O que são acabamentos de superfície para PCBs?

O tratamento da superfície da placa de circuito impresso refere-se à área exposta da folha de cobre da placa de circuito impresso (como almofadas, caminhos condutores) coberta com uma camada de revestimento de metal ou liga, como a superfície de cobre da "barreira protetora" e do "meio de soldagem".

Funções principais do acabamento de superfície de PCB

Proteção física: Isola o cobre do contato com o ar e a umidade, evitando a oxidação, a sulfitação e outras reações corrosivas;
Otimização da soldabilidade: Fornecer uma interface de solda plana e estável para garantir uma conexão confiável entre a solda (por exemplo, pasta de solda) e a camada de cobre;
Garantia de desempenho elétrico: para manter a estabilidade da condução do circuito, para evitar anormalidades de impedância ou risco de curto-circuito devido à deterioração da superfície de cobre.

A importância do tratamento de superfície de PCBs

Objetivo principal: resolver o "problema de oxidação" da superfície de cobre

Cobre em temperatura ambiente com oxigênio no ar, o contato com vapor de água gerará óxido de cobre (CuO) ou carbonato de cobre alcalino (verde de cobre), essas camadas oxidadas reduzirão significativamente a molhabilidade da solda - manifestada especificamente como solda que "se recusa a soldar", juntas de solda falsas ou rachadas. A preparação da superfície garante que a superfície de cobre esteja ativa durante a soldagem, cobrindo-a com um revestimento que bloqueia radicalmente o caminho de contato do cobre com o oxidante.

Importância para o setor: um processo crítico em todo o ciclo de vida do PCB

1.Fabricação
Garanta o rendimento da SMT (Surface Mount Technology) e reduza os custos de retrabalho devido à baixa soldabilidade;
A uniformidade do revestimento afeta diretamente a resistência mecânica dos componentes após a soldagem (por exemplo, tensão da junta de solda, força de cisalhamento).

2. armazenamento e transporte
No armazenamento de longo prazo, o revestimento pode resistir à umidade, à névoa salina e a outros fatores ambientais de erosão (como áreas costeiras com equipamentos, os PCBs precisam prestar atenção especial à capacidade de evitar a ferrugem);
Evite danos à superfície do cobre causados por atrito e colisão durante o transporte.

3. adaptação ao uso de cenas
Ambientes de alta temperatura (como eletrônicos automotivos e controle industrial) exigem que o revestimento tenha resistência ao envelhecimento para evitar a decomposição ou a oxidação do revestimento em altas temperaturas;
Em circuitos de alta frequência, a planicidade do revestimento afeta a perda de transmissão do sinal (por exemplo, o processo de imersão em ouro é comumente usado em PCBs de RF devido à boa uniformidade do revestimento).

Comparação detalhada de 7 acabamentos de superfície de PCB

1. Nivelamento de solda por ar quente (HASL)

Princípio do processo:
A imersão da placa de circuito impresso em solda derretida a 260°C (Sn63Pb37 ou SAC305), seguida da remoção do excesso de solda com ar quente de alta pressão (400°C), cria superfícies irregulares e "montanhosas".

Ideal para:

• Eletrônicos de consumo (carregadores, drivers de LED)
• Pedidos de alto volume sensíveis ao custo

Lição difícil:
Um fabricante de roteadores experimentou vazios BGA generalizados usando HASL sem chumbo, adicionando uma etapa de "pré-estanhagem de almofada" que aumentou o custo em $0,17/placa.

Controles críticos:

2. Ouro de imersão em níquel sem eletrólito (ENIG)

Estrutura de camadas:
Deposição em "sanduíche": Ni sem eletrólito (3-5μm) → Au de deslocamento (0,05-0,1μm). O Ni atua como um "firewall" de cobre e o Au como uma "interface de solda".

Estudo de caso de alta frequência:
Uma placa de radar mmWave escolheu o ENIG em vez do OSP porque a perda de efeito de pele do Au foi 23% menor (@77GHz).

Análise do Black Pad:
Quando o banho de Ni excede 91°C, a segregação do fósforo forma fases Ni3P frágeis (o MEV mostra a morfologia "rachada"). Prevenção:

• Adicionar tampão de ácido cítrico
• Implementar o revestimento por pulso
• Incluir microcondicionamento antes da deposição de Au

3. Conservante orgânico de soldabilidade (OSP)

Proteção molecular:
Os quelatos de benzimidazol-cobre formam filmes de 0,2-0,5μm resistentes à oxidação natural de 6 meses.

Escolha preferencial de 5G:
Uma placa AAU de estação rádio-base usando OSP+LDI economizou $4,2/m² em comparação com ENIG com perda de inserção 0,3dB/cm menor (@28GHz).

O que não fazer no armazenamento:

• RH>60% causa hidrólise do filme
• Embalagens contendo enxofre criam pontos negros de Cu2S
• Deve ser SMT dentro de 24 horas após a desembalagem

4. Estanho de imersão (ImSn)

Microestrutura:
A espessura intermetálica Cu6Sn5 (ideal: 1,2-1,8μm via EDX) determina a confiabilidade.

Sucesso automotivo:
Um módulo ECU passou por 3000 ciclos de -40°C~125°C com ImSn em comparação com os 2400 ciclos de ENIG.

Riscos do processo:

• Crescimento do batedor de estanho (suprimido pelo pré-envelhecimento do refluxo)
• Contaminação cruzada em placas de dupla face
• Incompatível com a ligação de fios de Al

5. Prata de imersão (ImAg)

Borda de integridade do sinal:
A perda de inserção de 10 GHz é 15% menor que a do ENIG (de acordo com a IPC-6012B).

Contramedidas de migração:
A "dopagem de nanopartículas" aumenta o limite de migração de 3,1 V para 5,6 V para módulos de energia de 48 V.

Controle de espessura:

• Tiossulfato de sódio como inibidor
• Tanque de galvanização tipo spray
• Pós-tratamento de passivação de cromato

6. Ouro de imersão de paládio sem níquel e sem eletrólito (ENEPIG)

Inovação em camadas:
0,1-0,2μm de Pd entre Ni (3-4μm) e Au (0,03-0,05μm) impede a difusão de Au.

Aplicativo SiP:
Um pacote 3D obteve uma solda mista de fio de Au/SnAgCu usando o ENEPIG.

Otimização de custos:

• Gradiente de espessura de Pd (0,15μm na borda/0,08μm no centro)
• liga de Pd-Co em vez de Pd puro

7. Ouro duro eletrolítico

Proteção de nível militar:
O Au dopado com Co (1-3μm) com dureza de 180HV resiste a um desgaste 50 vezes maior do que o ENIG.

Especificações do conector:

• Chanfro do dedo de ouro: 30°±1°
• Espessura de Ni ≥5μm
• São necessárias zonas de transição de 3 mm

Armadilha de custos:
A área de revestimento incorreta de um backplane aumentou o custo de acabamento de 8% para 34% do total.

Árvore de decisão de seleção

5 Clínicas de falhas comuns

Q1: Resíduos pretos nas almofadas ENIG após o refluxo?
→ "Fragilização do ouro"! Verifique imediatamente:

1. Teor de Ni-P (7-9% ideal)
2. Espessura do Au >0,08μm?
3. Conteúdo de Bi da pasta de solda

Q2: Extremidades de estanho no ImSn após 3 meses de armazenamento?
→ Execute o "rescue trio":

1. 150°C para assar por 2 horas
2. Aplique o nano-revestimento antidifusão
3. Mudar para o processo de estanho fosco

P3: As placas OSP apresentam baixa molhabilidade após vários refluxos?
→ O filme orgânico se degrada! Siga estas etapas:

1. Verifique se a temperatura de pico do refluxo não excedeu 245°C
2. Verifique o tempo de armazenamento - o OSP se degrada após 6 meses
3. Considere adicionar uma atmosfera de nitrogênio durante o refluxo

Q4: As placas ENEPIG falham nos testes de tração de ligação de fios?
→ Normalmente, um problema de camada de paládio:

1. Medir a espessura do Pd (0,15-0,25μm ideal)
2. Verifique se há oxidação de Pd (recomenda-se a análise XPS)
3. Ajuste o pH do banho de DP para a faixa de 8,2 a 8,6

Q5: Possui placas HASL com espessura de solda irregular?
→ Necessidade de calibração da faca de ar:

1. Verifique a pressão da faca de ar (25 a 35 psi, normalmente)
2. Verifique o tempo de nivelamento (o ideal é de 3 a 5 segundos)
3. Inspecione as fixações do suporte da placa quanto a empenamento

Dicas profissionais de Fabricantes de PCBs

1. HASL - Para placas de dupla face, solicite o processamento de "imersão dupla" para evitar o efeito de sombra
2. ENIG - Sempre especifique níquel "meio fósforo" (6-9% P) para obter a melhor confiabilidade
3. OSP - Para aplicações de alta confiabilidade, escolha formulações de OSP "Tipo 3"
4. ImSn - O armazenamento em gabinetes de nitrogênio aumenta o prazo de validade de 6 a 12 meses
5. ImAg - Adicione um tratamento antibrilho se as placas forem submetidas a vários ciclos térmicos
6. ENEPIG - Especifique "níquel de baixa tensão" para aplicações de PCB flexíveis
7. Ouro duro - O teor de cobalto deve ser de 0,1 a 0,3% para obter a melhor resistência ao desgaste

Análise de compensação de custo e desempenho

Tendências futuras em acabamentos de superfície

1. OSP de nanocompósito - Formulações aprimoradas com grafeno apresentam prazo de validade 2x maior em testes
2. ENIG de baixa temperatura - Novos produtos químicos permitem o processamento a 65 °C em vez dos tradicionais 85 °C
3. Acabamentos seletivos - Combinação de diferentes acabamentos em placas únicas (por exemplo, ENIG + OSP)
4. Filmes de autocura - OSP experimental que repara pequenos arranhões durante o refluxo
5. Processos livres de halogênio - Atender às futuras regulamentações ambientais da UE

Ao avaliar os acabamentos de superfície, lembre-se: não existe a "melhor" opção universal - apenas a solução mais adequada para os requisitos específicos do projeto, as restrições orçamentárias e os recursos de fabricação. O acabamento mais caro não é necessariamente a escolha certa, assim como a opção mais econômica pode levar a falhas no campo. Sempre realize testes reais com o projeto e os componentes reais da PCB antes de finalizar sua seleção.