повышения его долговечности. Этот процесс включает гальванопокрытие слоя золота на поверхность печатной платы, который затем покрывается слоем электролитического никеля для повышения его твердости и износостойкости.

Твердое золото обычно используется в приложениях, где печатная плата будет подвергаться повторным вставкам и извлечениям, например, в разъемах и переключателях. Твердое золотое покрытие предотвращает износ золота с течением времени, обеспечивая надежные электрические соединения.

Преимущества твердого золота:

Отличная долговечность и износостойкость
Подходит для приложений, требующих повторных вставок и удалений.
Подходит для приложений с высокой надежностью
Подходит для ИКТ и электрических испытаний.
Подходит для технологии запрессовки и склеивания проводов.
Подходит для мелкого шага и мелких деталей.

Недостатки твердого золота:

Высокая стоимость
Не подходит для пайки волной.
Не подходит для сенсорных выключателей.
Ограниченный диапазон толщины

Как выбрать отделку поверхности печатной платы?

Выбор типа обработки поверхности печатных плат является одним из наиболее важных этапов в производстве печатных плат , поскольку он напрямую влияет на выход годной продукции, количество доработок, процент отказов на месте, тестируемость, процент брака и стоимость. Для обеспечения высокого качества и производительности конечного продукта при выборе степени гладкости поверхности необходимо учитывать все важные аспекты сборки.

Используйте эту статью при сравнении различных вариантов отделки по таким параметрам, как стоимость, срок хранения, плоскостность и требования к сборке. Если выбор сводится в основном к сравнению HASL и ENIG, ознакомьтесь со сравнением HASL и ENIG ; для получения информации о производственных возможностях и примечаний к ценовому предложению используйте раздел «Выбор отделки поверхности печатной платы».

Обработка поверхности печатной платы

Плоскость припойной площадки Как упоминалось ранее, некоторые виды обработки поверхности могут привести к неровным поверхностям, что может повлиять на производительность, паяемость и другие факторы. Если плоскостность является решающим фактором, рассмотрите возможность отделки поверхности тонкими и равномерными слоями. В этом случае подходящие варианты включают ENIG, ENEPIG и OSP.

Паяемость и смачивание

Пайка всегда является ключевым фактором при работе с печатными платами. Было показано, что определенные покрытия поверхности, такие как OSP и ENEPIG, ухудшают паяемость, в то время как другие, например HASL, более подходят.

Склеивание золотой или алюминиевой проволоки

Если для вашей печатной платы требуется соединение золотой или алюминиевой проволокой, вам, возможно, придётся использовать только ENIG и ENEPIG.

Условия хранения

Как упоминалось ранее, некоторые виды обработки поверхности (например, OSP) могут сделать печатную плату хрупкой во время обработки, в то время как другие повышают долговечность. Требования к хранению и обращению следует учитывать заранее, а обработку поверхности, которая делает печатную плату хрупкой, следует использовать только в том случае, если требования к хранению и обращению можно выполнить без риска.

Циклы пайки

Сколько раз придется перепаивать и переделывать печатную плату? Многие виды отделки поверхности идеально подходят для доработки. Однако другие методы, такие как погружение в олово, для доработки не подходят.

Отделка поверхности печатной платы — соответствие требованиям RoHS

Соответствие требованиям RoHS имеет решающее значение при выборе используемого покрытия. Как правило, все покрытия, содержащие свинец, не соответствуют требованиям RoHS и их следует избегать.

В зависимости от конкретных требований и характеристик вашей печатной платы вы можете использовать эту таблицу, чтобы выбрать идеальный вариант отделки поверхности.

Заключение

Выбор типа обработки поверхности для обеспечения её гладкости должен быть оптимальным для выполнения различных функций. Каждый тип обработки поверхности имеет свои преимущества и недостатки. Существуют инженерные методы для решения проблем, вызванных недостатками гладкости поверхности. Например, для низкой смачивающей способности OSP существуют решения, такие как изменение покрытия платы или сплава для волновой пайки, увеличение предварительного нагрева верхней стороны и т. д. Ключевым моментом является учет всех возможных факторов для достижения желаемых характеристик.