01
Quy trình xử lý bề mặt PCB là gì?
Các bề mặt đồng trên PCB không có lớp phủ chống hàn, chẳng hạn như các điểm hàn, các chân mạ vàng, các lỗ cơ khí, v.v. Nếu không có lớp phủ bảo vệ, bề mặt đồng dễ bị oxy hóa, ảnh hưởng đến quá trình hàn giữa đồng trần và các linh kiện trong khu vực hàn của PCB.
Như hình minh họa bên dưới, lớp xử lý bề mặt nằm ở lớp ngoài cùng của PCB, phía trên lớp đồng, đóng vai trò như một lớp "phủ" trên bề mặt đồng.
Chức năng chính của xử lý bề mặt là bảo vệ bề mặt đồng lộ ra khỏi mạch oxy hóa, do đó cung cấp bề mặt có thể hàn được trong quá trình hàn.
02
Phân loại các quy trình xử lý bề mặt PCB
Các quy trình xử lý bề mặt PCB được chia thành các loại sau:
Làm phẳng mối hàn bằng khí nóng (HASL)
Ngâm thiếc (ImSn)
Vàng niken hóa học (vàng ngâm) (ENIG)
Chất bảo quản hàn hữu cơ (OSP)
Bạc hóa học (ImAg)
Mạ niken hóa học, mạ paladi hóa học, nhúng vàng (ENEPIG)
Niken/Vàng điện phân
Làm phẳng mối hàn bằng khí nóng (HASL)
Hàn bằng khí nóng (HASL), thường được gọi là phun thiếc, là một quy trình xử lý bề mặt được sử dụng phổ biến nhất và tương đối rẻ tiền. Nó được chia thành phun thiếc không chì và phun thiếc có chì.
Tuổi thọ của PCB có thể đạt tới 12 tháng, với nhiệt độ xử lý là 250℃ và phạm vi độ dày xử lý bề mặt là 1-40um.
Quy trình phun thiếc bao gồm việc nhúng bo mạch in vào chất hàn nóng chảy (thiếc/chì) để phủ lên bề mặt đồng hở trên PCB. Khi PCB được lấy ra khỏi chất hàn nóng chảy, luồng khí nóng áp suất cao sẽ được thổi qua bề mặt bằng dao khí, làm cho chất hàn lắng đọng phẳng và loại bỏ chất hàn thừa.
Quá trình phun thiếc đòi hỏi phải nắm vững nhiệt độ hàn, nhiệt độ lưỡi cắt, áp suất lưỡi cắt, thời gian hàn nhúng, tốc độ nâng hạ, v.v. Đảm bảo rằng mạch in được nhúng hoàn toàn vào chất hàn nóng chảy, và dao khí có thể thổi bay chất hàn trước khi nó đông cứng. Áp suất của dao khí có thể giảm thiểu hiện tượng tạo màng mỏng trên bề mặt đồng và ngăn ngừa hiện tượng cầu nối chất hàn.
Làm phẳng mối hàn bằng khí nóng (HASL)
Ưu điểm:
thời hạn sử dụng lâu dài
Khả năng hàn tốt
Chống ăn mòn và oxy hóa
Có thể kiểm tra bằng mắt
Nhược điểm:
Bề mặt không bằng phẳng
Không phù hợp với các thiết bị có khoảng cách nhỏ
Hạt thiếc dễ sản xuất
Biến dạng do nhiệt độ cao
Không thích hợp để mạ điện qua lỗ
Ngâm thiếc (ImSn)
Thiếc nhúng (ImSn) là lớp phủ kim loại được lắng đọng thông qua phản ứng dịch chuyển hóa học, được phủ trực tiếp lên kim loại nền (tức là đồng) của bảng mạch, có thể đáp ứng yêu cầu về độ phẳng của bề mặt PCB đối với các linh kiện có bước chân nhỏ.
Lớp phủ thiếc có thể bảo vệ lớp đồng bên dưới khỏi quá trình oxy hóa trong suốt thời gian bảo quản từ 3-6 tháng. Vì tất cả các loại thiếc hàn đều có gốc thiếc, nên lớp phủ thiếc có thể phù hợp với bất kỳ loại thiếc hàn nào. Sau khi thêm các chất phụ gia hữu cơ vào dung dịch nhúng thiếc, cấu trúc lớp thiếc trở nên dạng hạt, khắc phục được các vấn đề do sợi thiếc và sự di chuyển của thiếc gây ra, đồng thời có độ ổn định nhiệt và khả năng hàn tốt.
Nhiệt độ của quá trình lắng đọng thiếc là 50℃, độ dày xử lý bề mặt là 0.8-1.2um. PCB đặc biệt thích hợp để kết nối thông qua uốn, chẳng hạn như bảng mạch truyền thông.
Ngâm thiếc (ImSn)
Ưu điểm:
Thích hợp cho khoảng cách nhỏ/BGA
Độ mịn bề mặt tốt
Tuân thủ RoHS
Khả năng hàn tốt
Ổn định tốt
Nhược điểm:
Dễ bị ô nhiễm
Râu thiếc có thể gây ra hiện tượng đoản mạch
Kiểm tra điện cần có đầu dò mềm
Không phù hợp với công tắc tiếp xúc
Ăn mòn lớp mặt nạ hàn
Vàng niken hóa học (vàng ngâm) (ENIG)
Vàng ngâm niken hóa học (ENIG) có thể đáp ứng các yêu cầu về độ phẳng bề mặt và xử lý không chì của PCB cho các thiết bị có bước sóng nhỏ (BGA và μ BGA).
ENIG bao gồm hai lớp phủ kim loại, trong đó niken được lắng đọng trên bề mặt đồng thông qua các quá trình hóa học, sau đó được phủ bằng các nguyên tử vàng thông qua các phản ứng thế. Độ dày của niken là 3-6 μm, và độ dày của vàng là 0.05-0.1 μm. Niken đóng vai trò như một lớp chắn cho đồng và là bề mặt mà các linh kiện được hàn vào. Vai trò của vàng là ngăn ngừa quá trình oxy hóa niken trong quá trình bảo quản, với thời hạn sử dụng khoảng một năm, và có thể đảm bảo độ phẳng bề mặt tuyệt vời.
Quy trình nhúng vàng được sử dụng rộng rãi trong các tấm ván mật độ cao, các tấm ván cứng thông thường và các tấm ván mềm, với độ tin cậy cao và hỗ trợ liên kết dây bằng dây nhôm. Được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như tiêu dùng, truyền thông/máy tính, hàng không vũ trụ và chăm sóc sức khỏe.
Vàng Niken Hóa Học (ENIG)
Ưu điểm:
thời hạn sử dụng lâu dài
Bo mạch mật độ cao (μ BGA)
Liên kết dây nhôm
Độ phẳng bề mặt cao
Thích hợp cho các lỗ mạ điện
Nhược điểm:
giá đắt
Sự suy giảm tín hiệu RF
Không thể làm lại
Tấm lót màu đen/niken màu đen
Quá trình xử lý phức tạp
Chất bảo quản hàn hữu cơ (OSP)
Chất bảo quản hàn hữu cơ (OSP) là lớp vật liệu bảo vệ rất mỏng được phủ lên bề mặt đồng để bảo vệ bề mặt đồng khỏi bị oxy hóa.
Màng hữu cơ có các đặc tính như khả năng chống oxy hóa, chống sốc nhiệt và chống ẩm, có thể bảo vệ bề mặt đồng khỏi quá trình oxy hóa hoặc sunfat hóa trong điều kiện bình thường. Trong quá trình hàn ở nhiệt độ cao sau đó, màng hữu cơ dễ dàng bị loại bỏ bởi chất trợ dung, khiến bề mặt đồng sạch lộ ra ngay lập tức liên kết với chất hàn nóng chảy , tạo thành mối hàn chắc chắn trong thời gian rất ngắn.
OSP là hợp chất hữu cơ gốc nước có thể liên kết chọn lọc với đồng để bảo vệ bề mặt đồng trước khi hàn. So với các quy trình xử lý bề mặt không chì khác, OSP rất thân thiện với môi trường vì các quy trình xử lý bề mặt khác có thể có độc tính hoặc tiêu thụ năng lượng cao hơn.
Chất bảo quản hàn hữu cơ (OSP)
Ưu điểm:
Đơn giản và rẻ tiền
Bảo vệ môi trường không chì
bề mặt mịn
Sự nối bằng dây dẫn
Nhược điểm:
Không phù hợp với PTH
Tuổi thọ ngắn
Không thuận tiện cho việc kiểm tra bằng mắt và điện
Thiết bị ICT có thể làm hỏng PCB
Bạc hóa học (ImAg)
Bạc nhúng (ImAg) là quá trình mạ trực tiếp đồng bằng một lớp bạc nguyên chất bằng cách nhúng PCB vào bồn ion bạc thông qua phản ứng thế. Bạc có tính chất hóa học ổn định. PCB được xử lý thông qua công nghệ nhúng bạc có thể duy trì khả năng dẫn điện và hàn tốt ngay cả khi tiếp xúc với môi trường nóng, ẩm và ô nhiễm, và ngay cả khi bề mặt mất đi độ bóng.
Đôi khi, để ngăn bạc phản ứng với sunfua trong môi trường, lắng đọng bạc được kết hợp với lớp phủ OSP. Đối với hầu hết các ứng dụng, bạc có thể thay thế vàng. Nếu bạn không muốn đưa vật liệu từ tính (niken) vào PCB, bạn có thể chọn sử dụng lắng đọng bạc.
Độ dày bề mặt của lớp lắng đọng bạc là 0.12-0.40 μm, thời hạn sử dụng là 6 đến 12 tháng. Quá trình lắng đọng bạc nhạy cảm với độ sạch của bề mặt trong quá trình xử lý và cần đảm bảo rằng toàn bộ quá trình sản xuất không gây ô nhiễm bề mặt của lớp lắng đọng bạc. Quá trình lắng đọng bạc phù hợp với các ứng dụng như PCB, công tắc màng mỏng và liên kết dây nhôm cần che chắn EMI.
Bạc chìm (ImAg)
Ưu điểm:
Độ phẳng bề mặt tốt
Khả năng hàn cao
Ổn định tốt
Hiệu suất che chắn tốt
Thích hợp cho việc liên kết dây nhôm
Nhược điểm:
Nhạy cảm với chất ô nhiễm
Dễ dàng thực hiện di cư điện tử
Râu kim loại bạc
Cửa sổ lắp ráp ngắn sau khi mở hộp
Khó khăn trong thử nghiệm điện
Mạ niken hóa học, mạ paladi hóa học, nhúng vàng (ENEPIG)
So với ENIG, ENEPIG có thêm một lớp palladium nằm giữa lớp niken và vàng, giúp bảo vệ lớp niken khỏi bị ăn mòn và ngăn ngừa hiện tượng xuất hiện các vết đen trong quá trình xử lý bề mặt ENIG, từ đó mang lại ưu điểm về độ nhẵn bề mặt. Độ dày lớp niken khoảng 3-6 μm, độ dày lớp palladium khoảng 0.1-0.5 μm, và độ dày lớp vàng khoảng 0.02-0.1 μm. Mặc dù độ dày lớp vàng mỏng hơn so với ENIG, nhưng giá thành lại cao hơn.
Cấu trúc lớp đồng niken palladium vàng có thể được liên kết trực tiếp bằng dây với lớp mạ. Lớp vàng cuối cùng rất mỏng và mềm, hư hỏng cơ học quá mức hoặc trầy xước sâu có thể làm lộ lớp palladium.
Mạ niken hóa học, mạ paladi hóa học, nhúng vàng (ENEPIG)
Ưu điểm:
Bề mặt cực kỳ phẳng
Sự nối bằng dây dẫn
Có thể hàn nóng chảy nhiều lần
Độ tin cậy cao của mối hàn
thời hạn sử dụng lâu dài
Nhược điểm:
giá đắt
Liên kết bằng dây vàng không đáng tin cậy bằng liên kết bằng vàng mềm
Hạt thiếc dễ sản xuất
Quá trình phức tạp
Khó kiểm soát quá trình xử lý
Niken/Vàng điện phân
Vàng niken mạ điện được chia thành “vàng cứng” và “vàng mềm”.
Vàng cứng có độ tinh khiết thấp (99.6%) và thường được sử dụng cho các chân tiếp xúc bằng vàng (đầu nối cạnh PCB) , các điểm tiếp xúc PCB hoặc các khu vực chịu mài mòn cao khác. Độ dày của lớp vàng có thể thay đổi tùy theo yêu cầu.
Vàng mềm tinh khiết hơn (99.9%) và thường được sử dụng để liên kết bằng dây.
Vàng điện phân cứng
Vàng cứng là hợp kim vàng chứa coban, niken hoặc phức hợp sắt. Niken ứng suất thấp được sử dụng giữa lớp mạ vàng và đồng. Vàng cứng phù hợp với các thành phần thường xuyên sử dụng và có khả năng bị mòn cao, chẳng hạn như bo mạch mang, ngón tay vàng và bàn phím.
Độ dày của lớp xử lý bề mặt vàng cứng có thể thay đổi tùy theo ứng dụng. Độ dày hàn tối đa được khuyến nghị cho IPC là 17.8 μ in, 25 μ trong vàng và 100 μ trong niken cho các ứng dụng IPC1 và Class 2, và 50 μ trong vàng và 100 μ trong niken cho các ứng dụng IPC3.
Vàng điện phân mềm
Chủ yếu được sử dụng cho PCB yêu cầu liên kết dây và khả năng hàn cao, mối hàn vàng mềm an toàn hơn so với vàng cứng.
Xử lý bề mặt vàng điện phân mềm
Niken/Vàng điện phân
Ưu điểm:
thời hạn sử dụng lâu dài
Độ tin cậy cao của mối hàn
Bề mặt bền
Nhược điểm:
Rất đắt
Ngón tay vàng cần thêm dây dẫn điện trên bảng
Vàng cứng có khả năng hàn kém
03
Làm thế nào để lựa chọn quy trình xử lý bề mặt PCB?
Quá trình xử lý bề mặt PCB sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng, số lượng sản phẩm phải làm lại , tỷ lệ lỗi tại chỗ, khả năng kiểm tra và tỷ lệ phế phẩm. Để đảm bảo chất lượng và hiệu năng của sản phẩm cuối cùng, cần phải lựa chọn quy trình xử lý bề mặt đáp ứng yêu cầu thiết kế. Trong kỹ thuật, có thể xem xét các khía cạnh sau:
Độ phẳng của miếng đệm
Độ phẳng của miếng hàn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hàn của PCBA, đặc biệt là khi có BGA tương đối lớn hoặc μ BGA bước nhỏ hơn trên bảng mạch, có thể chọn ENIG, ENEPIG và OSP khi lớp bảo vệ trên bề mặt miếng hàn cần mỏng và đồng đều.
Khả năng hàn và khả năng thấm ướt
Khả năng hàn luôn là yếu tố quan trọng đối với PCB. Trong khi đáp ứng các yêu cầu khác, nên chọn quy trình xử lý bề mặt có khả năng hàn cao để đảm bảo hiệu suất hàn chảy lại.
Tần suất hàn
PCB cần hàn hoặc gia công lại bao nhiêu lần? Quy trình xử lý bề mặt OSP không phù hợp để gia công lại quá hai lần. Vào thời điểm này, các quy trình xử lý bề mặt tổng hợp như vàng ngâm + OSP cũng sẽ được lựa chọn. Hiện tại, các sản phẩm điện tử cao cấp như điện thoại thông minh sẽ lựa chọn quy trình xử lý này.
RoHS tuân thủ
Nguyên tố chì trong PCBA chủ yếu đến từ các chân linh kiện, các điểm tiếp xúc trên PCB và chất hàn. Để tuân thủ các quy định ROHS, phương pháp xử lý bề mặt của PCB cũng phải tuân thủ các tiêu chuẩn ROHS. Ví dụ, ENIG, thiếc, bạc và OSP đều tuân thủ các tiêu chuẩn ROHS.
liên kết kim loại
Nếu cần liên kết bằng dây vàng hoặc nhôm, có thể chỉ giới hạn ở ENIG, ENEPIG và vàng điện phân mềm.
Độ tin cậy của mối hàn
Quá trình xử lý bề mặt PCB cũng có thể ảnh hưởng đến chất lượng hàn cuối cùng của PCBA . Nếu yêu cầu các mối hàn có độ tin cậy cao, có thể lựa chọn quy trình mạ vàng nhúng hoặc mạ vàng niken paladi.
