01
Czym jest proces obróbki powierzchni PCB?
Powierzchnie miedziane na płytce PCB bez powłoki soldermaski, takie jak pola lutownicze, złote styki, otwory mechaniczne itp. Jeśli nie ma powłoki ochronnej, powierzchnia miedzi łatwo ulega utlenieniu, co wpływa na lutowanie pomiędzy odsłoniętą miedzią a elementami w obszarze lutowania płytki PCB.
Jak pokazano na poniższym rysunku, obróbka powierzchniowa znajduje się na najbardziej zewnętrznej warstwie płytki 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)
Lutowanie na gorąco (HASL), powszechnie znane jako natrysk cyny, to najczęściej stosowany i stosunkowo niedrogi proces obróbki powierzchni. Dzieli się on na bezołowiową cynę natryskową i ołowianą cynę natryskową.
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 stopionym lutowiu (cyna/ołów), aby pokryć odsłoniętą powierzchnię miedzi na płytce PCB. Gdy płytka PCB opuszcza stopiony lut, gorące powietrze pod wysokim ciśnieniem jest wdmuchiwane przez nóż powietrzny, powodując płaskie osadzenie lutu i usuwając jego nadmiar.
Proces natryskiwania cyny wymaga opanowania temperatury spawania, temperatury ostrza, nacisku ostrza, czasu spawania zanurzeniowego, prędkości podnoszenia itp. Należy upewnić się, że płytka PCB jest całkowicie zanurzona w stopionym lutowiu, a nóż pneumatyczny może rozdmuchać lut przed jego zestaleniem. Ciśnienie noża pneumatycznego może zminimalizować menisk na powierzchni miedzi i zapobiec tworzeniu się 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 chroni znajdującą się pod nią miedź przed utlenianiem przez okres 3-6 miesięcy. Ponieważ wszystkie luty są na bazie cyny, warstwa osadu cyny może być stosowana do każdego rodzaju lutu. Po dodaniu organicznych dodatków do roztworu cynowego, struktura warstwy cyny staje się ziarnista, co eliminuje problemy związane z wąsami cyny i migracją cyny, a jednocześnie zapewnia dobrą stabilność termiczną 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 których nikiel jest osadzany na powierzchni miedzi w procesach chemicznych, a następnie pokrywany atomami złota w wyniku reakcji wypierania. Grubość warstwy niklu wynosi 3-6 μm, a grubość warstwy złota 0.05-0.1 μm. Nikiel stanowi barierę dla miedzi i jest powierzchnią, do której lutowane są elementy. Rolą złota jest zapobieganie utlenianiu niklu podczas przechowywania, z okresem przydatności do użycia wynoszącym około roku, i zapewnia doskonałą 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.
Warstwy organiczne charakteryzują się odpornością na utlenianie, szoki termiczne i wilgoć, co w normalnych warunkach chroni powierzchnie miedzi przed utlenianiem lub siarkowaniem. W procesie spawania w wysokiej temperaturze warstwa organiczna jest łatwo usuwana przez topnik, co powoduje, że odsłonięta, czysta powierzchnia miedzi natychmiast łączy się z roztopionym lutem , tworząc mocne połączenie lutownicze 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 posiada dodatkową warstwę palladu pomiędzy niklem a złotem, co dodatkowo chroni warstwę niklu przed korozją i zapobiega powstawaniu czarnych padów podczas obróbki powierzchni metodą ENIG, zapewniając tym samym lepszą gładkość powierzchni. Grubość warstwy niklu wynosi około 3-6 μm, palladu około 0.1-0.5 μm, a złota 0.02-0.1 μm. Chociaż grubość warstwy złota jest mniejsza niż w przypadku ENIG, jest ona droższa.
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 charakteryzuje się niską czystością (99.6%) i jest powszechnie stosowane do produkcji styków (złączy krawędziowych PCB) , styków PCB lub innych elementów narażonych na zużycie. Grubość warstwy 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, liczbę poprawek , wskaźnik awaryjności na miejscu, możliwości testowania i wskaźnik braków. Aby zapewnić jakość i wydajność produktu końcowego, konieczne jest dobranie procesu obróbki powierzchni, który spełnia wymagania projektowe. W inżynierii można rozważyć następujące aspekty:
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
W płytkach PCBA główny element pochodzi głównie z pinów komponentów, padów PCB i lutowia. Aby spełnić wymogi ROHS, metoda obróbki powierzchni PCB również musi być zgodna z normami 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 ostateczną jakość lutowania PCBA . Jeśli wymagana jest wysoka niezawodność połączeń lutowanych, można zastosować proces immersyjny ze złotem lub niklowo-palladowo-złotym.
