O que são acabamentos de superfície para PCB?

O tratamento de 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 "meio de soldadura".

Funções principais do acabamento de superfícies de PCB

Proteção física: Isola o cobre do contacto com o ar e a humidade, evitando a oxidação, a sulfidação e outras reacções corrosivas;
Otimização da soldabilidade: Proporcionar uma interface de soldadura plana e estável para garantir uma ligação fiável 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 anomalias de impedância ou risco de curto-circuito devido à deterioração da superfície de cobre.

A importância do tratamento de superfície de PCB

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

O cobre à temperatura ambiente com oxigénio no ar, o contacto com o vapor de água irá gerar óxido de cobre (CuO) ou carbonato de cobre alcalino (verde de cobre), estas camadas oxidadas irão reduzir significativamente a molhabilidade da soldadura - especificamente manifestada como solda "recusa-se a soldar", juntas de solda falsas ou rachadas. A preparação da superfície garante que a superfície de cobre esteja ativa durante a soldadura, cobrindo-a com um revestimento que bloqueia radicalmente o caminho de contacto do cobre com o oxidante.

Importância para a indústria: um processo crítico ao longo do ciclo de vida dos PCB

1.Fabrico
Garantir o rendimento da SMT (Surface Mount Technology) e reduzir os custos de retrabalho devido a uma soldabilidade deficiente;
A uniformidade do revestimento afecta diretamente a resistência mecânica dos componentes após a soldadura (por exemplo, tensão da junta de soldadura, força de corte).

2. armazenamento e transporte
No armazenamento a longo prazo, o revestimento pode resistir à humidade, à névoa salina e a outros factores ambientais de erosão (como as zonas costeiras com equipamento, os PCB têm de prestar especial atenção à capacidade de evitar a ferrugem);
Evitar danos na superfície do cobre causados por fricção e colisão durante o transporte.

3. adaptação à utilização de cenas
Os ambientes de alta temperatura (como a eletrónica automóvel e o controlo industrial) exigem que o revestimento tenha resistência ao envelhecimento para evitar a decomposição ou a oxidação do revestimento a altas temperaturas;
Em circuitos de alta frequência, a planura do revestimento afecta a perda de transmissão do sinal (por exemplo, o processo de imersão em ouro é normalmente utilizado em PCB de RF devido à boa uniformidade do revestimento).

Comparação aprofundada 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 fundida a 260°C (Sn63Pb37 ou SAC305), seguida da remoção do excesso de solda com ar quente a alta pressão (400°C), cria superfícies irregulares e "montanhosas".

Ideal para:

• Eletrónica de consumo (carregadores, controladores LED)
• Encomendas de grande volume sensíveis ao custo

Lição difícil:
Um fabricante de routers teve uma experiência generalizada de vazios em BGA utilizando HASL sem chumbo, acabando por acrescentar um passo de "pré-estanhagem de almofadas" que aumentou o custo em $0,17/placa.

Controlos críticos:

2. Ouro de imersão em níquel eletrolítico (ENIG)

Estrutura de camadas:
Deposição em "sanduíche": Ni sem eletrólito (3-5μm) → Au de deslocamento (0,05-0,1μm). O Ni actua como "firewall" do cobre, o Au como "interface de soldadura".

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

Análise da almofada preta:
Quando o banho de Ni excede os 91°C, a segregação do fósforo forma fases Ni3P quebradiças (o SEM mostra uma morfologia "fissurada"). Prevenção:

• Adicionar tampão de ácido cítrico
• Implementar o revestimento por impulsos
• Incluir micro-corrosão antes da deposição de Au

3. Conservante orgânico de soldabilidade (OSP)

Proteção molecular:
Os quelatos de benzimidazol-cobre formam películas de 0,2-0,5μm que resistem a uma oxidação natural de 6 meses.

Escolha preferencial 5G:
Uma placa AAU de estação base utilizando OSP+LDI poupou $4.2/m² vs ENIG com uma perda de inserção 0.3dB/cm mais baixa (@28GHz).

O que não fazer na armazenagem:

• RH>60% provoca a hidrólise da película
• Embalagens contendo enxofre criam pontos negros de Cu2S
• Deve ser SMT no prazo 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 fiabilidade.

Sucesso automóvel:
Um módulo ECU passou 3000x -40°C~125°C ciclos com ImSn vs ENIG 2400x.

Riscos do processo:

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

5. Prata de imersão (ImAg)

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

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

Controlo da espessura:

• Tiossulfato de sódio como inibidor
• Tanque de revestimento por pulverização
• Passivação de cromato pós-tratamento

6. Ouro de imersão em níquel eletrolítico e paládio eletrolítico (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.

Aplicação SiP:
Um pacote 3D obtido por soldadura mista Au wire/SnAgCu utilizando ENEPIG.

Otimização de custos:

• Espessura gradiente de Pd (0,15 μm no bordo/0,08 μm 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) a 180HV de dureza suporta 50x mais desgaste do que o ENIG.

Especificações do conetor:

• 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 incorrecta de um backplane aumentou o custo de acabamento de 8% para 34% do total.

Árvore de decisão de seleção

5 Clínicas de Insucesso Comum

Q1: Resíduos pretos nas almofadas ENIG após a refusão?
→ "Fragilização do ouro"! Verificar de imediato:

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

Q2: Fios de estanho no ImSn após 3 meses de armazenamento?
→ Executar "rescue trio":

1. 150°C cozedura durante 2 horas
2. Aplicar um nano-revestimento anti-difusão
3. Mudar para o processo de estanho mate

Q3: As placas OSP apresentam uma fraca molhabilidade após vários refluxos?
→ A película orgânica degrada-se! Seguir os seguintes passos:

1. Verificar se a temperatura de pico do refluxo não excedeu 245°C
2. Verificar o tempo de armazenamento - OSP degrada-se após 6 meses
3. Considerar a adição de uma atmosfera de azoto durante a refusão

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

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

Q5: Tem placas HASL com espessura de solda irregular?
→ É necessária a calibração da faca de ar:

1. Verificar a pressão da faca de ar (25-35 psi típico)
2. Verificar o tempo de nivelamento (3-5 segundos no máximo)
3. Inspecionar os dispositivos de suporte da placa quanto a empenos

Dicas profissionais de Fabricantes de PCB

1. HASL - Para placas de dupla face, solicitar o processamento "dual dip" para evitar o efeito de sombra
2. ENIG - Especificar sempre níquel "meio-fósforo" (6-9% P) para uma maior fiabilidade
3. OSP - Para aplicações de elevada fiabilidade, escolha formulações OSP "Tipo 3"
4. ImSn - O armazenamento em armários de azoto prolonga o prazo de validade de 6 a 12 meses
5. ImAg - Acrescentar um tratamento anti-encandeamento se as placas forem submetidas a vários ciclos térmicos
6. ENEPIG - Especificar "níquel de baixa tensão" para aplicações de PCB flexíveis
7. Ouro duro - O teor de cobalto deve ser de 0,1-0,3% para uma resistência óptima ao desgaste

Análise da relação custo-desempenho

Tendências futuras em acabamentos de superfície

1. OSP nanocompósito - Formulações enriquecidas com grafeno apresentam um prazo de validade 2x mais longo em ensaios
2. ENIG a baixa temperatura - Novos produtos químicos permitem o processamento a 65°C em vez dos tradicionais 85°C
3. Acabamentos selectivos - Combinação de diferentes acabamentos em placas individuais (por exemplo, ENIG + OSP)
4. Filmes autocurativos - OSP experimental que repara pequenos riscos durante a refusão
5. Processos sem halogéneos - Cumprir os futuros regulamentos ambientais da UE

Ao avaliar os acabamentos de superfície, lembre-se: não existe uma "melhor" opção universal - apenas a solução mais adequada para os seus requisitos de design específicos, restrições orçamentais e capacidades de fabrico. O acabamento mais caro não é necessariamente a escolha certa, tal como a opção mais económica pode levar a falhas no terreno. Efectue sempre testes reais com o seu design e componentes de PCB reais antes de finalizar a sua seleção.