01
Czym jest proces obróbki powierzchni PCB?
Powierzchnie miedziane na PCB bez pokrycia maską lutowniczą, takiego jak pola lutownicze, złote styki, otwory mechaniczne itp. Jeśli nie ma powłoki ochronnej, powierzchnia miedzi łatwo ulega utlenieniu, co ma wpływ na lutowanie pomiędzy gołą miedzią a komponentami w obszarze lutowania płytki PCB.
Jak pokazano na poniższym rysunku, powierzchnia obróbka odbywa się na najbardziej zewnętrznej warstwie PCB, nad warstwą miedzi, pełniąc funkcję „powłoki” na powierzchni miedzi.
Główną funkcją obróbki powierzchniowej jest ochrona odsłoniętej powierzchni miedzi przed utlenianiem, a tym samym zapewnienie lutowalnej powierzchni do lutowania podczas spawania.
02
Klasyfikacja procesów obróbki powierzchni PCB
Procesy obróbki powierzchni PCB dzielą się na następujące kategorie:
Poziomowanie lutu gorącym powietrzem (HASL)
Zanurzenie w cynie (ImSn)
Niklowanie chemiczne złota (złoto immersyjne) (ENIG)
Organiczne środki konserwujące lutowalne (OSP)
Srebro chemiczne (ImAg)
Niklowanie chemiczne, palladowanie chemiczne, zanurzanie w złocie (ENEPIG)
Nikiel elektrolityczny/złoto
Poziomowanie lutu gorącym powietrzem (HASL)
Poziom lutowania gorącym powietrzem (HASL), powszechnie znany jako cyna natryskowa, to proces obróbki powierzchni, który jest najczęściej stosowany i stosunkowo niedrogi. Dzieli się na bez ołowiu cyna w sprayu i cyna w sprayu ołowiana.
Okres przydatności PCB może sięgać 12 miesięcy przy temperaturze procesu wynoszącej 250 ℃ i zakresie grubości obróbki powierzchni 1-40 um.
Proces natryskiwania cyny polega na zanurzeniu płytki drukowanej w stopionej lutować (cyna/ołów) do pokrycia odsłoniętej powierzchni miedzi na PCB. Gdy PCB opuszcza stopiony lut, gorące powietrze pod wysokim ciśnieniem jest wdmuchiwane przez powierzchnię za pomocą noża powietrznego, powodując płaskie osadzenie lutu i usunięcie nadmiaru lutu.
Proces natryskiwania cyny wymaga opanowania temperatury spawania, temperatury ostrza, ciśnienia ostrza, czasu spawania zanurzeniowego, prędkości podnoszenia itp. Upewnij się, że PCB jest całkowicie zanurzona w stopionym lutowiu, a nóż powietrzny może wydmuchać lut przed jego zestaleniem. Ciśnienie noża powietrznego może zminimalizować menisk na powierzchnia miedziana i zapobiegają powstawaniu mostków lutowniczych.
Poziomowanie lutu gorącym powietrzem (HASL)
zaleta:
Długi okres trwałości
Dobra spawalność
Odporność na korozję i utlenianie
Możliwa jest kontrola wizualna
Niedogodności:
Nierówności powierzchni
Nie nadaje się do urządzeń o małej odległości między elementami
Łatwe w produkcji koraliki cynowe
Deformacja spowodowana wysoką temperaturą
Nie nadaje się do galwanizacji przez otwory
Zanurzenie w cynie (ImSn)
Cyna immersyjna (ImSn) to powłoka metalowa osadzana poprzez reakcję wypierania chemicznego, nakładana bezpośrednio na metal bazowy (tj. miedź) płytki drukowanej, która może spełnić wymagania dotyczące płaskości powierzchni płytek drukowanych dla elementów o małym odstępie.
Osadzanie cyny może chronić leżącą pod spodem miedź przed utlenianiem w okresie trwałości wynoszącym 3-6 miesięcy. Ponieważ wszystkie luty są na bazie cyny, warstwa osadu cyny może pasować do każdego rodzaju lutu. Po dodaniu organicznych dodatków do roztworu zanurzeniowego cyny struktura warstwy cyny staje się ziarnista, co eliminuje problemy spowodowane przez wąsy cyny i migrację cyny, a także ma dobra termiczna stabilność i spawalność.
Temperatura procesu osadzania cyny wynosi 50 ℃, a grubość warstwy powierzchniowej wynosi 0.8-1.2 um. Płytka PCB jest szczególnie odpowiednia do łączenia za pomocą zaciskania, np. w tablicach komunikacyjnych.
Zanurzenie w cynie (ImSn)
zaleta:
Nadaje się do małych odstępów/BGA
Dobra gładkość powierzchni
Zgodny z RoHS
Dobra spawalność
Dobra stabilność
Niedogodności:
Łatwo ulega zanieczyszczeniu
Wąsy cynowe mogą powodować zwarcia
Do badań elektrycznych wymagane są miękkie sondy
Nie nadaje się do przełączników kontaktowych
Żrący dla warstwy maski lutowniczej
Niklowanie chemiczne złota (złoto immersyjne) (ENIG)
Metoda ENIG (chemiczne zanurzanie w niklu i złocie) pozwala spełnić wymagania dotyczące płaskości powierzchni i obróbki bezołowiowej stosowane w przypadku płytek PCB o małym rozstawie elementów (BGA i μ BGA).
ENIG składa się z dwóch warstw powłok metalowych, z niklem osadzonym na powierzchni miedzi poprzez procesy chemiczne, a następnie pokrytym atomami złota poprzez reakcje przemieszczenia. Grubość niklu wynosi 3-6 μ m, a grubość złota 0.05-0.1 μ m. Nikiel działa jako bariera dla miedzi i jest powierzchnią, do której elementy są faktycznie lutowane. Rolą złota jest zapobieganie utlenianiu niklu podczas przechowywania, z okresem przydatności do użycia wynoszącym około jednego roku i może zapewnić doskonała płaskość powierzchni.
Proces zanurzania złota jest szeroko stosowany w płytach o wysokiej gęstości, konwencjonalnych płytach twardych i płytach miękkich, z wysoką niezawodnością i obsługą łączenia drutów za pomocą drutu aluminiowego. Szeroko stosowany w takich branżach jak konsumencka, komunikacyjna/komputerowa, lotnicza i opieki zdrowotnej.
Nikiel chemiczny złoty (ENIG)
zaleta:
Długi okres trwałości
Płyta o dużej gęstości (μ BGA)
Klejenie drutu aluminiowego
Wysoka płaskość powierzchni
Nadaje się do otworów galwanicznych
Niedogodności:
droga cena
Tłumienie sygnałów RF
Nie można przerobić
Czarny pad/czarny nikiel
Proces przetwarzania jest złożony
Organiczne środki konserwujące lutowalne (OSP)
Organiczne środki konserwujące lutowność (OSP) to bardzo cienkie warstwy ochronne nakładane na odsłoniętą miedź w celu zabezpieczenia jej powierzchni przed utlenianiem.
Folie organiczne mają takie cechy jak odporność na utlenianie, odporność na szok termiczny i odporność na wilgoć, które mogą chronić powierzchnie miedzi przed utlenianiem lub siarkowaniem w normalnych warunkach. W procesie spawania po wysokiej temperaturze folia organiczna jest łatwo usuwana przez topnik, co powoduje, że odsłonięta czysta powierzchnia miedzi natychmiast łączy się z roztopioną lutowaćtworząc mocne połączenie lutowane w bardzo krótkim czasie.
OSP to związek organiczny na bazie wody, który może selektywnie wiązać się z miedzią, aby chronić powierzchnię miedzi przed spawaniem. W porównaniu z innymi procesami obróbki powierzchni bezołowiowej jest bardzo przyjazny dla środowiska, ponieważ inne procesy obróbki powierzchni mogą być toksyczne lub zużywać więcej energii.
Organiczne środki konserwujące lutowalne (OSP)
zaleta:
Proste i tanie
Ochrona środowiska bez ołowiu
Gładka powierzchnia
Klejenie drutu
Niedogodności:
Nie nadaje się do PTH
Krótki okres trwałości
Nieodpowiedni do inspekcji wizualnej i elektrycznej
Osprzęt ICT może uszkodzić PCB
Srebro chemiczne (ImAg)
Srebro zanurzeniowe (ImAg) to proces bezpośredniego powlekania miedzi warstwą czystego srebra poprzez zanurzenie PCB w kąpieli jonów srebra poprzez reakcję wypierania. Srebro ma stabilne właściwości chemiczne. PCB przetworzone za pomocą technologii zanurzania w srebrze może zachować dobrą elektryczną i lutowność nawet po narażeniu na gorące, wilgotne i zanieczyszczone środowisko, a nawet jeśli powierzchnia straci połysk.
Czasami, aby zapobiec reakcji srebra z siarczkami w środowisku, osadzanie srebra łączy się z powłoką OSP. W większości zastosowań srebro może zastąpić złoto. Jeśli nie chcesz wprowadzać materiałów magnetycznych (niklu) do PCB, możesz zdecydować się na osadzanie srebra.
Grubość powierzchni osadu srebra wynosi 0.12-0.40 μm, a okres trwałości wynosi od 6 do 12 miesięcy. Proces osadzania srebra jest wrażliwy na czystość powierzchni podczas przetwarzania i konieczne jest zapewnienie, że cały proces produkcyjny nie spowoduje zanieczyszczenia powierzchni osadu srebra. Proces osadzania srebra nadaje się do zastosowań takich jak PCB, przełączniki cienkowarstwowe i łączenie przewodów aluminiowych, które wymagają ekranowania EMI.
Tonące srebro (ImAg)
zaleta:
Dobra płaskość powierzchni
Wysoka spawalność
Dobra stabilność
Dobre właściwości ekranujące
Nadaje się do łączenia przewodów aluminiowych
Niedogodności:
Wrażliwy na zanieczyszczenia
Łatwo ulega elektromigracji
Srebrne metalowe wąsy
Krótkie okno montażowe po rozpakowaniu
Trudności w testowaniu elektrycznym
Niklowanie chemiczne, palladowanie chemiczne, zanurzanie w złocie (ENEPIG)
W porównaniu z ENIG, ENEPIG ma dodatkową warstwę palladu pomiędzy niklem i złotem, co dodatkowo chroni warstwę niklu przed korozją i zapobiega powstawaniu czarnych padów podczas obróbki powierzchni ENIG, zapewniając tym samym przewagę w gładkości powierzchni. Grubość osadu niklu wynosi około 3-6 μ m, grubość palladu wynosi około 0.1-0.5 μ m, a grubość złota wynosi 0.02-0.1 μ m. Chociaż grubość złota warstwa jest cieńszy niż ENIG, jest droższy.
Warstwowa struktura miedzi niklu palladu złota może być bezpośrednio połączona drutem z warstwą galwaniczną. Ostatnia warstwa złota jest bardzo cienka i miękka, a nadmierne uszkodzenia mechaniczne lub głębokie zarysowania mogą odsłonić warstwę palladu.
Niklowanie chemiczne, palladowanie chemiczne, zanurzanie w złocie (ENEPIG)
zaleta:
Bardzo płaska powierzchnia
Klejenie drutu
Można lutować rozpływowo wielokrotnie
Wysoka niezawodność połączeń lutowanych
Długi okres trwałości
Niedogodności:
droga cena
Wiązanie drutem złotym nie jest tak niezawodne jak wiązanie miękkim złotem
Łatwe w produkcji koraliki cynowe
Złożony proces
Trudno kontrolować proces przetwarzania
Nikiel elektrolityczny/złoto
Galwanizowane złoto niklowe dzieli się na „twarde złoto” i „miękkie złoto”.
Twarde złoto ma niską czystość (99.6%) i jest powszechnie stosowane do wyrobu złotych palców (Złącza krawędziowe PCB), styki PCB lub inne obszary o dużym zużyciu. Grubość złota może się różnić w zależności od wymagań.
Miękkie złoto jest czystsze (99.9%) i powszechnie stosuje się je do łączenia drutowego.
Twarde złoto elektrolityczne
Twarde złoto to stop złota zawierający kompleksy kobaltu, niklu lub żelaza. Nikiel o niskim naprężeniu jest stosowany między złoceniem a miedziowaniem. Twarde złoto nadaje się do często używanych komponentów, które są bardzo narażone na zużycie, takich jak płytki nośne, złote palce i klawiatury.
Grubość twardej złotej powłoki powierzchniowej może się różnić w zależności od zastosowania. Zalecana maksymalna grubość spawalna dla IPC wynosi 17.8 μ cala, 25 μ w złocie i 100 μ w niklu dla zastosowań IPC1 i klasy 2 oraz 50 μ w złocie i 100 μ w niklu dla zastosowań IPC3.
Miękkie złoto elektrolityczne
Stosowane głównie do płytek PCB wymagających łączenia drutowego i wysokiej lutowalności, miękkie połączenia lutownicze ze złota są bezpieczniejsze w porównaniu do twardego złota.
Miękka elektrolityczna obróbka powierzchni złota
Nikiel elektrolityczny/złoto
zaleta:
Długi okres trwałości
Wysoka niezawodność połączeń lutowanych
Trwała powierzchnia
Niedogodności:
Bardzo drogi
Złoty palec wymaga dodatkowego okablowania przewodzącego na płytce
Twarde złoto ma słabą spawalność
03
Jak wybrać metodę obróbki powierzchni PCB?
Proces obróbki powierzchni PCB ma bezpośredni wpływ na wydajność, ilość przeróbek, wskaźnik awaryjności na miejscu, zdolność testowania i wskaźnik złomu. Aby zapewnić jakość i wydajność produktu końcowego, konieczne jest wybranie procesu obróbki powierzchni, który spełnia wymagania projektowe. W inżynierii można wziąć pod uwagę następujące perspektywy:
Płaskość podkładki
Płaskość pól lutowniczych ma bezpośredni wpływ na jakość lutowania PCBA, zwłaszcza gdy na płytce znajdują się stosunkowo duże układy BGA lub BGA o mniejszym rozstawie μ. ENIG, ENEPIG i OSP można wybrać, gdy warstwa ochronna na powierzchni pola lutowniczego musi być cienka i jednolita.
Lutowalność i zwilżalność
Lutowalność jest zawsze kluczowym czynnikiem dla PCB. Podczas spełniania innych wymagań, zaleca się wybór procesu obróbki powierzchni o wysokiej lutowalności, aby zapewnić wydajność lutowania rozpływowego.
Częstotliwość spawania
Ile razy PCB musi być lutowane lub przerabiane? Proces obróbki powierzchni OSP nie nadaje się do przeróbek więcej niż dwa razy. W tym czasie wybierane będą również procesy obróbki powierzchni kompozytowych, takie jak zanurzeniowe złoto + OSP. Obecnie wysokiej klasy produkty elektroniczne, takie jak smartfony, wybierają ten proces obróbki.
Zgodność z dyrektywą RoHS
Główny element w PCBA pochodzi głównie z pinów komponentów, Podkładki PCB i cyna. Aby spełnić przepisy ROHS, metoda obróbki powierzchni PCB musi również spełniać normy ROHS. Na przykład ENIG, cyna, srebro i OSP spełniają normy ROHS.
Klejenie metali
Jeżeli wymagane jest łączenie drutem złotym lub aluminiowym, może ono być ograniczone do ENIG, ENEPIG i miękkiego złota elektrolitycznego.
Niezawodność połączeń lutowanych
Proces obróbki powierzchni PCB może również wpływać na końcowy efekt jakość lutowania PCBAJeżeli wymagana jest wysoka niezawodność połączeń lutowanych, można wybrać metodę zanurzeniową polegającą na lutowaniu niklowo-palladowo-złotym.
