Mikä on PCB-pintakäsittelyt?

PCB-pintakäsittely viittaa painetun piirilevyn altistuvaan kuparifolion alueeseen (kuten tyynyihin, johtaviin polkuihin), joka on päällystetty metalli- tai metalliseospinnoitteella, kuten "suojaavan esteen" ja "hitsausvälineen" kuparipinta.

PCB-pintakäsittelyn ydintoiminnot

Fyysinen suojaus: Eristää kuparin kosketukselta ilman ja kosteuden kanssa ja estää hapettumisen, sulfidoitumisen ja muut syövyttävät reaktiot;
Juotettavuuden optimointi:Juotoksen (esim. juotospastan) ja kuparikerroksen välisen luotettavan yhteyden varmistamiseksi tasainen ja vakaa juotosrajapinta;
Sähköisen suorituskyvyn takuu: piirin johtamisen vakauden säilyttäminen, impedanssipoikkeavuuksien tai oikosulkuriskin välttäminen kuparipinnan heikkenemisen vuoksi.

PCB-pintakäsittelyn merkitys

Ydintarkoitus: ratkaista kuparin pinnan "hapettumisongelma".

Kupari huoneenlämmössä hapen kanssa ilmassa, vesihöyryn kosketuksessa syntyy kuparioksidia (CuO) tai emäksistä kuparikarbonaattia (kupari vihreä), nämä hapettuneet kerrokset vähentävät merkittävästi juottamisen kostutettavuutta — erityisesti ilmenee juotoksena "kieltäytyy juottamasta", juotosliitokset vääriä tai halkeamia. Pintakäsittelyllä varmistetaan, että kuparin pinta on aktiivinen juottamisen aikana peittämällä se pinnoitteella, joka estää radikaalisti kuparin’kosketuspolun hapettimen kanssa.

Teollisuuden merkitys: kriittinen prosessi koko PCB:n elinkaaren ajan.

1.Valmistus
Varmista SMT (Surface Mount Technology) -tuotot ja vähennä huonosta juotettavuudesta johtuvia jälkityökustannuksia;
Pinnoitteen tasaisuus vaikuttaa suoraan komponenttien mekaaniseen lujuuteen juottamisen jälkeen (esim. juotosliitoksen jännitys, leikkausvoima).

2.Storage ja kuljetus
Pitkäaikaisessa varastoinnissa pinnoite voi vastustaa kosteutta, suolasuihkua ja muita ympäristötekijöitä eroosiota (kuten rannikkoalueita, joilla on laitteita, PCB: n on kiinnitettävä erityistä huomiota kykyyn estää ruoste);
Vältä kitkan ja törmäysten aiheuttamia kuparin pinnan vaurioita kuljetuksen aikana.

3.Sopeutuminen kohtausten käyttöön
Korkean lämpötilan ympäristöissä (kuten autoelektroniikassa ja teollisuuden ohjauksessa) pinnoitteelta vaaditaan ikääntymisenkestävyyttä, jotta estetään pinnoitteen hajoaminen tai hapettuminen korkeissa lämpötiloissa;
Korkeataajuuspiireissä pinnoitteen tasaisuus vaikuttaa signaalin siirtohäviöön (esim. upotuskultaa käytetään yleisesti RF-piirilevyissä, koska pinnoitteen tasaisuus on hyvä).

7 PCB-pintakäsittelyn syvällinen vertailu

1. Kuumailmajuotoksen tasoitus (HASL)

Prosessin periaate:
Piirilevyn upottaminen 260 °C:n sulaan juotteeseen (Sn63Pb37 tai SAC305), jota seuraa ylimääräisen juotteen poistaminen korkeapaineisella kuumalla ilmalla (400 °C), luo epätasaisia “mäkisiä” pintoja.

Ihanteellinen:

• Viihde-elektroniikka (laturit, LED-ohjaimet)
• Kustannusherkät suuren volyymin tilaukset

Kova oppitunti:
Reititinvalmistaja havaitsi lyijytöntä HASL-levyä käytettäessä laajalle levinneitä BGA-aukkoja ja lisäsi lopulta “tyynyn esipinnoitus” -vaiheen, joka nosti kustannuksia 0,17 dollaria/levy.

Kriittiset tarkastukset:

2.Sähkösuojattu nikkelikuorrutuskulta (ENIG)

Kerrosrakenne:
“Sandwich” deposition: Sähkötön Ni (3-5μm) → syrjäytys Au (0,05-0,1μm). Ni toimii kuparin “palomuurina,” Au “juotosrajapintana”

Korkean taajuuden tapaustutkimus:
Eräs mmWave-tutkalevy valitsi ENIG:n OSP:n sijasta, koska Au:n ihovaikutushäviö oli 23 % pienempi (77 GHz:n taajuudella).

Mustan tyynyn analyysi:
Kun Ni-kylpy ylittää 91 °C, fosforin erottuminen muodostaa hauraita Ni3P-faaseja (SEM osoittaa “säröillä” morfologiaa). Ehkäisy:

• Lisätään sitruunahappopuskuria
• Pulssipinnoituksen toteuttaminen
• Sisältää mikroetsauksen ennen Au-pinnoitusta

3.Orgaaninen juotettavuuden säilöntäaine (OSP)

Molekyylisuojaus:
Bentsimidatsoli-kuparikelaatit muodostavat 0,2-0,5 μm:n kalvoja, jotka kestävät 6 kuukauden luonnollista hapettumista.

5G Preferred Choice:
Tukiaseman AAU-levy, jossa käytettiin OSP+LDI:tä, säästi 4,2 dollaria/m² verrattuna ENIG:iin 0,3 dB/cm alhaisemmalla insertiohäviöllä (@28 GHz).

Säilytys Älä’t:

• RH>60% aiheuttaa kalvon hydrolyysin
• Rikkiä sisältävät pakkaukset aiheuttavat Cu2S-mustia täpliä.
• SMT:n on oltava valmis 24 tunnin kuluessa pakkauksen purkamisesta.

4.Upotustina (ImSn)

Mikrorakenne:
Cu6Sn5 intermetallien paksuus (ihanteellinen: 1,2-1,8μm EDX:n avulla) määrittää luotettavuuden.

Autoteollisuuden menestys:
ECU-moduuli läpäisi 3000x -40°C~125°C sykliä ImSn:llä verrattuna ENIG:n 2400x sykliin.

Prosessiriskit:

• Tina-viiksien kasvu (estetään reflow-esi-vanhentamisella).
• Ristikontaminaatio kaksipuolisissa levyissä
• Yhteensopimaton Al-langan liimauksen kanssa

5.Upotushopea (ImAg)

Signaalin eheys Edge:
10 GHz:n insertiohäviö on 15 % pienempi kuin ENIG (IPC-6012B:n mukaan).

Siirtolaisuuden vastatoimet:
“Nanohiukkasten seostaminen” nostaa siirtymiskynnyksen 3,1 V:sta 5,6 V:iin 48 V:n tehomoduuleissa.

Paksuuden säätö:

• Natriumtiosulfaatti inhibiittorina
• Suihkupinnoitussäiliö
• Kromaattipassivointi jälkikäsittelyn jälkeen

6.Sähkösuojattu nikkeli Sähkösuojattu palladium upotuskulta (ENEPIG)

Kerrosinnovaatio:
0,1-0,2μm Pd Nin (3-4μm) ja Au:n (0,03-0,05μm) välissä estää Au:n diffuusion.

SiP-sovellus:
3D-paketti, joka on saatu aikaan sekoitettu Au-lanka/SnAgCu-juottamalla ENEPIG:llä.

Kustannusten optimointi:

• Gradientti Pd-paksuus (0,15μm reuna/0,08μm keskellä)
• Pd-Co-seos puhtaan Pd:n sijasta.

7.Elektrolyyttinen kova kulta

Sotilasluokan suojaus:
Co-dopedoitu Au (1-3μm), jonka kovuus on 180HV, kestää 50 kertaa enemmän kulutusta kuin ENIG.

Liittimen tekniset tiedot:

• Kultainen sormen viiste: 30°±1°.
• Ni-paksuus ≥5μm
• Vaaditaan 3 mm:n siirtymävyöhykkeet

Kustannusloukku:
Taustalevyn virheellinen pinnoitusalue nosti viimeistelykustannukset 8 prosentista 34 prosenttiin kokonaiskustannuksista.

Valinta Päätöspuu

5 yleistä epäonnistumisen klinikkaa

Q1: Mustat jäämät ENIG-tyynyissä uudelleenjuoksutuksen jälkeen?
→ “Kullan haurastuminen”! Tarkista heti:

1. Ni-P-pitoisuus (optimaalinen 7-9 %)
2. Au-paksuus > 0,08μm?
3. Juotospasta Bi-pitoisuus

Q2: Tinaviikset ImSn:ssä 3 kuukauden varastoinnin jälkeen?
→ Suorita “rescue trio”:

1. 150 °C:n paisto 2 tuntia
2. Levitä diffuusionesto nanopinnoite
3. Vaihda mattapintaiseen tinaprosessiin

Kysymys 3: OSP-levyjen kostuvuus on huono useiden uudelleenvirtausten jälkeen?
→ Orgaaninen kalvo hajoaa! Toimi seuraavasti:

1. Tarkista, että reflow-huippulämpötila ei ylittänyt 245 °C:ta.
2. Tarkista säilytysaika – OSP hajoaa 6 kuukauden kuluttua.
3. Harkitse typpi-ilmakehän lisäämistä uudelleenjuoksutuksen aikana

Q4: ENEPIG-levyt epäonnistuvat vetotesteissä?
→ Yleensä palladiumkerroksen kysymys:

1. Mittaa Pd-paksuus (0,15-0,25μm ihanteellinen).
2. Tarkistetaan, onko Pd hapettunut (suositellaan XPS-analyysia).
3. Säädetään PD-kylvyn pH 8,2-8,6:n välille.

Q5: Onko HASL-levyillä epätasainen juotospaksuus?
→ Ilmaveitsen kalibrointi tarpeen:

1. Tarkista ilmaveitsen paine (tyypillisesti 25-35 psi).
2. Tarkista tasausaika (3-5 sekuntia optimaalinen)
3. Tarkasta levytukikiinnikkeet vääntymisen varalta.

Ammattilaisten vinkkejä PCB-valmistajat

1. HASL – Kaksipuolisia levyjä varten pyydä “ dual dip” -käsittelyä varjovaikutuksen estämiseksi.
2. ENIG – Määritä aina “mid-phosphorus” nikkeli (6-9% P) parhaan luotettavuuden saavuttamiseksi.
3. OSP – Korkean luotettavuuden sovelluksiin kannattaa valita “Tyyppi 3” OSP-formulaatiot.
4. ImSn – Säilytys typpikaapissa pidentää säilyvyysaikaa 6-12 kuukautta.
5. ImAg – Lisää ruosteenestokäsittelyä, jos levyt altistuvat useille lämpösykleille.
6. ENEPIG – Määritä “low-stress nikkeli” joustaviin PCB-sovelluksiin
7. Kovaa kultaa – Kobolttipitoisuuden tulisi olla 0,1-0,3 % optimaalisen kulutuskestävyyden saavuttamiseksi.

Kustannusten ja suorituskyvyn vertailuanalyysi

Pintakäsittelyn tulevat suuntaukset

1. Nanokomposiitti OSP – Grafeenilla parannetut valmisteet osoittavat kokeissa 2x pidempää säilyvyyttä.
2. Matalan lämpötilan ENIG – Uudet kemikaalit mahdollistavat prosessoinnin 65 °C:ssa verrattuna perinteiseen 85 °C:n lämpötilaan
3. Valikoiva viimeistely – Eri pintakäsittelyjen yhdistäminen yksittäisissä levyissä (esim. ENIG + OSP).
4. Itsensä parantavat elokuvat – Kokeellinen OSP, joka korjaa pienet naarmut uudelleenjuoksutuksen aikana.
5. Halogeenittomat prosessit – Tulevien EU:n ympäristömääräysten noudattaminen

Kun arvioit pintakäsittelyjä, muista: ei ole olemassa mitään yleispätevää “parasta” vaihtoehtoa – vain sopivin ratkaisu erityisiin suunnitteluvaatimuksiin, budjettirajoituksiin ja valmistusvalmiuksiin. Kallein pintakäsittely ei välttämättä ole oikea valinta, samoin kuin edullisin vaihtoehto voi johtaa kenttävirheisiin. Suorita aina reaalimaailman testit todellisella piirilevysuunnittelulla ja komponenteilla, ennen kuin viimeistelet valintasi.