Типи обробки поверхні друкованої плати та порівняння

Друковані плати (ДПК) є основою всієї сучасної електроніки. Оскільки інтегральні схеми та інші компоненти стають дедалі меншими та складнішими, ДПК повинні відповідати дедалі суворішим вимогам щодо цілісності сигналу, ефективності та надійності. Одним із критичних аспектів, що впливає на ці показники, є обробка поверхні ДПК.

Оздоблення поверхні або покриття, нанесене на оголену друковану плату, виконує кілька функцій:

• Захищає базову мідь від окислення та забруднення
• Забезпечує та покращує паяність
• Сприяє з’єднанню та з’єднанню компонентів
• Впливає на передачу та цілісність сигналу
• Впливає на технологічність і обробку

Оскільки тепер доступні різні варіанти, вибір оптимальної обробки поверхні передбачає збалансування продуктивності, вартості, технологічності та вимог до застосування. У цій статті наведено технічний огляд найпоширеніших покриттів поверхні друкованих плат, включаючи їх ключові характеристики, переваги та недоліки, застосування, яке найкраще підходить для кожного типу, і міркування щодо обробки.

Вирішальні фактори при виборі оздоблення поверхні

Кілька взаємодіючих міркувань керують вибором обробки поверхні друкованої плати для певного застосування, зокрема:

• Здатність до паяння та змочування: поверхневе покриття має легко спаюватися розплавленим припоєм, утворюючи послідовне рівномірне з’єднання між контактними площадками/компонентами та припоєм без пропусків з’єднань або перемичок. Змочуваність являє собою розподіл/прилипання рідкого припою по поверхні.
• Окислення та термін придатності: обробка поверхні запобігає окисленню міді в повітрі з плином часу перед паянням, щоб зберегти здатність до паяння. Термін зберігання залежить від міцності покриття.
• Сумісність при склеюванні: для склеювання дроту або адгезії до конформних покриттів або сумішей для заливки.
• Екологічність: відповідність законодавству щодо використання матеріалів, відходів, стічних вод, здоров’я та безпеки людей/довкілля.
• Надійність і довговічність: безперервна робота в умовах електричних, термічних і механічних навантажень протягом усього терміну експлуатації. Включає стійкість до термічного або механічного удару, втоми, електричної міграції тощо.
• Цілісність сигналу: чисті сигнали з мінімізованими перехресними або зовнішніми випромінюваннями для високошвидкісних, радіочастотних (РЧ) або чутливих програм.
• Можливість перевірки та тестування: легкість автоматизованого оптичного контролю та електричних випробувань. Прозора обробка дозволяє перевіряти; паяльні маски можуть заважати.
• Вартість: як витрати на матеріали, так і витрати на обробку, збалансовані з продуктивністю.
• Технологічність: сумісність із процесами виготовлення, такими як пайка, очищення, нанесення покриття та складання. Мінімізовані темпи переробки.

Важливість кожного фактора залежить від типу продукту та умов експлуатації. Наприклад, термін придатності та стійкість до окислення можуть не мати значення у великому обсязі своєчасного виробництва з невеликим накопиченням. Однак медичні чи аерокосмічні вироби можуть простояти місяцями або роками до розгортання, що потребує довговічності.

Огляд процесу виготовлення друкованої плати

Плата механічно підтримує електронні компоненти, одночасно забезпечуючи електричні з’єднання між ними. Сама плита являє собою ізоляційний скловолоконний епоксидний ламінат, покритий тонкою мідною фольгою з одного або обох боків. Ця фольга фотолітографічно нанесена на сліди та прокладки, утворюючи провідні маршрути. Компоненти припаюються до контактних площадок через отвір або на поверхні (SMT). Багатошарові плити складаються разом з додатковими електропровідними та ізоляційними шарами всередині.
Голі плати з виробництва друкованих плат повинні пройти кілька процесів обробки перед заповненням компонентами:

Підготовка поверхні – Ретельне промивання та мікротравлення роблять мідь шорсткою та видаляють окислення або забруднення, що виникають під час зберігання, транспортування чи обробки.

Нанесення оздоблення поверхні – Покриття наноситься за допомогою мокрих хімічних процесів, описаних нижче для кожного типу оздоблення. Товщина, шорсткість та інші параметри ретельно контролюються.

Паяльна маска – вся поверхня плати покривається епоксидною фарбою, за винятком контактних площадок та роз'ємів, що залишаються відкритими. Забезпечує ізоляцію та маркування.

Шовкографія – друковані позначки для компонентів, логотипи, позначення плати, індикатори полярності та інше допомагає у виробництві та усуненні несправностей.

Електричні випробування – Кожна плата проходить внутрішньосхемне випробування для перевірки відповідності електричним нормам та раннього виявлення дефектів. Плати проходять випробування відповідно до суворих вимог до якості.

Оздоблення поверхні утворює зовнішній шар, що сполучає мідь контактної площадки та нанесений припій, і, отже, може суттєво вплинути на результати подальшої обробки, якщо її не підібрати належним чином. Зараз ми розглянемо найпоширеніші варіанти обробки поверхні:

Вирівнювання припою гарячим повітрям (HASL)

Найтриваліша обробка поверхні друкованої плати, вирівнювання припою гарячим повітрям (HASL), покриває плату розплавленим припоєм, утворюючи шар сплаву олова і свинцю, який можна спаювати. Як видно з назви, нагріті азотні ножі розгладжують рідкий припій, коли він охолоджується, мінімізуючи нерівномірне накопичення. HASL, що не містить свинцю, замінює олов’яно-срібно-мідні припої.

Процес: плати надходять у систему HASL на конвеєрі, проходячи під хвилею розплавленого припою, що утримується в колекторі камери. Після занурення повітряні ножі обдувають плати нагрітим азотом або аргоном, щоб розрівняти охолоджуючий припій у рівномірне покриття з хорошим зволоженням міді безпосередньо перед застиганням припою. Крайові рейки містять процес. Параметри – температури, час витримки, потік газу та тиск – вимагають суворого контролю для отримання стабільної високоякісної обробки.

Основні характеристики:

• Низька вартість процесу з високою продуктивністю
• Зріла технологія з 50-річним досвідом
• Добре спаюється з припоями та компонентами на основі олова
• Хороша змочуваність поверхні та площинність
• Високий вміст міді протистоїть окисленню
• Не містить свинцю відповідно до вимог RoHS
• Оздоблення, яке можна візуально перевірити

Область застосування:

Завдяки надійній продуктивності за низькою ціною HASL підходить для недорогої побутової електроніки, побутової техніки, автомобільної електроніки та телекомунікаційного/мережевого обладнання.

переваги:

• Недорогий, здатний до великих обсягів
• Тривалий термін зберігання
• Послідовна паяемость
• Висока стійкість до травлення/забруднення
• Можливість переробки
• Видно для огляду

Недоліки:

• Недостатньо планарний для мікросхем з малим кроком
• Термічний удар може деформувати дошки
• Розчинення металу з часом
• Подолання ризиків за допомогою щільних конструкцій
• Проблеми з вусами з чистим оловом
• Утворення сміття та шлаку

Органічний консервант паяльності (OSP)

OSP покриває мідні сліди органічною захисною плівкою, що складається з імідазолу, триазолу або інших гетероциклічних сполук. Цей тонкий полімерний шар товщиною лише 10-100 ангстрем захищає від окислення протягом 6-12 місяців, дозволяючи течію припою після нагрівання. Покриття наноситься зануренням або напиленням дошки після мікротравлення.

Процес:

Підготовка поверхні за допомогою очищення та мікротравлення готує плити до нанесення OSP:

1. дошки входять у закриту камеру
2. Туман OSP рівномірно розпилюється по дошках
3. дошки виходять з камери і сушать
4. остаточне прибирання

Розчини OSP містять стабілізатори та pH-буфери для оптимальної роботи. Необхідно контролювати розпилення рідини, температуру, час витримки, концентрацію хімічних речовин і обробку після нанесення покриття, щоб забезпечити належну якість і консистенцію покриття.

Основні характеристики:

• Ультратонке прозоре покриття
• Не містить свинцю та екологічно безпечний
• Більш гладкий, ніж HASL, з чудовою планарністю
• Змінна обробка
• Нижча початкова вартість, ніж інші покриття

Область застосування:

OSP добре працює для бездротової та портативної споживчої електроніки, продуктів Інтернету речей, автомобілів, авіоніки та медичної електроніки, де необхідно мінімізувати надійність і свинцевий вміст. Плоска поверхня допомагає щільно упакованим плитам.

переваги:

• Просте недороге застосування
• Надзвичайно плоска обробка
• Тривалий термін зберігання
• Послідовна паяемость
• Легка переробка плит з покриттям OSP
• Зменшує шорти

Недоліки:

• Без покриття можна подряпати
• Обмежена здатність маскування припою
• Важко візуально перевірити покриття
• Коротке монтажне вікно відкрито
• Низька надійність згідно з тестуванням IPC*
• Окислення міді швидко відновлюється вище 175°C

Тестування IPC корелювало покриття OSP із підвищеною частотою відмов під впливом тепла, вологості та вібрації. Однак багато хто успішно використовує OSP незалежно від цього.

Імерсійне срібло

Занурення друкованих плат у ванну для хімічного осадження срібла наносить тонкий шар срібла на мідні доріжки за допомогою реакції гальванічного зміщення. Покриття має товщину 15-25 мікродюймів (0.4-0.6 мікрон). Він стійкий до потемніння або окислення протягом тривалого часу.

Процес:

Мікротравлення активує поверхню міді. Плати занурюють у кислий розчин нітрату срібла або фторборату срібла з додаванням органічних стабілізаторів і прискорювачів. Іони міді міняються місцями з іонами срібла, які покривають плату. Параметри – температура, час витримки, хімічний склад та їх концентрації – усі вимагають ретельного контролю для оптимізації консистенції та рівномірності густоти.

Основні характеристики:

• Низька вартість процесу з помірною продуктивністю
• Відмінна паюваність і провідність
• Стійкий до потьмяніння та окислення
• Хороша адгезія та можливість повторної обробки
• Підходить для склеювання алюмінію

Область застосування:

Імерсійне срібло підходить для бездротового зв’язку, автомобільних інформаційно-розважальних систем і систем ADAS, світлодіодного освітлення та іншої електроніки, що залежить від надійності.

переваги:

• Сильна надійність паяного з'єднання
• Тривалий захист поверхні
• Надзвичайно плоска плоска поверхня
• Нижча вартість, ніж золото
• Не містить свинцю та відповідає вимогам RoHS

Недоліки:

• З часом поверхня трохи змінює колір
• Під час користування можна подряпати
• Короткий термін служби одного разу
• Складно для тестування в схемі
• Більш високі температури обробки

Олово для занурення

Занурення очищених друкованих плат у нагріті олов’яні розчини гальванічно наносить захисний шар олова на мідні доріжки. Органічні добавки, додані до занурювальної олов’яної ванни, змінюють структуру сатинованої олов’яної поверхні від великокристалічної до мікрокристалічної, запобігаючи проблемам олов’яних вусів.

Процес:

Підготовка дошки відбувається шляхом типового очищення, мікротравлення, промивання водою, а потім занурення в кислоту перед входом у ванну для олова. Підтримка точного регулювання температури лужних розчинів олова разом із контрольованою тривалістю витримки, швидкістю підйому та концентрацією добавок забезпечує стабільність. Осадження створює матовий шар олова товщиною 4-10 мікродюймів (0.1-0.25 мікрон).

Основні характеристики:

• Матове біле жерстяне покриття
• Зберігається відмінна здатність до паяння
• Рівномірність товщини шару
• Мінімальне розчинення міді
• Замінник розчину олово-свинець

Область застосування:

Добре лудить складні, щільно укладені дошки. Він витримує високотемпературні сплави, такі як пайка срібло-мідь. Доступний процес також підходить для високонадійного використання в обороні, аерокосмічній галузі, навігації та зв’язку.

переваги:

• Гладке планарне покриття для мікросхем із наддрібним кроком
• Ніяких проблем з вусами
• Оздоблення, що підлягає переробці та ремонту
• Стійкий до окислення при зберіганні
• Здатність паяти без флюсу
• Нижчі довгострокові витрати

Недоліки:

• Короткий термін служби одного разу
• Схильний до фарбування та тьмяності
• Закінчення стосується матового покриття
• Важко візуально перевірити покриття
• Процес, чутливий до температури

Immersion Gold (ENIG)

Безелектричне нікелеве іммерсійне золото (ENIG) наносить два металеві шари для надійного захисту та пайки. По-перше, автокаталітична хімічна реакція накладає нікель на мідь товщиною 3-7 мікрон без будь-якого електричного струму. Тоді реакція заміщення між нікелем і розчином замінює поверхневі атоми нікелю тонким золотим покриттям товщиною всього 0.05-0.15 мікрона.

Процес:

Початкове мікротравлення друкованої плати готує мідь. Плати надходять в резервуар без електронікелювання. Після каталізації цей процес автокаталітичного осадження постійно покриває нікель без будь-якого електричного струму. Температура, pH-буфери, хімічні концентрації та тривалість витримки повинні бути збалансованими для консистенції. Після промивання водою дошки занурюють у нагрітий розчин золота, який гальванічно зміщує атоми нікелю, утворюючи тонкий шар золота.

Основні характеристики:

• Помірна вартість для надійного захисту
• Термін зберігання 12+ місяців
• Золотий шар залишається в основному інертним
• Пайка без попередньої обробки
• Надзвичайно рівна поверхня
• Надійний, але складний процес

Область застосування:

ENIG підходить для продуктів високої вартості, таких як корпоративні сервери, телекомунікаційна інфраструктура, оборонна електроніка, авіоніка та медичні вироби, де тривалий термін придатності та надійність у польових умовах перевищують вартість.

переваги:

• Тривалий захист від окислення
• Чудова планарність, що сприяє мікросхемам з малим кроком
• Постійна однорідна товщина
• Поверхня з високою здатністю до пайки
• Твердий шар золота стійкий до зносу
• Ідеально підходить для склеювання алюмінієвого дроту

Недоліки:

• Висока витрата матеріалу (золото)
• Комплексне управління процесом
• Шар крихкого нікелю під золотом
• Ризик чорної подушечки з часом
• Товщину золота важко перевірити

Електролітичний нікель/золото

Нікелеві/золоті покриття наносять два металеві шари гальванічно за допомогою електричного струму, на відміну від ENIG. Початкове яскраве нікелеве покриття стає набагато товщим на 100-250 мікродюймів (2.5-6 мікрон), перш ніж золотисте покриття спадає на 10-50 мікродюймів (0.25-1.25 мікрон). Цей електролітичний процес дозволяє отримати товстіші та твердіші шари золота.

Огляд процесу:

Микротравлені друковані плати послідовно поміщаються в резервуари для електролітичного покриття з нікелю та золота, де занурені аноди та катоди пропускають струм, осаджуючи метал на плати. Точне регулювання хімічного складу розчину, температури, напруги та параметрів форми сигналу забезпечує послідовність. Конструкції кріплень уникають повітряних кишень або різниці щільності на дошках.

Основні характеристики:

• Товстіші варіанти шару твердого золота
• Витримує багаторазові цикли спарювання
• Не містить свинцю та відповідає вимогам RoHS
• Змінна обробка

Область застосування:

З’єднувачі, краєві пальці, точки контакту та контактні площадки забезпечують довговічність, тоді як помірна вартість підходить для чутливих до витрат великих обсягів.

переваги:

• Більш тверде, більш стійке до зносу золото
• Нижча вартість матеріалів порівняно з ENIG
• Надійні паяні з'єднання
• Висока продуктивність процесу
• Дозволяє тестувати зондом

Недоліки:

• Дуже чутливий до техніки
• Довгий час процесу
• Крихкі шари можуть потріскатися
• Щільні друковані плати створюють ризик утворення пустот
• Області з паяною маскою можуть потребувати збірних шин

Electroless Ni Electroless Pd Immersion Au (ENEPIG)

ENEPIG завершує модернізацію ENIG, замінюючи нікелевий нижній шар на неелектричний паладій перед осадженням золота для покращеного захисту поверхні без ризику корозії нікелю або чорної прокладки. Однак, як новіший процес, він наразі коштує дорожче, ніж ENIG.

Основні характеристики:

• Відмінний термін зберігання 
• Стійкий до корозії та інертний
• Чудовий окислювальний бар'єр
• Не містить свинцю та відповідає вимогам RoHS
• Змінна обробка

Область застосування:

ENEPIG найкраще підходить для високонадійних додатків із тривалим терміном придатності, таких як аерокосмічна, оборонна та медична продукція, де надійність керує цінністю над початковою вартістю.

переваги:

• Найвища надійність і довговічність
• Усуває ризик потемніння
• Ідеально підходить для склеювання проводів
• Надзвичайно плоска плоска поверхня
• Паяється 10+ років

Недоліки:

• Найдорожча обробка
• Подовжений час процесу
• Обмежений галузевий досвід
• Проблеми управління процесом
• Важко перевірити візуально

Висновок

У цьому огляді первинної обробки поверхні показано, як виготовлення друкованих плат являє собою серію взаємозалежних процесів, у яких кожен крок впливає на результат наступних. Оздоблення поверхні – вирівняна гарячим повітрям, консервант для паяння органічним способом, іммерсійне срібло, іммерсійне олово, електролітичне нікелеве іммерсійне золото, електролітичне нікелеве золото чи подібні варіанти – має значний вплив.

Інженери враховують термін придатності, здатність до спаювання, придатність для склеювання, потреби в надійності, цілісність сигналу та обмеження вартості серед інших визначальних факторів, вибираючи покриття для свого конкретного застосування та робочого середовища. Додаткові міркування включають технологічність, продуктивність, використання обладнання та легкість контролю якості.

Прагнення до ідеальної оптимізації в цій матриці міркувань у кінцевому підсумку забезпечує функціональне, надійне та економічно ефективне електронне обладнання. У міру того, як програми розвиваються, а вимоги стають більш суворими, ми можемо очікувати продовження інновацій у варіантах обробки поверхні та методах обробки для задоволення нових потреб.