Под обработкой поверхности печатной платы понимается открытая область медной фольги печатной платы (например, площадки, проводящие дорожки), покрытая слоем металла или сплава, как медная поверхность "защитного барьера" и "сварочной среды".
Основные функции обработки поверхности печатных плат
Физическая защита: Изолирует медь от контакта с воздухом и влагой, предотвращая окисление, сульфидирование и другие коррозионные реакции;
Оптимизация паяемости: Обеспечьте плоский и стабильный интерфейс пайки для надежного соединения между припоем (например, паяльной пастой) и медным слоем;
Гарантия электрических характеристик: поддержание стабильности проводимости цепи, предотвращение аномалий импеданса или риска короткого замыкания из-за ухудшения состояния медной поверхности.
Важность обработки поверхности печатных плат
Основная цель: решить "проблему окисления" медной поверхности
Медь при комнатной температуре с кислородом воздуха, при контакте с водяным паром образует оксид меди (CuO) или щелочной карбонат меди (медная зелень), эти окисленные слои значительно снижают смачиваемость припоя - конкретно это проявляется в том, что припой "отказывается паяться", паяные соединения фальшивые или трескаются. Подготовка поверхности гарантирует, что поверхность меди будет активной во время пайки, покрывая ее покрытием, которое радикально блокирует контакт меди с окислителем.
Важность для отрасли: критический процесс на протяжении всего жизненного цикла печатной платы
1.Производство
Обеспечьте выход продукции по технологии поверхностного монтажа (SMT) и сократите расходы на доработку из-за плохой паяемости;
Однородность покрытия напрямую влияет на механическую прочность компонентов после пайки (например, натяжение паяного соединения, усилие сдвига).
2.Хранение и транспортировка
При длительном хранении покрытие может противостоять влажности, солевому туману и другим факторам окружающей среды, вызывающим эрозию (например, в прибрежных районах с оборудованием, PCB необходимо обратить особое внимание на способность предотвращать ржавчину);
Избегайте повреждений медной поверхности, вызванных трением и столкновениями при транспортировке.
3.Адаптация к использованию сцен
Высокотемпературные среды (например, автомобильная электроника, промышленные системы управления) требуют от покрытия устойчивости к старению, чтобы предотвратить разложение или окисление покрытия при высоких температурах;
В высокочастотных схемах плоскостность покрытия влияет на потери при передаче сигнала (например, процесс иммерсионного золочения широко используется в печатных платах для радиочастот из-за хорошей однородности покрытия).
Углубленное сравнение 7 видов отделки поверхности печатных плат
1. Выравнивание горячим воздушным припоем (HASL)
Принцип процесса:
Погружение печатной платы в расплавленный припой (Sn63Pb37 или SAC305) при температуре 260°C с последующим удалением излишков припоя горячим воздухом под высоким давлением (400°C) создает неровные "холмистые" поверхности.
Идеально подходит для:
- Бытовая электроника (зарядные устройства, светодиодные драйверы)
- Затратные крупносерийные заказы
Тяжелый урок:
Производитель маршрутизаторов столкнулся с проблемой широкого распространения пустот в BGA при использовании бессвинцовой HASL, в результате чего был добавлен этап "предварительного лужения площадок", который увеличил стоимость на $0,17/плату.
Критические средства контроля:
| Параметр | Цель | Риск отклонения |
|---|
| Содержание меди в припое | <0,7% | Хрупкие паяные соединения |
| Угол наклона воздушного ножа | 75°±2° | Неравномерная толщина |
| Скорость охлаждения | >4°C/с | Чрезмерная шероховатость |
2. Золото с погружением в никель (ENIG)
Структура слоев:
"Многослойное" осаждение: Безэлектродный Ni (3-5 мкм) → Вытесняющий Au (0,05-0,1 мкм). Ni выступает в качестве медного "брандмауэра", Au - в качестве "интерфейса пайки".
Высокочастотный пример:
Плата для радара, работающего на миллиметровых волнах, выбрала ENIG вместо OSP, потому что потери на скин-эффекте у Au на 23% меньше (@77 ГГц).
Анализ черной площадки:
Когда температура в ванне с никелем превышает 91°C, сегрегация фосфора образует хрупкие фазы Ni3P (на РЭМ видна "трещиноватая" морфология). Профилактика:
- Добавьте буфер с лимонной кислотой
- Внедрение импульсного покрытия
- Включите микротравление перед осаждением Au
3. Органический консервант паяемости (OSP)
Молекулярная защита:
Хелаты бензимидазола с медью образуют пленки толщиной 0,2-0,5 мкм, устойчивые к естественному окислению в течение 6 месяцев.
Предпочтительный выбор 5G:
Плата базовой станции AAU с использованием OSP+LDI позволила сэкономить $4.2/м² по сравнению с ENIG при снижении вносимых потерь на 0.3 дБ/см (@28 ГГц).
Правила хранения:
- RH>60% вызывает гидролиз пленки
- Серосодержащая упаковка создает черные пятна Cu2S
- Должно быть проведено SMT в течение 24 часов после распаковки
4. Иммерсионное олово (ImSn)
Микроструктура:
Толщина интерметаллида Cu6Sn5 (идеальная: 1,2-1,8 мкм по данным EDX) определяет надежность.
Автомобильный успех:
Модуль ECU прошел 3000 циклов -40°C~125°C с ImSn по сравнению с 2400 циклом ENIG.
Процессуальные риски:
- Рост оловянных вискеров (подавляется предварительным старением)
- Перекрестное загрязнение в двусторонних досках
- Несовместимо с соединением проводов Al
5. Погружное серебро (ImAg)
Край целостности сигнала:
Вносимые потери на частоте 10 ГГц на 15% ниже, чем у ENIG (согласно IPC-6012B).
Меры противодействия миграции:
"Легирование наночастицами" повышает порог миграции с 3,1 В до 5,6 В для 48-В силовых модулей.
Контроль толщины:
- Тиосульфат натрия в качестве ингибитора
- Бак для нанесения покрытия распылительного типа
- Последующая обработка хроматной пассивацией
6. Погружное золото без электролитического никеля и безэлектролитического палладия (ENEPIG)
Инновационный слой:
0,1-0,2 мкм Pd между Ni (3-4 мкм) и Au (0,03-0,05 мкм) предотвращает диффузию Au.
Применение SiP:
3D-пакет, полученный смешанной пайкой Au wire/SnAgCu с использованием ENEPIG.
Оптимизация затрат:
- Градиентная толщина Pd (0,15 мкм по краям/0,08 мкм в центре)
- Сплав Pd-Co вместо чистого Pd
7. Электролитическое твердое золото
Защита военного класса:
Допированный Au (1-3 мкм) с твердостью 180HV выдерживает в 50 раз больший износ, чем ENIG.
Характеристики разъемов:
- Скос золотых пальцев: 30°±1°
- Толщина никеля ≥5 мкм
- Требуются переходные зоны 3 мм
Ловушка для затрат:
Неправильная площадь покрытия объединительной платы увеличила стоимость отделки с 8% до 34% от общей суммы.
Дерево принятия решений при выборе
5 клиник, в которых часто происходят сбои
Q1: Черные остатки на площадках ENIG после пайки?
→ "Золотое охрупчивание"! Немедленно проверьте:
- Содержание Ni-P (оптимально 7-9%)
- Толщина Au >0,08 мкм?
- Содержание Bi в паяльной пасте
Q2: Оловянные вискеры на ImSn после 3-месячного хранения?
→ Выполните команду "rescue trio":
- Выпечка при 150°C в течение 2 часов
- Нанесите антидиффузионное нанопокрытие
- Переключитесь на процесс матового олова
Q3: Платы OSP демонстрируют плохую смачиваемость после многократных переливов?
→ Органическая пленка разрушается! Выполните следующие действия:
- Убедитесь, что пиковая температура дожига не превысила 245°C
- Проверьте срок хранения - OSP разрушается через 6 месяцев
- Рассмотрите возможность добавления азотной атмосферы во время доводки
Q4: Платы ENEPIG не проходят испытания на прочность соединения проводов?
→ Как правило, речь идет о палладиевом слое:
- Измерьте толщину Pd (идеально 0,15-0,25 мкм).
- Проверьте наличие окисления Pd (рекомендуется анализ XPS)
- Отрегулируйте pH ванны PD в диапазоне 8,2-8,6
Q5: Имеются платы HASL с неравномерной толщиной припоя?
→ Необходима калибровка воздушного ножа:
- Проверьте давление воздуха в ноже (обычно 25-35 фунтов на квадратный дюйм).
- Проверьте время выравнивания (оптимально 3-5 секунд)
- Проверьте крепления опор платы на предмет деформации
- HASL - Для двусторонних плат запросите обработку "двойное погружение", чтобы предотвратить эффект тени
- ENIG - Для обеспечения максимальной надежности всегда указывайте никель со средним содержанием фосфора (6-9% P).
- OSP - Для высоконадежных применений выбирайте составы OSP "Тип 3".
- ImSn - Хранение в азотных шкафах увеличивает срок годности с 6 до 12 месяцев
- ImAg - Если доски будут подвергаться многократным термическим циклам, добавьте средство против потускнения.
- ENEPIG - Укажите "никель с низким напряжением" для гибких печатных плат
- Твердое золото - Содержание кобальта должно составлять 0,1-0,3% для оптимальной износостойкости
Анализ компромисса между стоимостью и производительностью
| Отделка | Относительная стоимость | Паяемость | Срок годности | Потеря сигнала. |
|---|
| HASL | $ | ★★★★☆ | 12 месяцев | - высокий уровень |
| ENIG | $$$$ | ★★★☆☆ | 12 месяцев | Средний |
| OSP | $ | ★★★★☆ | 6 месяцев | Самый низкий |
| ImSn | $$ | ★★★★★ | 6 месяцев | Средний |
| ImAg | $$$ | ★★★★☆ | 9 месяцев | Низкий уровень дохода |
| ENEPIG | $$$$$ | ★★★☆☆ | 12 месяцев | Средний |
| Твердое золото | $$$$$$ | ★★☆☆☆ | 24 месяца | - высокий уровень |
Будущие тенденции в области отделки поверхностей
- Нанокомпозит OSP - Усиленные графеном составы демонстрируют в 2 раза более длительный срок хранения в ходе испытаний
- Низкотемпературный ENIG - Новые химические технологии позволяют работать при 65°C против традиционных 85°C
- Выборочная отделка - Сочетание различных видов отделки на одной плате (например, ENIG + OSP)
- Самовосстанавливающиеся фильмы - Экспериментальный OSP, устраняющий мелкие царапины во время расплавления
- Безгалогенные процессы - Соблюдение предстоящих экологических норм ЕС
Оценивая варианты отделки поверхности, помните: не существует универсального "лучшего" варианта - только наиболее подходящее решение для ваших конкретных требований к конструкции, бюджетных ограничений и производственных возможностей. Самая дорогая отделка не обязательно является правильным выбором, так же как и самый экономичный вариант может привести к сбоям в работе. Всегда проводите реальные испытания с реальным дизайном печатной платы и компонентами, прежде чем сделать окончательный выбор.