Типы отделки поверхности печатной платы и сравнение

Печатные платы составляют основу всей современной электроники. По мере того, как интегральные схемы и другие компоненты становятся все меньше и сложнее, печатные платы должны соответствовать все более высоким требованиям к целостности сигнала, эффективности и надежности. Одним из важнейших аспектов, влияющих на эти показатели, является качество обработки поверхности печатной платы.

Поверхностная обработка или покрытие, нанесенное на чистую печатную плату, выполняет несколько функций:

• Защищает основную медь от окисления и загрязнения.
• Обеспечивает и улучшает паяемость
• Облегчает склеивание и соединение компонентов.
• Влияет на передачу и целостность сигнала
• Влияет на технологичность и обработку

Теперь, когда доступны различные варианты, выбор оптимальной отделки поверхности влечет за собой баланс между производительностью, стоимостью, технологичностью и требованиями применения. В этой статье представлен технический обзор наиболее распространенных покрытий поверхности печатных плат, включая их ключевые характеристики, преимущества и недостатки, области применения, наиболее подходящие для каждого типа, а также аспекты обработки.

Факторы, определяющие выбор отделки поверхности

Выбор отделки поверхности печатной платы для конкретного применения зависит от нескольких взаимосвязанных соображений, в том числе:

• Паяемость и смачиваемость: Поверхностное покрытие должно легко расплавляться припоем, образуя плотное, однородное соединение между контактными площадками/компонентами и припоем без пропусков соединений или перемычек. Смачиваемость представляет собой распространение/прилипание жидкого припоя по поверхности.
• Окисление и срок хранения: обработка поверхности предотвращает окисление меди в воздухе с течением времени перед пайкой, обеспечивая сохранение паяемости. Срок годности зависит от прочности покрытия.
• Совместимость по склеиванию: Для склеивания проводов или приклеивания к конформным покрытиям или заливочным составам.
• Экологичность: Соблюдение законодательства в отношении использования материалов, отходов, сточных вод, а также здоровья и безопасности человека и окружающей среды.
• Надежность и долговечность: Продолжение работы при электрических, термических и механических нагрузках в течение всего срока службы изделия. Включает устойчивость к тепловому или механическому удару, усталости, электрической миграции и т. д.
• Целостность сигнала: чистые сигналы с минимальными перекрестными помехами и внешними излучениями для высокоскоростных, радиочастотных (РЧ) или чувствительных приложений.
• Инспектируемость и проверяемость: Простота поточного автоматического оптического контроля и электрических испытаний. Прозрачная отделка позволяет осуществлять осмотр; паяльные маски могут мешать.
• Стоимость: затраты на материалы и обработку, сбалансированные с производительностью.
• Технологичность: совместимость с такими производственными процессами, как пайка, очистка, нанесение покрытия и сборка. Минимальные затраты на доработку.

Важность каждого фактора зависит от типа изделия и условий эксплуатации. Например, срок годности и стойкость к окислению могут не иметь значения при крупносерийном производстве с небольшими складскими запасами. Однако медицинские или аэрокосмические продукты могут находиться в простое состояние в течение нескольких месяцев или лет до их развертывания, что требует длительного срока службы.

Обзор процесса изготовления печатных плат

Печатная плата механически поддерживает электронные компоненты, обеспечивая при этом электрические соединения между ними. Сама плата представляет собой изолирующий ламинат из стекловолокна и эпоксидной смолы, покрытый тонкой медной фольгой с одной или обеих сторон. На этой фольге фотолитографически нанесены дорожки и площадки, образующие проводящие пути. Компоненты припаиваются к площадкам либо через отверстие, либо на поверхности (SMT). Многослойные платы содержат внутри дополнительные проводящие и изолирующие слои.
Голые платы с завода по производству печатных плат должны пройти несколько процессов отделки перед заполнением компонентами:

Подготовка поверхности – Тщательная промывка и микротравление делают медь шероховатой и удаляют окисление или загрязнения, возникшие при хранении, транспортировке или обработке.

Нанесение финишного покрытия – покрытие наносится с помощью жидкостных химических процессов, описанных ниже для каждого типа отделки. Толщина, шероховатость и другие параметры строго контролируются.

Нанесение защитной маски для пайки – вся поверхность платы покрывается эпоксидной краской, за исключением контактных площадок и разъемов, остающихся открытыми. Обеспечивает изоляцию и маркировку.

Шелкотрафаретная печать – нанесение маркировки на компоненты, логотипов, обозначений на плате, индикаторов полярности и многого другого для облегчения производства и поиска и устранения неисправностей.

Электрические испытания – Каждая плата проходит внутрисхемное тестирование для проверки соответствия электрической целостности и выявления дефектов на ранней стадии. Платы проходят/не проходят проверку на основе строгих требований к качеству.

Поверхностная обработка образует внешний слой, соединяющий медную площадку и нанесенный припой, и, таким образом, может существенно повлиять на результаты последующей обработки, если она не будет должным образом подобрана. Теперь мы рассмотрим наиболее распространенные варианты отделки поверхности:

Выравнивание припоя горячим воздухом (HASL)

Самая долговечная обработка поверхности печатной платы — выравнивание припоем горячим воздухом (HASL) — покрывает плату расплавленным припоем, образуя паяемый слой из сплава олова и свинца. Как следует из названия, нагретые азотные ножи сглаживают жидкий припой по мере его охлаждения, сводя к минимуму неравномерное налипание. Бессвинцовый HASL заменяет припои олово-серебро-медь.

Процесс: Платы поступают в систему HASL на конвейере, проходя под надвигающейся волной расплавленного припоя, удерживаемого в коллекторе камеры. После погружения в воду воздушные ножи обрабатывают платы нагретым азотом или аргоном, чтобы выровнять охлаждающийся припой и получить равномерное покрытие с хорошим смачиванием меди непосредственно перед затвердеванием припоя. Краевые рельсы содержат процесс. Параметры – температура, время выдержки, расход газа и давление – требуют жесткого контроля для получения стабильной и высококачественной отделки.

Ключевые характеристики:

• Низкая стоимость процесса с высокой производительностью
• Продуманная технология с 50-летним опытом работы
• Хорошо паяет припои и компоненты на основе олова.
• Хорошая смачиваемость и плоскостность поверхности.
• Высокое медное покрытие противостоит окислению
• Доступен бессвинцовый продукт в соответствии с требованиями RoHS.
• Визуально контролируемая отделка

Области применения:

Обладая высокой производительностью при низких ценах, HASL подходит для недорогой бытовой электроники, бытовой техники, автомобильной электроники и телекоммуникационного/сетевого оборудования.

Преимущества:

• Недорогой, рассчитан на большие объемы
• Длительный срок хранения
• Постоянная паяемость
• Высокая стойкость к травлению/загрязнению
• Перерабатываемый
• Виден для проверки

Минусы:

• Недостаточно планарно для микросхем с мелким шагом.
• Термический удар может деформировать доски
• Растворение металла со временем
• Преодоление рисков с помощью плотных конструкций
• Проблемы с чистым оловом
• Образование мусора и окалины

Органический консервант паяемости (OSP)

OSP покрывает медные дорожки органической защитной пленкой, состоящей из имидазола, триазола или других гетероциклических соединений. Этот тонкий полимерный слой толщиной всего 10–100 ангстрем защищает от окисления в течение 6–12 месяцев, сохраняя при этом растекание припоя после нагрева. Покрытие наносится путем погружения или распыления пластин после микротравления.

Процесс:

Подготовка поверхности с помощью очистки и микротравления подготавливает платы к нанесению OSP:

1. доски входят в закрытую камеру
2. Туман OSP равномерно распыляется по доскам
3. доски выходят из камеры и сушат
4. окончательная уборка

Растворы OSP содержат стабилизирующие агенты и буферы pH для оптимальной производительности. Распыление жидкости, температура, время выдержки, концентрации химикатов и обработка после нанесения покрытия должны контролироваться для обеспечения надлежащего качества и консистенции покрытия.

Ключевые характеристики:

• Ультратонкое прозрачное покрытие
• Не содержит свинца и экологически безопасен
• Более плавный, чем HASL, с превосходной планарностью
• Перерабатываемая отделка
• Более низкая первоначальная стоимость по сравнению с другими покрытиями

Области применения:

OSP хорошо работает для беспроводной и портативной бытовой электроники, продуктов IoT, автомобилестроения, авионики и медицинской электроники, где надежность и свинцовый контент должны быть сведены к минимуму. Плоская поверхность способствует плотной упаковке досок.

Преимущества:

• Простое недорогое приложение
• Чрезвычайно плоская отделка
• Длительный срок хранения
• Постоянная паяемость
• Легкая доработка плат с покрытием OSP.
• Уменьшает шорты с перемычками

Минусы:

• Можно поцарапать при обращении, если нет покрытия
• Ограниченная способность маскировки припоя
• Трудно визуально проверить покрытие.
• Короткое окно сборки после открытия
• Низкая надежность по результатам испытаний IPC*
• Окисление меди быстро возобновляется при температуре выше 175°C.

Испытания IPC выявили корреляцию покрытий OSP с повышенной частотой отказов при воздействии тепла, влажности и вибрации. Тем не менее, многие успешно используют OSP.

Иммерсионное Серебро

Погружение печатных плат в ванну для химического осаждения серебра наносит тонкий слой серебра на медные дорожки с помощью реакции гальванического смещения. Толщина покрытия составляет 15–25 микродюймов (0.4–0.6 микрона). Он устойчив к потускнению или окислению в течение длительного времени.

Процесс:

Микротравление активирует медную поверхность. Плиты погружают в кислый раствор нитрата или фторбората серебра с добавлением органических стабилизаторов и ускорителей. Ионы меди меняются местами с ионами серебра, которые покрывают плату. Параметры – температура, время выдержки, химический состав и их концентрации – требуют тщательного контроля для оптимизации и равномерности толщины.

Ключевые характеристики:

• Низкая стоимость процесса с умеренной производительностью
• Отличная паяемость и проводимость
• Устойчив к потускнению и окислению
• Хорошая прочность сцепления и возможность повторной обработки.
• Подходит для склеивания проволоки из алюминия.

Области применения:

Иммерсионное серебро подходит для беспроводной связи, автомобильных информационно-развлекательных систем и систем ADAS, светодиодного освещения и другой электроники, требующей надежности.

Преимущества:

• Прочная надежность паяного соединения
• Длительная защита поверхности
• Чрезвычайно плоская плоская поверхность
• Более низкая стоимость, чем золотая отделка
• Не содержит свинца и соответствует требованиям RoHS

Минусы:

• Поверхность со временем слегка обесцвечивается
• Можно поцарапать при обращении
• Короткая трудовая жизнь после разоблачения
• Трудно провести внутрисхемное тестирование.
• Более высокие температуры обработки

Иммерсионное олово

Погружение очищенных печатных плат в нагретый раствор олова приводит к гальваническому нанесению защитного слоя олова на медные дорожки. Органические добавки, вводимые в ванну для иммерсионного олова, изменяют структуру сатинового олова от крупнокристаллической до микрокристаллической, предотвращая появление усов олова.

Процесс:

Подготовка платы включает в себя обычную очистку, микротравление, промывку водой и затем погружение в кислоту перед помещением в ванну для иммерсионного олова. Поддержание точного регулирования температуры щелочных растворов олова наряду с контролируемой продолжительностью выдержки, скоростью подъема и концентрацией добавок обеспечивает постоянство. В результате осаждения образуется матовый слой олова толщиной 4–10 микродюймов (0.1–0.25 микрона).

Ключевые характеристики:

• Матовое белое оловянное покрытие
• Сохраняется отличная паяемость
• Равномерность толщины слоя
• Минимальное растворение меди
• Замена раствора для олова-свинца

Области применения:

Погружная олово хорошо покрывает сложные, плотно упакованные платы. Он выдерживает более высокотемпературные сплавы, такие как пайка серебром и медью. Доступный по цене процесс также подходит для высоконадежных применений в оборонной, аэрокосмической, навигационной и коммуникационной сферах.

Преимущества:

• Гладкое плоское покрытие для микросхем со сверхмалым шагом
• Никаких проблем с усами
• Восстановимая и ремонтопригодная отделка
• Невосприимчив к окислению при хранении.
• Возможность пайки без флюса
• Более низкие долгосрочные затраты

Минусы:

• Короткая трудовая жизнь после разоблачения
• Склонен к образованию пятен и тусклости
• Проблемы с окончанием матового покрытия
• Трудно визуально проверить покрытие.
• Чувствительный к температуре процесс

Иммерсионное золото (ENIG)

Иммерсионное никелевое золото (ENIG) наносит два металлических слоя для надежной защиты и удобства пайки. Во-первых, автокаталитическая химическая реакция никелирует медь толщиной 3-7 микрон без какого-либо электрического тока. Затем реакция замещения между никелем и раствором заменяет поверхностные атомы никеля тонким золотым покрытием толщиной всего 0.05-0.15 микрона.

Процесс:

Первоначальное микротравление печатной платы подготавливает медь. Платы поступают в ванну химического никелирования. После катализа этот автокаталитический процесс осаждения непрерывно покрывает никель без какого-либо электрического тока. Для обеспечения единообразия температура, буферы pH, концентрации химических веществ и продолжительность выдержки должны оставаться сбалансированными. После промывки водой платы погружаются в нагретый раствор золота, который гальванически вытесняет атомы никеля, образуя тонкий слой золота.

Ключевые характеристики:

• Умеренная стоимость за надежную защиту
• Срок годности 12+ месяцев
• Слой золота остается в значительной степени инертным
• Пайка без предварительной подготовки
• Чрезвычайно плоская поверхность
• Надежный, но сложный процесс

Области применения:

ENIG подходит для продуктов более высокой стоимости, таких как корпоративные серверы, телекоммуникационная инфраструктура, оборонная электроника, авионика и медицинская продукция, где длительный срок хранения и надежность в эксплуатации повышают ценность, а не стоимость.

Преимущества:

• Длительная защита от окисления
• Превосходная планарность, обеспечивающая малый шаг интегральных схем
• Постоянная равномерная толщина
• Хорошо паяемая поверхность
• Слой твердого золота выдерживает износ
• Идеально подходит для склеивания алюминиевых проводов.

Минусы:

• Высокие материальные затраты (золото)
• Комплексное управление процессом
• Хрупкий слой никеля под золотом
• Риск появления черных подушечек с течением времени
• Толщину золота трудно проверить

Электролитический никель / золото

В отличие от ENIG, при покрытии никелем/золотом два металлических слоя наносятся гальванически с использованием электрического тока. Первоначальное блестящее никелевое покрытие становится намного толще и составляет 100–250 микродюймов (2.5–6 микрон), а затем золотое покрытие становится толще 10–50 микродюймов (0.25–1.25 микрона). Этот электролитический процесс позволяет получить более толстые и твердые слои золота.

Обзор процесса:

Микротравленые печатные платы последовательно помещаются в резервуары для гальванического покрытия никелем и золотом, где погруженные аноды и катоды пропускают ток, нанося металл на платы. Точное регулирование химического состава раствора, температуры, напряжения и параметров формы сигнала обеспечивает согласованность. Конструкция светильников позволяет избежать образования воздушных карманов или разницы в плотности между досками.

Ключевые характеристики:

• Варианты с более толстым слоем твердого золота
• Выдерживает повторяющиеся циклы спаривания
• Не содержит свинца и соответствует требованиям RoHS
• Перерабатываемая отделка

Области применения:

Разъемы, краевые штифты, точки контакта и контактные площадки отличаются долговечностью, а умеренная стоимость подходит для чувствительных к затратам приложений с большими объемами.

Преимущества:

• Более твердое и износостойкое золото
• Более низкая стоимость материала по сравнению с ENIG
• Надежные паяные соединения
• Высокопроизводительный процесс
• Позволяет тестировать зонды

Минусы:

• Высокая чувствительность к технике
• Длительное время процесса
• Хрупкие слои могут треснуть
• Плотные печатные платы могут привести к образованию пустот в покрытии.
• В зонах с паяльной маской могут потребоваться шины.

Химическое химическое восстановление Ni, химическое восстановление Pd, иммерсионное золото (ENEPIG)

ENEPIG завершает модернизацию ENIG, заменив никелевый подслой на палладий, полученный методом химического химического восстановления, перед осаждением золота для улучшенной защиты поверхности без риска коррозии никеля или возникновения почернения на контактных площадках. Однако, поскольку это более новый процесс, в настоящее время он стоит дороже, чем ENIG.

Ключевые характеристики:

• Отличный срок годности 
• Коррозионностойкий и инертный
• Превосходный барьер против окисления
• Не содержит свинца и соответствует требованиям RoHS
• Перерабатываемая отделка

Области применения:

ENEPIG лучше всего подходит для высоконадежных приложений с длительным сроком хранения, таких как аэрокосмическая, оборонная и медицинская продукция, где надежность определяет ценность, а не первоначальную стоимость.

Преимущества:

• Высочайшая надежность и долговечность
• Устраняет риск появления черных подушек
• Идеально подходит для склеивания проводов
• Чрезвычайно плоская плоская поверхность
• Пайка более 10 лет.

Минусы:

• Самая высокая стоимость отделки
• Увеличенное время процесса
• Ограниченный опыт работы в отрасли
• Проблемы управления процессами
• Трудно проверить визуально

Заключение

Этот обзор первичной обработки поверхности показал, что изготовление печатных плат представляет собой серию взаимозависимых процессов, каждый из которых влияет на результат последующих. Отделка поверхности – будь то выравнивание припоем горячим воздухом, органический консервант для пайки, иммерсионное серебро, иммерсионное олово, иммерсионное золото методом химического никелирования, электролитическое никель-золото или родственные варианты – оказывает значительное влияние.

При выборе отделки для конкретного применения и рабочей среды инженеры учитывают, помимо других факторов, срок годности, возможность пайки, пригодность для соединения, требования к надежности, целостность сигнала и ограничения по стоимости. Дополнительные соображения включают технологичность, пропускную способность, использование оборудования и простоту контроля качества.

Стремление к идеальной оптимизации по этой матрице в конечном итоге обеспечивает функциональное, надежное и экономичное электронное оборудование. По мере развития областей применения и ужесточения требований мы можем ожидать продолжения инноваций в вариантах отделки поверхности и методах обработки для удовлетворения возникающих потребностей.