为什么在 PCB 制造中使用金而不是银和铜？

印刷电路板 (PCB) 是电子产品的支柱，提供机械支撑和元器件之间的电气连接。PCB 上的焊盘和走线通常由铜制成，而铜暴露在空气中容易氧化。氧化会降低可焊性和电气性能。因此，人们会在铜表面施加金、银或有机涂层等表面处理剂，以防止腐蚀。

本文探讨了在 PCB 制造中使用昂贵的镀金而不是更便宜的银或铜的理由。

常见PCB表面处理概述

PCB 上裸露的铜线通常镀有金属涂层或有机薄膜，以防止氧化。常见的金属表面处理包括：

浸银——化学镀银工艺
有机可焊性保护剂（OSP）——有机保护膜
电解镍/金 – 电镀镍底层金
化学镀镍/浸金（ENIG）——先化学镀镍，再浸金

其中，ENIG 和电解镍/金利用金来最大程度地提高耐腐蚀性和导电性。但金也是最昂贵的表面处理材料。

PCB 表面处理的需求

PCB 是电子元件安装和互连的平台。PCB 上蚀刻的铜线为信号和电源提供导电路径。

然而，铜在暴露于氧气和湿气时很容易形成不导电的氧化铜。这种氧化在PCB制造过程中，当铜暴露在空气中时就已经开始了。

由于裸铜暴露在环境中，氧化过程会持续进行。对于之后需要焊接以连接元件的焊盘而言，氧化过程尤其如此。焊盘上形成的氧化物会降低可焊性。

此外，氧化还会增加电阻率，从而削弱电气连接。不良的焊点可能会导致设备故障或可靠性降低。

因此，PCB表面处理具有多种功能：

焊接前防止铜氧化
实现可靠的焊点形成
保持接头处的低接触电阻
在产品使用寿命期间保护铜免受腐蚀

为什么在PCB制造中使用黄金

黄金具有独特的优势，使其成为许多应用中 PCB 表面处理的首选金属：

优异的耐腐蚀性

黄金具有极强的惰性，在典型的使用条件或周围环境下不会氧化或腐蚀。这使得镀金线材在数十年的产品使用寿命内都能保持其纯度和导电性。

高导电性

金的导电性仅次于银和铜。但银和铜都容易发生表面腐蚀。金兼具优异的导电性和耐腐蚀性。

灵活的沉积选项

金镀层可以通过化学镀或电解镀等工艺轻松应用于PCB上。镀金厚度可根据需要控制。

出色的可焊性

金可形成高度可靠的焊点，且不会出现任何润湿问题。即使储存一段时间，其可焊性依然完好无损。

保质期长

黄金的纯度和特性能够永久保持。这使得镀金PCB拥有极长的使用寿命。

延性沉积物

黄金可提供延展性涂层，在热循环应力下不易开裂或断裂。

引线键合能力

镀金层可实现高产量的引线键合，这对于微电子技术来说非常重要。

可返修性

金涂层可进行多次返工和修复循环，而不会损失表面完整性或性能。

无铅兼容性

黄金与无铅焊料和焊接工艺完全兼容。

银和铜饰面的缺点

与镀金相比，银和铜具有导电性更高、成本更低等优势。然而，银和铜也存在一些局限性：

氧化和腐蚀：银和铜在周围环境中容易氧化和腐蚀。随着时间的推移，这会导致接触电阻增加和可焊性变差。

焊接可靠性差：氧化物的形成会影响焊接时的正常润湿。不同金属与焊料的界面也会增加故障风险。

保质期缩短：银和铜表面在电镀后会立即发生氧化和腐蚀。因此需要在电镀后立即进行焊接。

劣质引线键合：与金相比，氧化风险给银/铜表面的引线键合带来了挑战。

热循环可靠性：与延展性金相比，银和铜的氧化物在温度波动下更容易损坏。

环境限制：银涂层失去光泽会在使用和处理过程中向环境中释放有毒的银化合物。

更高的生命周期成本：银/铜表面频繁的腐蚀和焊接问题意味着更高的维修、返工和保修成本。

PCB表面镀金工艺

化学镀镍沉金 (ENIG)

化学镀镍浸金 (ENIG) 是一种广泛用于印刷电路板 (PCB) 的表面处理工艺。该工艺包含两个步骤，分别在 PCB 的铜线上沉积镍层和金层。以下是 ENIG 工艺及其主要特性的详细说明：

化学镀镍

第一步，将 PCB 的铜走线浸入含有镍盐、还原剂和稳定剂溶液的化学浴中。
溶液中的镍离子被催化还原到铜表面，形成均匀连续的化学镀镍层。
镍层厚度通常在3-6微米（μm）之间。该厚度可提供良好的覆盖效果，并充当铜层和金层之间的扩散屏障。

浸金沉积

镀镍后，将 PCB 浸入含有金盐的溶液中。
溶液中的金离子被化学还原，通过浸没过程在镍表面沉积一层薄薄的金。
金层厚度通常在 0.03-0.15 μm 之间，可提供薄而有效的保护涂层。

ENIG 的主要特性和优点

扩散阻挡层：镍层充当扩散阻挡层，防止铜迁移到金层，反之亦然。该阻挡层有助于保持金层的完整性，并防止可能影响焊点可靠性的金属间化合物的形成。
可焊性：ENIG 镀层拥有平整光滑的金表面，因此具有优异的可焊性。金层有利于焊料在组装过程中的润湿，从而确保焊点的可靠性。
防腐蚀：金具有极强的抗氧化和抗腐蚀性能，能够为底层的镍和铜提供可靠的保护层。这种耐腐蚀性能对于在恶劣环境或潮湿环境下使用的PCB尤为重要。
表面平整度：ENIG 工艺可实现平整的表面，这对于细间距表面贴装技术 (SMT) 元件至关重要。光滑的金表面有助于确保元件的精确放置和可靠的焊接连接。
良好的电气性能：ENIG具有良好的导电性和低接触电阻，适用于高频和高速数字应用。
引线键合兼容性：ENIG 的金层与用于将半导体芯片连接到 PCB 的引线键合技术兼容。光滑的金表面有利于实现可靠的引线键合连接。

总体而言，化学镀镍浸金 (ENIG) 为 PCB 提供了可靠且多功能的表面处理，具有优异的可焊性、耐腐蚀性和电气性能。其广泛应用于消费电子、电信、航空航天和医疗设备等各个行业。

镀金PCB工艺的特点

可焊性问题

虽然镀金层表现出良好的化学稳定性，但这种稳定性也意味着金不易与焊料形成良好的合金，从而影响焊点的质量。
在焊接过程中，如果金层过厚，金可能会溶解到焊料中，导致焊点变脆。这种现象被称为“金脆”。

使用限制

由于可焊性问题，镀金通常不用于需要大量焊接的区域。相反，它更常用于连接器接触点或用于铝线键合的区域。
在需要焊接的区域，通常采用替代表面处理方法，例如有机可焊性保护剂（OSP）、无铅焊料或锡铅合金。

设计注意事项

在设计镀金PCB时，需要仔细考虑金层的厚度及其应用位置，以确保能够利用金的优点，同时避免其在焊接中的缺点。
因此，尽管镀金PCB在某些方面性能优越，但在焊接性能方面确实存在局限性，这些局限性需要在设计和制造过程中特别注意。

镀金PCB的主要应用

依赖镀金 PCB 的一些关键应用示例包括：

航空航天和航空电子：Gold 的可靠性确保了其在太空任务中的终身性能。
医疗器械：金涂层可防止植入设备和诊断设备的腐蚀。
海底电子设备：黄金可以承受海洋设备所经历的高压和盐分条件。
高速数字电路：黄金的导电性可实现高达数 GHz 频率的无差错数据传输。
微波和雷达模块：镀金可在微波频率下提供最低的损耗。
连接器和机电继电器：接触点上的硬金可承受数百万次开关循环。
光子/光电系统：金涂层可提供精密光学仪器所需的高反射率。

结语

总而言之，对于要求极致可靠性、导电性、耐腐蚀性、可焊性和引线键合性能的应用而言，金是理想的PCB表面处理材料。金的初始材料成本较高，但其更高的成本却可以通过提高产品质量、延长使用寿命以及降低关键系统故障风险来证明。这使得金在助力下一代电子产品不断突破性能和耐用性的极限方面物有所值。

为什么在 PCB 制造中使用金而不是银和铜？

常见PCB表面处理概述

PCB 表面处理的需求