Посібник з обробки поверхні друкованих плат для 7 поширених варіантів

Що таке обробка поверхні друкованої плати?

Обробка поверхні друкованої плати стосується металевого з’єднання між оголеною міддю друкованої плати та зоною спаювання компонентів. Монтажна плата має базову мідну поверхню, яка без захисного покриття схильна до окислення, отже, необхідна чистота поверхні.

Обробка поверхні друкованої плати є вирішальним етапом у процесі виробництва та складання друкованої плати, яка виконує дві основні функції: захист відкритих мідних ланцюгів і забезпечення поверхні, придатної для пайки, для приєднання компонентів до друкованої плати. Поверхнева обробка розташована на самому зовнішньому шарі друкованої плати, над мідними шарами, діючи як «покриття» для міді.

Типи обробки поверхні друкованих плат

Вирівнювання припою гарячим повітрям (HASL)
Лудіння (занурювальне олово)
Безелектричне нікелеве іммерсійне золото (ENIG)
Органічні консерванти для спаювання (OSP)
Імерсійне срібло (ImAg)
Безелектричний нікель Безелектричний паладієве іммерсійне золото (ENEPIG)
Тверде золото (електролітичне тверде золото)

Процеси обробки поверхні друкованих плат

Вирівнювання припою гарячим повітрям (HASL)

HASL є одним із найбільш часто використовуваних методів обробки поверхні в промисловості. Він буває двох типів: зі свинцем і оловом і без. HASL також є одним із найдешевших доступних видів обробки поверхні друкованих плат.

Щоб отримати гладку поверхню HASL, друковану плату занурюють у розплавлений припій (олово/свинець), покриваючи всі відкриті мідні поверхні на платі. Після виходу з розплавленого припою гаряче повітря під високим тиском обдувається поверхнею через повітряний ніж, який розгладжує відкладення припою та видаляє надлишки припою з поверхні друкованої плати.

Важливі параметри, які потрібно контролювати під час цього процесу, включають температуру паяння, температуру повітряного ножа, тиск повітряного ножа, час занурення, швидкість підйому тощо.

Переваги HASL:

• Велика пропозиція
• Можливість переробки
• Відмінний термін зберігання
• Чудова здатність до пайки
• Недорого/низька вартість
• Дозволяє збільшити вікно обробки
• Більш тривалий час зберігання
• Після завершення друкованої плати контактні площадки повністю покриваються оловом перед паянням
• Підходить для безсвинцевого паяння
• Зрілий вибір обробки поверхні
• Дозволяє проводити візуальний огляд і електричні вимірювання

Недоліки HASL:

• Нерівна поверхня
• Не підходить для дрібного тону
• Містить свинець (HASL)
• Тепловий удар
• Паяні мости
• Засмічений або знижений ПТГ (покритий наскрізний отвір)
• Відмінності у товщині/зовнішньому вигляді між великими та маленькими подушечками
• Не підходить для SMD і BGA розміром менше ніж 2000 мільйонних часток дюйма
• Не підходить для продуктів HDI
• Не підходить для склеювання проводів

Лудіння (занурювальне олово)

Імерсійне олово (ImSn) — це металеве покриття, яке наноситься шляхом хімічної реакції витіснення безпосередньо на основний метал друкованої плати, яким є мідь. ISn захищає базову мідь від окислення протягом очікуваного терміну придатності. Оскільки всі припої виготовлені на основі олова, шар олова може відповідати будь-якому типу припою.

Завдяки додаванню органічних добавок до розчину для занурення олова структура шару олова стає гранульованою, долаючи проблеми олов’яних вусів і міграції олова, а також володіючи хорошою термічною стабільністю та здатністю до пайки. Процес занурення олова може утворювати плоску мідно-олов’яну інтерметалідну сполуку, забезпечує хорошу здатність до пайки, без проблем плоскості та дифузії інтерметалічних сполук.

Переваги лудіння:

• Відмінна площинність (підходить для SMT), підходить для тонкого кроку/BGA/дрібних компонентів
• Середньодорожча безсвинцева технологія обробки поверхні
• Відповідна чистота від прасування
• Зберігає хорошу здатність до паяння після багаторазових температурних екскурсій
• Підходить для горизонтальних виробничих ліній
• Підходить для обробки точної геометрії, збірка без свинцю

Недоліки лудіння:

• Чутливий до поводження
• Короткий термін придатності, олов'яні вуса через 6 місяців
• Корозійний для шарів паяльної маски
• Не рекомендується використовувати з відривними масками
• Не підходить для сенсорних перемикачів
• Електричні випробування потребують спеціального налаштування (м’яка посадка зонда)

Безелектричне нікелеве іммерсійне золото (ENIG)

ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) обробка поверхні завжди була найкращим варіантом для дрібнозернистих (плоських) поверхонь і варіантів, що не містять свинцю.
ENIG — це двоетапний процес, який покриває тонкий шар нікелю поверх шару міді, а потім покриває його тонким шаром золота. Нікель діє як бар’єр для міді та є поверхнею, до якої фактично припаюються компоненти, тоді як золото захищає нікель під час зберігання.

Безелектричне нікелеве іммерсійне золото (ENIG)

Товщина внутрішнього шару Ni зазвичай становить 3-6 мкм, а товщина зовнішнього шару Au зазвичай становить 0.05-0.1 мкм.

Ni утворює бар'єрний шар між припоєм і міддю.

Роль Au полягає в тому, щоб запобігти окисленню Ni під час зберігання, таким чином подовжуючи термін придатності, але процес золотого покриття також забезпечує відмінну рівність поверхні.

Процес обробки ENIG виглядає наступним чином: Очищення -> Травлення -> Каталізатор -> Безгальванічний нікель -> Позолота -> Очищення залишків

Хоча цей процес покриття має тривалий термін придатності та є перевагою для гальванічного покриття наскрізних отворів, це складний і дорогий процес, який не підлягає переробці та, як відомо, спричиняє втрати сигналу в радіочастотних колах.

Переваги ENIG:

Пласка поверхня
Без свинцю
Підходить для PTH (плакований наскрізний отвір)
Тривалий термін зберігання

Недоліки ENIG:

Дорогий
Не підлягає переробці
Чорна колодка/чорний нікель
Шкода від прибульців
Втрата сигналу (РЧ)
Складний процес

Органічні консерванти для спаювання (OSP)

OSP (Organic Solderability Preservants) або антикорозійні засоби зазвичай наносяться на оголену мідь за допомогою конвеєрної стрічки, захищаючи поверхню міді від окислення дуже тонким шаром матеріалу.

Ця плівка повинна мати такі властивості, як антиокислення, стійкість до термічного удару та вологостійкість, щоб захистити мідну поверхню від іржавіння (окислення або сульфідації тощо) за нормальних умов.

Однак під час подальшого високотемпературного паяння ця захисна плівка повинна бути легко та швидко видалена флюсом, щоб дозволити чистій мідній поверхні негайно з’єднатися з розплавленим припоєм, утворюючи міцне з’єднання за дуже короткий час.

Іншими словами, OSP діє як бар'єр між міддю та повітрям.

Загальний процес OSP такий: знежирення -> мікротравлення -> кислотне промивання -> промивання чистою водою -> органічне покриття -> очищення.

Переваги OSP:

• Пласка поверхня
• Простий процес, дуже гладка поверхня, придатна для пайки без свинцю та SMT
• Можливість переробки, підходить для горизонтальних виробничих ліній
• Економічне
• Безпечний для довкілля

Недоліки OSP:

• Товщину неможливо виміряти
• Не підходить для PTH (плакований наскрізний отвір)
• Короткий термін придатності
• Може викликати проблеми з ІКТ
• Оголена мідь під час остаточного складання
• Чутлива обробка
• Не можна паяти (переробляти) більше двох разів
• Не підходить для технології пресування та зв'язування дротом
• Незручний для візуальних та електричних перевірок

Імерсійне срібло (ImAg)

Імерсійне срібло наноситься на мідні друковані плати шляхом занурення їх у резервуар з іонами срібла за допомогою неелектролітичної хімічної обробки поверхні. Це ідеальний вибір для друкованих плат із захистом від електромагнітних перешкод, а також використовується в комунікаційному обладнанні.

Цей метод особливо підходить для схем із мікрохвильовими частотами та ліній передачі.

Срібне занурення забезпечує плоску паяну поверхню та відмінні електричні властивості. Процес занурення в срібло можна використовувати на різноманітних друкованих платах, включаючи жорсткі та гнучкі друковані плати.

Загальний процес іммерсійного срібла: знежирення -> мікротравлення -> осадження срібла -> промивання.

Переваги Immersion Silver:

• Підходить для тонкого тону
• Підходить для горизонтальних виробничих ліній
• Добре підходить для складання без свинцю, добре паюється та підходить для SMT
• Площина
• Довгий термін придатності, добре підходить для двосторонніх дощок, дроту, підходить для ІКТ
• Добре зберігає якість сигналу у високочастотних ланцюгах

Недоліки Immersion Silver:

• Короткий термін придатності, важко зберігати (чорні плями, потрібна вакуумна упаковка)
• Хімічна утилізація
• Окислення при зберіганні
• Чутливий до поводження
• Утворення Ag3Sn
• Дорогий
• Не підходить для сенсорних перемикачів і знімних масок
• Не підходить для склеювання золотого дроту
• Тестування ІКТ може спричинити несправність
• Труднощі управління процесом

Безелектричний нікель Безелектричний паладієве іммерсійне золото (ENEPIG)

ENEPIG — це складний процес, що включає три шари: нікель, паладій і золото, що забезпечує чудову провідність і захист.

Потік обробки ENEPIG такий: Очищення -> Травлення -> Каталізатор -> Неелектричний нікель -> Паладій -> Позолота -> Очищення залишків

ENEPIG є найбільш підходящою обробкою поверхні для високонадійних і високошвидкісних виробів, де особливо важливі його площинність, висока стійкість до міді та хороші антикорозійні властивості.

Переваги ENEPIG:

Чудово підходить для склеювання проводів
Підходить для дрібного кроку та дрібних деталей
Підходить для склеювання золотого дроту
Добре для PTH
Добре підходить для технології пресування та склеювання дроту
Підходить для ІКТ та електричних тестів
Тривалий термін зберігання
Без свинцю

Недоліки ENEPIG:

Висока вартість
Не підходить для сенсорних вимикачів
Тестування ІКТ може спричинити несправність
Потрібне стабільне виробниче середовище
Не підходить для пайки хвилею

Тверде золото (електролітичне тверде золото)

Тверде золото — це тип обробки поверхні друкованих плат, у якому використовується шар золота, легованого невеликою кількістю інших металів, щоб збільшити його довговічність. Цей процес включає гальванічне нанесення шару золота на поверхню друкованої плати, яка потім покривається шаром електролітичного нікелю для підвищення її твердості та зносостійкості.

Тверде золото зазвичай використовується в додатках, де друкована плата підлягає неодноразовому вставленню та видаленню, наприклад у роз’ємах і перемикачах. Тверде золоте покриття запобігає стиранню золота з часом, забезпечуючи надійні електричні з’єднання.

Переваги Hard Gold:

Відмінна міцність і зносостійкість
Підходить для додатків, які потребують повторних вставок і видалень
Добре підходить для додатків з високою надійністю
Підходить для ІКТ та електричних тестів
Підходить для технології пресування та склеювання дроту
Підходить для дрібного кроку та дрібних деталей

Недоліки Hard Gold:

Висока вартість
Не підходить для пайки хвилею
Не підходить для сенсорних вимикачів
Обмежений діапазон товщини

Як вибрати обробку поверхні друкованої плати?

Вибір обробки поверхні друкованих плат є одним із найважливіших кроків у виробництві друкованих плат , оскільки він безпосередньо впливає на вихід продукції, кількість повторної обробки, рівень відмов на місці, придатність для випробувань, рівень браку та вартість. Щоб забезпечити високу якість та продуктивність кінцевого продукту, при виборі гладкості поверхні необхідно враховувати всі важливі аспекти складання.

Використовуйте цю статтю, порівнюючи кілька варіантів обробки за вартістю, терміном зберігання, площинністю та потребами складання. Якщо рішення переважно стосується HASL та ENIG, прочитайте порівняння HASL та ENIG ; для отримання інформації про виробничі можливості та примітки до цінової пропозиції використовуйте розділ «Вибір обробки поверхні друкованої плати».

Оздоблення поверхні друкованої плати

Площиність колодки для паяння Як згадувалося раніше, деякі види обробки поверхні можуть призвести до нерівності поверхні, що може вплинути на продуктивність, здатність до пайки та інші фактори. Якщо площинність є критичним фактором, розгляньте обробку поверхні тонкими та рівномірними шарами. У цьому випадку придатними варіантами є ENIG, ENEPIG і OSP.

Паяемость і змочування

Пайність завжди є ключовим фактором при використанні друкованих плат. Спеціальні види обробки поверхні, такі як OSP та ENEPIG, як було показано, перешкоджають пайності, тоді як інші, такі як HASL, є більш придатними.

Склеювання золотим або алюмінієвим дротом

Якщо ваша друкована плата вимагає з'єднання золотим або алюмінієвим дротом, ви можете бути обмежені ENIG та ENEPIG.

Умови зберігання

Як згадувалося раніше, деякі види обробки поверхні (наприклад, OSP) можуть зробити друковану плату крихкою під час обробки, тоді як інші підвищують довговічність. Вимоги щодо зберігання та транспортування слід враховувати заздалегідь, а покриття поверхні, яке робить друковану плату крихкою, слід використовувати лише тоді, коли вимоги до зберігання та транспортування можна виконати без ризику.

Цикли пайки

Скільки разів друкована плата буде паяна та перероблена? Багато поверхонь ідеально підходять для повторної обробки. Однак інші методи, такі як занурення в жерсть, не підходять для повторної обробки.

Відповідність обробці поверхні друкованої плати RoHS

Відповідність RoHS є вирішальною для визначення типу обробки поверхні, який буде використовуватися. Як правило, всі види обробки поверхні, що містять свинець, не відповідають вимогам RoHS і їх слід уникати.

Залежно від конкретних вимог і характеристик вашого продукту PCB, ви можете використовувати цю таблицю, щоб вибрати ідеальний варіант обробки поверхні.

Висновок

Вибір типів обробки поверхні для її гладкості має бути оптимальним для виконання різних функцій. Кожен тип обробки поверхні має свої переваги та недоліки. Існують деякі інженерні методи для вирішення проблем, спричинених недоліками гладкості поверхні. Наприклад, для низької змочувальної здатності OSP існують такі рішення, як зміна покриття плати або сплаву для хвильового припою, збільшення попереднього нагрівання верхньої сторони тощо. Головне – врахувати всі можливі фактори для досягнення бажаної продуктивності.