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Quel est le processus de traitement de surface des PCB ?
Les surfaces en cuivre des circuits imprimés non recouvertes d'un masque de soudure, telles que les pastilles de soudure, les contacts dorés, les trous mécaniques, etc., s'oxydent facilement en l'absence de revêtement protecteur, ce qui affecte la soudure entre le cuivre nu et les composants dans la zone soudable du circuit imprimé.
Comme le montre la figure ci-dessous, le traitement de surface est situé sur la couche la plus externe du circuit imprimé, au-dessus de la couche de cuivre, servant de « revêtement » sur la surface du cuivre.
La fonction principale du traitement de surface est de protéger la surface de cuivre exposée des circuits d'oxydation, fournissant ainsi une surface soudable pour la soudure pendant le soudage.
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Classification des procédés de traitement de surface des PCB
Les processus de traitement de surface des PCB sont divisés dans les catégories suivantes :
Nivellement de soudure à air chaud (HASL)
Immersion dans l'étain (ImSn)
Nickel-or chimique (or par immersion) (ENIG)
Conservateurs organiques soudables (OSP)
Argent chimique (ImAg)
Nickelage chimique, placage chimique au palladium, immersion dans l'or (ENEPIG)
Nickel/Or électrolytique
Nivellement de soudure à air chaud (HASL)
Le soudage à l'air chaud (HASL), communément appelé étamage par pulvérisation, est un procédé de traitement de surface très répandu et relativement peu coûteux. Il existe deux types d'étamage par pulvérisation : l'étamage par pulvérisation sans plomb et l'étamage par pulvérisation avec plomb.
La durée de conservation du PCB peut atteindre 12 mois, avec une température de processus de 250 ℃ et une plage d'épaisseur de traitement de surface de 1 à 40 um.
Le procédé d'étamage consiste à immerger la carte de circuit imprimé dans de la soudure fondue (étain/plomb) afin de recouvrir la surface de cuivre exposée. Une fois la carte retirée de la soudure fondue, de l'air chaud à haute pression est soufflé sur sa surface à l'aide d'une lame d'air, ce qui permet à la soudure de se déposer uniformément et d'éliminer l'excédent.
Le procédé d'étamage exige une parfaite maîtrise de la température de soudage, de la température et de la pression de la lame, du temps d'immersion, de la vitesse de remontée, etc. Il est essentiel de veiller à ce que le circuit imprimé soit complètement immergé dans la soudure fondue et que la lame d'air puisse éliminer la soudure avant sa solidification. La pression de cette lame permet de minimiser le ménisque à la surface du cuivre et d'éviter les ponts de soudure.
Nivellement de soudure à air chaud (HASL)
avantage:
Longue durée de vie
Bonne soudabilité
Résistance à la corrosion et à l'oxydation
L'inspection visuelle est possible
Inconvénients :
Inégalité de surface
Ne convient pas aux appareils avec un petit espacement
Perles d'étain faciles à produire
Déformation causée par une température élevée
Ne convient pas à la galvanoplastie à travers des trous
Immersion dans l'étain (ImSn)
L'étain par immersion (ImSn) est un revêtement métallique déposé par réaction de déplacement chimique, appliqué directement sur le métal de base (c'est-à-dire le cuivre) du circuit imprimé, qui peut répondre aux exigences des composants à petit pas pour la planéité de la surface du PCB.
Le dépôt d'étain protège le cuivre sous-jacent de l'oxydation pendant sa durée de conservation de 3 à 6 mois. Comme toute soudure est à base d'étain, la couche d'étain déposée est compatible avec tous les types de soudure. L'ajout d'additifs organiques à la solution d'immersion dans l'étain confère à cette couche une structure granulaire, éliminant ainsi les problèmes de formation de moustaches d'étain et de migration de l'étain, tout en assurant une bonne stabilité thermique et une excellente soudabilité.
La température du processus de dépôt d'étain est de 50 ℃ et l'épaisseur du traitement de surface est de 0.8 à 1.2 um. PCB particulièrement adapté à la connexion par sertissage, comme les panneaux arrière de communication.
Immersion dans l'étain (ImSn)
avantage:
Convient aux petits espacements/BGA
Bon lissé de surface
Conforme à RoHS
Bonne soudabilité
Bonne stabilité
Inconvénients :
Facile à contaminer
Les moustaches d'étain peuvent provoquer des courts-circuits
Les tests électriques nécessitent des sondes souples
Ne convient pas aux interrupteurs à contact
Corrosif pour la couche de masque de soudure
Nickel-or chimique (or par immersion) (ENIG)
L'or par immersion chimique au nickel (ENIG) peut répondre aux exigences de planéité de surface et de traitement sans plomb des PCB pour les dispositifs à petit pas (BGA et μ BGA).
L'ENIG est constitué de deux couches de revêtement métallique : du nickel déposé sur une surface de cuivre par voie chimique, puis recouvert d'atomes d'or par réaction de déplacement. L'épaisseur du nickel est de 3 à 6 µm, et celle de l'or de 0.05 à 0.1 µm. Le nickel sert de barrière au cuivre et constitue la surface sur laquelle les composants sont soudés. L'or a pour rôle de prévenir l'oxydation du nickel pendant le stockage, avec une durée de conservation d'environ un an, et garantit une excellente planéité de surface.
Le procédé d'immersion d'or est largement utilisé dans les cartes haute densité, les cartes rigides classiques et les cartes souples, offrant une grande fiabilité et prenant en charge le câblage par fil d'aluminium. Il est largement utilisé dans des secteurs tels que la consommation, les communications et l'informatique, l'aérospatiale et la santé.
Nickel-or chimique (ENIG)
avantage:
Longue durée de vie
Carte haute densité (μ BGA)
Collage de fil d'aluminium
Planéité de surface élevée
Convient pour les trous de galvanoplastie
Inconvénients :
prix cher
Atténuation des signaux RF
Impossible de retravailler
Tampon noir/nickel noir
Le processus de traitement est complexe
Conservateurs organiques soudables (OSP)
Les conservateurs de soudabilité organiques (OSP) sont des couches protectrices de matériaux très fines appliquées sur le cuivre exposé pour protéger la surface du cuivre de l'oxydation.
Les films organiques possèdent des propriétés telles que la résistance à l'oxydation, aux chocs thermiques et à l'humidité, qui protègent les surfaces de cuivre de l'oxydation et de la sulfuration dans des conditions normales. Après soudage à haute température, le film organique est facilement éliminé par le flux, permettant ainsi à la surface de cuivre propre et exposée de se lier immédiatement à la soudure fondue , formant un joint de soudure solide en un temps très court.
L'OSP est un composé organique à base d'eau capable de se lier sélectivement au cuivre pour protéger sa surface avant le soudage. Comparé à d'autres procédés de traitement de surface sans plomb, il est très respectueux de l'environnement, car ces derniers peuvent être toxiques ou plus énergivores.
Conservateurs organiques soudables (OSP)
avantage:
Simple et pas cher
Protection de l'environnement sans plomb
Surface lisse
Liaison par fil
Inconvénients :
Ne convient pas au PTH
Durée de conservation courte
Pas pratique pour l'inspection visuelle et électrique
Les appareils TIC peuvent endommager le PCB
Argent chimique (ImAg)
L'argent par immersion (ImAg) est un procédé qui consiste à plaquer directement du cuivre avec une couche d'argent pur en immergeant un circuit imprimé dans un bain d'ions argent par réaction de déplacement. L'argent possède des propriétés chimiques stables. Les circuits imprimés traités par immersion dans l'argent conservent une bonne aptitude électrique et une bonne soudabilité, même exposés à des environnements chauds, humides et pollués, et même si la surface perd son éclat.
Parfois, pour empêcher l'argent de réagir avec les sulfures présents dans l'environnement, le dépôt d'argent est associé à un revêtement OSP. Dans la plupart des applications, l'argent peut remplacer l'or. Si vous ne souhaitez pas introduire de matériaux magnétiques (nickel) dans le circuit imprimé, vous pouvez opter pour le dépôt d'argent.
L'épaisseur de surface du dépôt d'argent est de 0.12 à 0.40 µm, et sa durée de conservation est de 6 à 12 mois. Le procédé de dépôt d'argent est sensible à la propreté de la surface pendant le traitement ; il est donc nécessaire de garantir que l'ensemble du processus de production ne provoque pas de contamination de la surface du dépôt d'argent. Ce procédé convient aux applications telles que les circuits imprimés, les commutateurs à couches minces et le soudage de fils d'aluminium nécessitant un blindage électromagnétique.
Argent coulant (ImAg)
avantage:
Bonne planéité de surface
Haute soudabilité
Bonne stabilité
Bonnes performances de blindage
Convient pour le collage de fils d'aluminium
Inconvénients :
Sensible aux polluants
Facile à subir une électromigration
Moustaches en métal argenté
Courte fenêtre d'assemblage après le déballage
Difficulté des tests électriques
Nickelage chimique, placage chimique au palladium, immersion dans l'or (ENEPIG)
Comparé à l'ENIG, l'ENEPIG comporte une couche supplémentaire de palladium entre le nickel et l'or, ce qui renforce la protection du nickel contre la corrosion et prévient l'apparition de dépôts noirs lors du traitement de surface de l'ENIG, offrant ainsi une surface plus lisse. L'épaisseur de dépôt du nickel est d'environ 3 à 6 µm, celle du palladium d'environ 0.1 à 0.5 µm et celle de l'or de 0.02 à 0.1 µm. Bien que la couche d'or soit plus fine que celle de l'ENIG, son coût est plus élevé.
La structure en couches de cuivre-nickel-palladium-or peut être directement liée par fil à la couche de placage. La dernière couche d'or est très fine et fragile, et des dommages mécaniques excessifs ou des rayures profondes peuvent exposer la couche de palladium.
Nickelage chimique, placage chimique au palladium, immersion dans l'or (ENEPIG)
avantage:
Surface extrêmement plate
Liaison par fil
Peut être soudé par refusion plusieurs fois
Haute fiabilité des joints de soudure
Longue durée de vie
Inconvénients :
prix cher
La liaison par fil d'or n'est pas aussi fiable que la liaison par fil d'or mou
Perles d'étain faciles à produire
Procédure complexe
Difficile de contrôler le processus de traitement
Nickel/Or électrolytique
L'or nickelé électrolytique est divisé en « or dur » et « or mou ».
L'or dur, d'une faible pureté (99.6 %), est couramment utilisé pour les contacts de bord de circuits imprimés (broches dorées) , les contacts de circuits imprimés et autres zones fortement sollicitées. Son épaisseur peut varier selon les besoins.
L'or mou est plus pur (99.9 %) et est couramment utilisé pour le soudage par fils.
Or électrolytique dur
L'or dur est un alliage d'or contenant des complexes de cobalt, de nickel ou de fer. Le nickel à faible contrainte est utilisé entre le placage d'or et le cuivre. L'or dur convient aux composants fréquemment utilisés et très sujets à l'usure, tels que les cartes mères, les doigts en or et les claviers.
L'épaisseur du traitement de surface en or dur peut varier selon l'application. L'épaisseur soudable maximale recommandée pour l'IPC est de 17.8 μ po, 25 μ po pour l'or et 100 μ po pour le nickel pour les applications IPC1 et Classe 2, et de 50 μ po pour l'or et 100 μ po pour le nickel pour les applications IPC3.
Or électrolytique doux
Principalement utilisés pour les PCB nécessitant une liaison par fils et une soudabilité élevée, les joints de soudure en or doux sont plus sûrs que l'or dur.
Traitement de surface électrolytique doux à l'or
Nickel/Or électrolytique
avantage:
Longue durée de vie
Haute fiabilité des joints de soudure
Surface résistante
Inconvénients :
Très cher
Le doigt d'or nécessite un câblage conducteur supplémentaire sur la carte
L'or dur a une faible soudabilité
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Comment choisir le processus de traitement de surface PCB ?
Le traitement de surface des circuits imprimés influe directement sur la production, le nombre de retouches , le taux de défaillance sur site, la capacité de test et le taux de rebut. Pour garantir la qualité et les performances du produit final, il est essentiel de choisir un traitement de surface conforme aux exigences de conception. En ingénierie, les aspects suivants peuvent être pris en compte :
Planéité du tampon
La planéité des pastilles de soudure affecte directement la qualité de soudure du PCBA, en particulier lorsqu'il y a des BGA relativement grands ou des μ BGA à pas plus petit sur la carte, ENIG, ENEPIG et OSP peuvent être sélectionnés lorsque la couche protectrice sur la surface de la pastille de soudure doit être fine et uniforme.
Soudabilité et mouillabilité
La soudabilité est toujours un facteur clé pour les circuits imprimés. Tout en répondant à d'autres exigences, il est conseillé de choisir un procédé de traitement de surface offrant une soudabilité élevée pour garantir le rendement du brasage par refusion.
Fréquence de soudage
Combien de fois un circuit imprimé doit-il être soudé ou retravaillé ? Le traitement de surface OSP ne permet pas de le retravailler plus de deux fois. À l'heure actuelle, des procédés de traitement de surface composites tels que l'or par immersion + OSP sont également privilégiés. Actuellement, les produits électroniques haut de gamme, comme les smartphones, optent pour ce procédé.
La conformité RoHS
Le plomb dans les cartes PCBA provient principalement des broches des composants, des pastilles de soudure et de la soudure. Pour être conforme à la directive RoHS, le traitement de surface des cartes PCB doit également respecter les normes RoHS. Par exemple, les traitements ENIG, étamage, argenture et OSP sont tous conformes à ces normes.
Collage du métal
Si une liaison par fil d'or ou d'aluminium est requise, elle peut être limitée à ENIG, ENEPIG et à l'or électrolytique doux.
Fiabilité des joints de soudure
Le traitement de surface du circuit imprimé peut également influencer la qualité finale de la soudure de l'assemblage . Si des joints de soudure de haute fiabilité sont requis, on peut opter pour un procédé d'immersion à l'or ou au nickel-palladium-or.
