PCB表面处理优缺点介绍 2020-08-11

 

 PCB需要表面处理的原因: 表面处理最基本的目的是保证良好的可焊性或电性能。由于自然界的铜在空气中倾向于以氧化物的形式存在,不大可能长期保持为原铜,因此需要对铜进行其他处理。虽然在后续的组装中,可以采用强助焊剂除去大多数铜的氧化物,但强助焊剂本身不易去除,因此业界一般不采用强助焊剂。
•       PCB表面处理的类型:目前国内板厂的PCB便面处理工艺有:喷锡(HASL,hot airsolder leveling 热风平整)、沉锡、沉银、OSP(防氧化)、化学沉金(ENIG)、电镀金等等,当然,特殊应用场合还会有一些特殊的PCB表面处理工艺。


•       对比不同的PCB表面处理工艺,他们的成本不同,当然所用的场合也不同,只选对的不选贵的,目前还没有最完美的PCB表面处理工艺能够(这里讲的是性价比,即以最低的价格就能满足所有的PCB应用场景),所以才会有这么多的工艺来让我们选择,当然每一种工艺都各有千秋,存在的既是合理的,关键是我们要认识他们用好他们。
 
•        热风整平又名热风焊料整平(HASL俗称喷锡):它是在PCB表面涂覆熔融锡(铅)焊料并用加热压缩空气整(吹)平的工艺,使其形成一层既抗铜氧化,又可提供良好的可焊性的涂覆层。热风整平时焊料和铜在结合处形成铜锡金属间化合物。PCB进行热风整平时要沉在熔融的焊料中;风刀在焊料凝固之前吹平液态的焊料;风刀能够将铜面上焊料的弯月状最小化和阻止焊料桥接。


•       优点:价格较低,焊接性能佳。
•       缺点:不适合用来焊接细间隙的引脚以及过小的元器件,因为喷锡板的表面平整度较差。在PCB加工中容易产生锡珠(solder bead),对细间隙引脚(fine pitch)元器件较易造成短路。使用于双面SMT工艺时,因为第二面已经过了一次高温回流焊,极容易发生喷锡重新熔融而产生锡珠或类似水珠受重力影响成滴落的球状锡点,造成表面更不平整进而影响焊接问题。
•       喷锡工艺曾经在PCB表面处理工艺中处于主导地位。二十世纪八十年代,超过四分之三的PCB使用喷锡工艺,但过去十年以来业界一直都在减少喷锡工艺的使用,估计目前约有25%-40%的PCB使用喷锡工艺。喷锡工艺制程比较脏、难闻、危险,因而从未是令人喜爱的工艺,但喷锡工艺对于尺寸较大的元件和间距较大的导线而言,却是极好的工艺。在密度较高的PCB中,喷锡工艺的平坦性将影响后续的组装;故HDI板一般不采用喷锡工艺。随着技术的进步,业界现在已经出现了适于组装间距更小的QFP和BGA的喷锡工艺,但实际应用较少。目前一些工厂采用OSP工艺和浸金工艺来代替喷锡工艺;技术上的发展也使得一些工厂采用沉锡、沉银工艺。加上近年来无铅化的趋势,喷锡工艺使用受到进一步的限制。虽然目前已经出现所谓的无铅喷锡,但这可将涉及到设备的兼容性问题。


•       OSP是印刷电路板(PCB)铜箔表面处理的符合RoHS指令要求的一种工艺。OSP是OrganicSolderability Preservatives的简称,中译为有机保焊膜,又称护铜剂,英文亦称之Preflux。简单地说,OSP就是在洁净的裸铜表面上,以化学的方法长出一层有机皮膜。这层膜具有防氧化,耐热冲击,耐湿性,用以保护铜表面于常态环境中不再继续生锈(氧化或硫化等);但在后续的焊接高温中,此种保护膜又必须很容易被助焊剂所迅速清除,如此方可使露出的干净铜表面得以在极短的时间内与熔融焊锡立即结合成为牢固的焊点。


•       优点:具有裸铜板焊接的所有优点,过期(三个月)的板子也可以重新做表面处理,但通常以一次为限。
•       缺点:容易受到酸及湿度影响。使用于二次回流焊时,需在一定时间内完成,通常第二次回流焊的效果会比较差。存放时间如果超过三个月就必须重新表面处理。打开包装后需在24小时内用完。OSP为绝缘层,所以测试点必须加印锡膏以去除原来的OSP层才能接触针点作电性测试。
•       估计目前约有25%-30%的PCB使用OSP工艺,该比例一直在上升(很可能OSP工艺现在已超过喷锡而居于第一位)。OSP工艺可以用在低技术含量的PCB,也可以用在高技术含量的PCB上,如单面电视机用PCB、高密度芯片封装用板。对于BGA方面,OSP应用也较多。PCB如果没有表面连接功能性要求或者储存期的限定,OSP工艺将是最理想的表面处理工艺。


•       沉金(ENIG,ElectrolessNickel Immersion Gold)   沉金是在铜面上包裹一层厚厚的、电性良好的镍金合金,这可以长期保护PCB;另外它也具有其它表面处理工艺所不具备的对环境的忍耐性。此外沉金也可以阻止铜的溶解,这将有益于无铅组装.


•       优点:不易氧化,可长时间存放,表面平整,适合用于焊接细间隙引脚以及焊点较小的元器件。有按键PCB板的首选(如手机板)。可以重复多次过回流焊也不太会降低其可焊性。可以用来作为COB(Chip On Board)打线的基材。
•       缺点:成本较高,焊接强度较差,因为使用无电镀镍制程,容易有黑盘的问题产生。镍层会随着时间氧化,长期的可靠性是个问题。
•       沉金工艺与OSP工艺不同,它主要用在表面有连接功能性要求和较长的储存期的板子上,如手机按键区、路由器壳体的边缘连接区和芯片处理器弹性连接的电性接触区。由于喷锡工艺的平坦性问题和OSP工艺助焊剂的清除问题,二十世纪九十年代沉金使用很广;后来由于黑盘、脆的镍磷合金的出现,沉金工艺的应用有所减少,不过目前几乎每个高技术的PCB厂都有沉金线。考虑到除去铜锡金属间化合物时焊点会变脆,相对脆的镍锡金属间化合物处将出现很多的问题。因此,便携式电子产品(如手机)几乎都采用OSP、沉银或沉锡形成的铜锡金属间化合物焊点,而采用沉金形成按键区、接触区和EMI的屏蔽区,即所谓的选择性沉金工艺。估计目前大约有10%-20%的PCB使用化学镀镍/浸金工艺。


•       沉银(Immersionsilver)浸银工艺介于OSP和化学镀镍/浸金之间,工艺较简单、快速。浸银不是给PCB穿上厚厚的盔甲,即使暴露在热、湿和污染的环境中,仍能提供很好的电性能和保持良好的可焊性,但会失去光泽。因为银层下面没有镍,所以浸银不具备化学镀镍/浸金所有的好的物理强度。
•       浸银是置换反应,它几乎是亚微米级的纯银涂覆。有时浸银过程中还包含一些有机物,主要是防止银腐蚀和消除银迁移问题,一般很难量测出来这一薄层的有机物,分析表明有机体的重量少于1%。


•       银比沉金便宜,如果PCB有连接功能性要求和需要降低成本,沉银是一个好的选择;加上沉银良好的平坦度和接触性,那就更应该选择沉银工艺。在通信产品、汽车、电脑外设方面沉银应用得很多,在高速信号设计方面沉银也有所应用。由于沉银具有其它表面处理所无法匹敌的良好电性能,它也可用在高频信号中。EMS推荐使用沉银工艺是因为它易于组装和具有较好的可检查性。但是由于沉银存在诸如失去光泽、焊点空洞等缺陷使得其增长缓慢(但没有下降)。估计目前大约有10%-15%的PCB使用沉银工艺。
•       沉锡(ImmersionTin)由于所有焊料是以锡为基础的,所锡层能与任何类型的焊料相匹配,从这一点来看,浸锡工艺极具发展前景。但以前的PCB经浸锡工艺后易出现锡须,在焊接过程中锡须和锡迁移会带来可靠性问题,因此限制了浸锡工艺的采用。后在浸锡溶液中加入了有机添加剂,使锡层结构呈颗粒状结构,克服了之前的问题,而且还具有好的热稳定性和可焊性。
•       浸锡工艺可以形成平坦的铜锡金属间化合物,这个特性使得浸锡具有和热风整平一样的好的可焊性而没有热风整平令人头疼的平坦性问题;也没有化学镀镍/浸金金属间的扩散问题;只是浸锡板不可以存储太久

•       沉锡被引入表面处理工艺是近十年的事情,该工艺的出现是生产自动化的要求的结果。沉锡在焊接处没有带入任何新元素,特别适用于通信用背板。在板子的储存期之外锡将失去可焊性,因而沉锡需要较好的储存条件。另外沉锡工艺中由于含有致癌物质而被限制使用。估计目前大约有5%-10%的PCB使用沉锡工艺。
•       其它表面处理工艺的应用较少,其中应用较多的有电镀镍金和化学镀钯工艺。
•       电镀镍金
•       电镀镍金是PCB表面处理工艺的鼻祖,自从PCB出现它就出现,慢慢演化出其它工艺。电镀镍金就是在PCB表面导体先电镀上一层镍之后再电镀上一层金,镀镍主要是防止金和铜之间的扩散。电镀镍金有两类:镀软金(纯金,金表面看起来不亮)和镀硬金(表面平滑坚硬,耐磨,含有钴等其它元素,表面看起来较光亮)。软金主要用于芯片封装时打金线;硬金主要用在非焊接处的电性互连(如金手指)。
•       正常情况下,焊接会导致电镀金变脆,这将缩短使用寿命,因而要避免在电镀金上进行焊接;而化学镀镍/浸金由于金很薄且一致,变脆现象很少发生。
•       化学镀钯
•       化学镀钯的过程与化学镀镍的过程相近似。主要过程是通过还原剂(如次磷酸二氢钠)使钯离子在催化的表面还原成钯,新生的钯可称为推动反应的催化剂,因而可得到任意厚度的镀钯层。化学镀钯的优点为良好的焊接可靠性、热稳定性、表面平整性。缺点为钯是一种较为稀少的贵金属,因而成本会增加。


•       沉金与镀金形成的晶体结构不一样,沉金板较镀金板更容易焊接,不会造成焊接不良;
•       沉金板只有焊盘上有镍金,趋肤效应中信号的传输是在铜层不会对信号有影响;
•       沉金较镀金晶体结构更致密,不易氧化;
•       沉金板只有焊盘上有镍金,不会产生金丝造成微短;
•       沉金板只有焊盘上有镍金,线路上阻焊与铜层结合更牢固;
•       沉金显金黄色,较镀金更黄也更好看;
•       沉金比镀金软,所以在耐磨性上不如镀金,对于金手指板则镀金效果会更好。
 
•       PCB各类表面处理对应的保存期限及注意事项
•       考虑到产品工艺和保管条件的差异,印制板拆封后应及时(推荐在 24 小时内)使用,且建议使用前进行预干燥处理,特别是挠性电路板中的 PI 基材板,如需贴片焊接,则一定需要进行预干燥处理。
•       对于化学浸锡或浸银产品拆包后建议在 12 小时内用完,否则须重新包装。
•       如超过有效保存期限,用户可进行干燥处理后试用:必要时某些性能重新进行性能试验,经检验合格后仍可使用。
•       通常保存时间超过 3 个月在上机贴片前为避免存在受潮的隐患,需进行 2 小时 150 度的烘烤。
•       贮存环境:
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•       A、良好的贮存条件:指温度小于 25 度,相对湿度不大于 65%,有温度控制、无腐蚀性气体的室内环境条件。
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•       B、一般的贮存条件:指温度不高于 35 度,相对湿度不大于 75%,无腐蚀性气体的室内环境条件
 

 
 
 
 
 
 
 
 

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