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¿Qué es el proceso de tratamiento de superficies de PCB?
Las superficies de cobre en las placas de circuito impreso sin recubrimiento de máscara de soldadura, como las almohadillas de soldadura, los contactos dorados, los orificios mecánicos, etc., se oxidan fácilmente si no tienen un recubrimiento protector, lo que afecta la soldadura entre el cobre desnudo y los componentes en el área soldable de la placa.
Como se muestra en la figura siguiente, el tratamiento superficial se ubica en la capa más externa de la placa de circuito impreso, por encima de la capa de cobre, sirviendo como un “recubrimiento” sobre la superficie de cobre.
La función principal del tratamiento de superficie es proteger la superficie de cobre expuesta de los circuitos de oxidación, proporcionando así una superficie soldable para soldar durante la soldadura.
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Clasificación de los procesos de tratamiento de superficies de PCB
Los procesos de tratamiento de superficies de PCB se dividen en las siguientes categorías:
Nivelación de soldadura de aire caliente (HASL)
Inmersión en estaño (ImSn)
Oro de níquel químico (oro de inmersión) (ENIG)
Conservantes orgánicos soldables (OSP)
Plata química (ImAg)
Niquelado químico, paladio químico, inmersión en oro (ENEPIG)
Níquel / oro electrolítico
Nivelación de soldadura de aire caliente (HASL)
El estañado por aire caliente (HASL, por sus siglas en inglés), comúnmente conocido como estañado por pulverización, es un proceso de tratamiento de superficies muy utilizado y relativamente económico. Se divide en estañado por pulverización sin plomo y estañado por pulverización con plomo.
La vida útil de la PCB puede alcanzar los 12 meses, con una temperatura de proceso de 250 ℃ y un rango de espesor de tratamiento de superficie de 1-40um.
El proceso de pulverización de estaño consiste en sumergir la placa de circuito impreso en soldadura fundida (estaño/plomo) para cubrir la superficie de cobre expuesta. Al retirar la placa de la soldadura fundida, se aplica aire caliente a alta presión mediante una cuchilla, lo que provoca que la soldadura se deposite de forma uniforme y se elimine el exceso.
El proceso de estañado por pulverización requiere un control preciso de la temperatura de soldadura, la temperatura de la cuchilla, la presión de la cuchilla, el tiempo de inmersión, la velocidad de elevación, etc. Es fundamental que la placa de circuito impreso (PCB) esté completamente sumergida en la soldadura fundida y que la cuchilla de aire la elimine antes de que se solidifique. La presión de la cuchilla de aire minimiza el menisco en la superficie del cobre y evita la formación de puentes de soldadura.
Nivelación de soldadura de aire caliente (HASL)
ventaja:
Larga vida de anaquel
Buena soldabilidad
Resistencia a la corrosión y oxidación.
Es posible la inspección visual
Desventajas:
Desnivel de la superficie
No apto para dispositivos con espacios pequeños
Perlas de estaño fáciles de producir
Deformación causada por alta temperatura
No apto para galvanoplastia a través de agujeros.
Inmersión en estaño (ImSn)
El estaño de inmersión (ImSn) es un recubrimiento metálico depositado a través de una reacción de desplazamiento químico, aplicado directamente al metal base (es decir, el cobre) de la placa de circuito, que puede cumplir con los requisitos de los componentes de paso pequeño para la planitud de la superficie de la PCB.
La deposición de estaño protege el cobre subyacente de la oxidación durante su vida útil de 3 a 6 meses. Dado que todas las soldaduras son a base de estaño, la capa de estaño depositada puede ser compatible con cualquier tipo de soldadura. Tras añadir aditivos orgánicos a la solución de inmersión en estaño, la estructura de la capa de estaño se vuelve granular, lo que soluciona los problemas causados por la formación de filamentos de estaño y la migración de este, a la vez que proporciona una buena estabilidad térmica y soldabilidad.
La temperatura del proceso de deposición de estaño es de 50 ℃ y el espesor del tratamiento superficial es de 0.8-1.2 um. PCB que es particularmente adecuado para la conexión mediante engarce, como placas de comunicaciones.
Inmersión en estaño (ImSn)
ventaja:
Adecuado para espacios pequeños/BGA
Buena suavidad superficial
Cumple con RoHS
Buena soldabilidad
Buena estabilidad
Desventajas:
Fácil de contaminar
Los bigotes de estaño pueden provocar cortocircuitos.
Las pruebas eléctricas requieren sondas blandas
No apto para interruptores de contacto.
Corrosivo para la capa de máscara de soldadura
Oro de níquel químico (oro de inmersión) (ENIG)
El níquel químico por inmersión en oro (ENIG) puede satisfacer los requisitos de planitud de superficie y procesamiento sin plomo de PCB para dispositivos de paso pequeño (BGA y μ BGA).
El recubrimiento ENIG consta de dos capas metálicas: níquel depositado sobre la superficie de cobre mediante procesos químicos y, posteriormente, oro recubierto mediante reacciones de desplazamiento. El espesor del níquel es de 3 a 6 μm, y el del oro, de 0.05 a 0.1 μm. El níquel actúa como barrera para el cobre y constituye la superficie a la que se sueldan los componentes. El oro previene la oxidación del níquel durante el almacenamiento, con una vida útil de aproximadamente un año, y garantiza una excelente planitud superficial.
El proceso de inmersión en oro se utiliza ampliamente en placas de alta densidad, placas duras convencionales y placas blandas, con alta fiabilidad y compatibilidad con la unión por cable de aluminio. Se utiliza ampliamente en industrias como la de consumo, la de comunicaciones/informática, la aeroespacial y la sanitaria.
Níquel-oro químico (ENIG)
ventaja:
Larga vida de anaquel
Placa de alta densidad (μ BGA)
Unión de alambre de aluminio
Alta planitud de la superficie
Adecuado para agujeros de galvanoplastia.
Desventajas:
precio caro
Atenuación de señales de RF
No se puede retrabajar
Almohadilla negra/níquel negro
El proceso de procesamiento es complejo
Conservantes orgánicos soldables (OSP)
Los conservantes orgánicos de soldabilidad (OSP) son capas protectoras de material muy delgadas que se aplican al cobre expuesto para proteger la superficie del cobre de la oxidación.
Las películas orgánicas poseen características como resistencia a la oxidación, resistencia al choque térmico y resistencia a la humedad, lo que permite proteger las superficies de cobre de la oxidación o sulfuración en condiciones normales. En el proceso de soldadura a alta temperatura posterior, la película orgánica se elimina fácilmente con el fundente, lo que provoca que la superficie de cobre limpia expuesta se adhiera inmediatamente a la soldadura fundida , formando una unión de soldadura fuerte en muy poco tiempo.
El OSP es un compuesto orgánico a base de agua que se une selectivamente al cobre para proteger su superficie antes de soldar. Comparado con otros procesos de tratamiento de superficies sin plomo, es muy respetuoso con el medio ambiente, ya que otros tratamientos de superficies pueden ser tóxicos o consumir más energía.
Conservantes orgánicos soldables (OSP)
ventaja:
Simple y barato
Protección del medio ambiente sin plomo
La superficie lisa
Unión de cables
Desventajas:
No apto para PTH
Vida útil corta
No es conveniente para la inspección visual y eléctrica.
Los accesorios de TIC pueden dañar la PCB
Plata química (ImAg)
La plata por inmersión (ImAg) es un proceso que consiste en recubrir directamente el cobre con una capa de plata pura mediante la inmersión de una PCB en un baño de iones de plata mediante una reacción de desplazamiento. La plata posee propiedades químicas estables. Las PCB procesadas mediante tecnología de inmersión en plata mantienen una buena capacidad eléctrica y de soldadura incluso expuestas a ambientes cálidos, húmedos y contaminados, e incluso si la superficie pierde su brillo.
En ocasiones, para evitar que la plata reaccione con los sulfuros del entorno, se combina la deposición de plata con un recubrimiento OSP. En la mayoría de las aplicaciones, la plata puede sustituir al oro. Si no desea introducir materiales magnéticos (níquel) en la PCB, puede optar por la deposición de plata.
El espesor superficial de la deposición de plata es de 0.12-0.40 μm y su vida útil es de 6 a 12 meses. El proceso de deposición de plata es fundamental para la limpieza de la superficie durante el procesamiento, por lo que es necesario garantizar que la deposición de plata no se contamine durante todo el proceso de producción. Este proceso es adecuado para aplicaciones como PCB, interruptores de película delgada y unión de cables de aluminio que requieren blindaje EMI.
Plata hundida (ImAg)
ventaja:
Buena planitud superficial
Alta soldabilidad
Buena estabilidad
Buen rendimiento de blindaje
Adecuado para la unión de cables de aluminio.
Desventajas:
Sensible a los contaminantes
Fácil de sufrir electromigración
Bigotes de metal plateado
Ventana de montaje corta después del desembalaje
Dificultad en las pruebas eléctricas
Niquelado químico, paladio químico, inmersión en oro (ENEPIG)
En comparación con ENIG, ENEPIG cuenta con una capa adicional de paladio entre el níquel y el oro, lo que protege aún más la capa de níquel de la corrosión y evita la aparición de manchas negras durante el tratamiento superficial de ENIG, ofreciendo así una mayor suavidad superficial. El espesor de la capa de níquel es de aproximadamente 3-6 μm, el de la capa de paladio de aproximadamente 0.1-0.5 μm y el de la capa de oro de 0.02-0.1 μm. Si bien el espesor de la capa de oro es menor que en ENIG, también es más costoso.
La estructura de capas de cobre, níquel, paladio y oro se puede unir directamente con alambre a la capa de recubrimiento. La última capa de oro es muy fina y blanda, y un daño mecánico excesivo o arañazos profundos podrían exponer la capa de paladio.
Niquelado químico, paladio químico, inmersión en oro (ENEPIG)
ventaja:
Superficie extremadamente plana
Unión de cables
Se puede soldar por reflujo varias veces
Alta fiabilidad de las uniones soldadas
Larga vida de anaquel
Desventajas:
precio caro
La unión con alambre de oro no es tan confiable como la unión con oro blando
Perlas de estaño fáciles de producir
Proceso complejo
Difícil controlar el proceso de procesamiento
Níquel / oro electrolítico
El oro de níquel galvanizado se divide en “oro duro” y “oro blando”.
El oro duro tiene una pureza baja (99.6 %) y se usa comúnmente para contactos de oro (conectores de borde de PCB) , contactos de PCB u otras áreas de alto desgaste. El grosor del oro puede variar según los requisitos.
El oro blando es más puro (99.9%) y se utiliza habitualmente para la unión de cables.
Oro electrolítico duro
El oro duro es una aleación de oro que contiene complejos de cobalto, níquel o hierro. El níquel de baja tensión se utiliza entre el chapado en oro y el cobre. El oro duro es adecuado para componentes de uso frecuente y con alta probabilidad de desgaste, como placas base, dedos dorados y teclados.
El espesor del tratamiento superficial de oro duro puede variar según la aplicación. El espesor máximo soldable recomendado para IPC es de 17.8 μ pulg., 25 μ pulg. en oro y 100 μ pulg. en níquel para aplicaciones IPC1 y Clase 2, y de 50 μ pulg. en oro y 100 μ pulg. en níquel para aplicaciones IPC3.
Oro electrolítico blando
Utilizadas principalmente para PCB que requieren unión por cables y alta soldabilidad, las uniones de soldadura de oro blando son más seguras en comparación con el oro duro.
Tratamiento superficial de oro electrolítico suave
Níquel / oro electrolítico
ventaja:
Larga vida de anaquel
Alta fiabilidad de las uniones soldadas
Superficie duradera
Desventajas:
Muy caro
El dedo dorado requiere cableado conductor adicional en la placa.
El oro duro tiene poca soldabilidad
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¿Cómo elegir el proceso de tratamiento de superficie de PCB?
El proceso de tratamiento superficial de las placas de circuito impreso (PCB) afectará directamente la producción, la cantidad de retrabajo , la tasa de fallos en planta, la capacidad de prueba y la tasa de desperdicio. Para garantizar la calidad y el rendimiento del producto final, es necesario elegir un proceso de tratamiento superficial que cumpla con los requisitos de diseño. En ingeniería, se pueden considerar las siguientes perspectivas:
Planitud de la almohadilla
La planitud de las almohadillas de soldadura afecta directamente la calidad de soldadura de PCBA, especialmente cuando hay BGA relativamente grandes o μ BGA de paso más pequeño en la placa. Se pueden seleccionar ENIG, ENEPIG y OSP cuando la capa protectora en la superficie de la almohadilla de soldadura debe ser delgada y uniforme.
Soldabilidad y humectabilidad
La soldabilidad es siempre un factor clave para las placas de circuito impreso (PCB). Además de cumplir con otros requisitos, es recomendable elegir un proceso de tratamiento superficial con alta soldabilidad para garantizar el rendimiento de la soldadura por reflujo.
Frecuencia de soldadura
¿Cuántas veces se debe soldar o retrabajar una PCB? El proceso de tratamiento superficial de OSP no es adecuado para retrabajarse más de dos veces. Actualmente, también se optan por procesos de tratamiento superficial compuesto, como la inmersión en oro + OSP. Actualmente, productos electrónicos de alta gama, como smartphones, optan por este proceso de tratamiento.
Cumplimiento RoHS
El elemento principal en las placas de circuito impreso (PCBA) proviene de los pines de los componentes, las almohadillas de la PCB y la soldadura. Para cumplir con la normativa RoHS, el tratamiento superficial de la PCB también debe cumplir con los estándares RoHS. Por ejemplo, los recubrimientos ENIG, estaño, plata y OSP cumplen con los estándares RoHS.
unión de metal
Si se requiere unión con cables de oro o aluminio, puede limitarse a ENIG, ENEPIG y oro electrolítico blando.
Fiabilidad de las uniones soldadas
El proceso de tratamiento superficial de la placa de circuito impreso (PCB) también puede afectar la calidad final de la soldadura del ensamblaje de la placa de circuito impreso (PCBA) . Si se requieren uniones de soldadura de alta fiabilidad, se puede optar por el uso de oro por inmersión o el proceso de níquel-paladio-oro.
