电路板 PCB表面处理工艺简述

2017/03/28 科诺PCB 3252

    印刷电路板PCB表面处理技术是指在PCB元器件和电气连接点上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法。其目的是保证PCB良好的可焊性或电气性能。由于铜在空气中倾向于以氧化物的形式存在,严重影响PCB的可焊性和电气性能,因此需要对PCB进行表面处理。
 

1、热风整平(喷锡HASL)

     在穿孔器件占主导地位的场合,波峰焊是最好的焊接方法。采用热风整平(HASL, Hot-air solder leveling)表面处理技术足以满足波峰焊的工艺要求,当然对于结点强度(尤其是接触式连接)要求较高的场合,多采用电镀镍/金的方法。HASL是在世界范围内主要应用的表面处理技术,但是有三个主要动力推动着电子工业不得不考虑HASL的替代技术:成本、新的工艺需求和无铅化需要。

    从成本的观点来看,许多电子元件诸如移动通信和个人计算机正变成平民化的消费品。以成本或更低的价格销售,才能在激烈的竞争环境中立于不败之地。组装技术发展到SMT以后, PCB焊盘在组装过程中要求采用丝网印刷和回流焊接工艺。在SMA场合,PCB表面处理工艺最初依然沿用了HASL技术,但是随着SMT器件的不断缩小,焊盘和网板开孔也在随之变小,HASL技术的弊端逐渐暴露了出来。HASL技术处理过的焊盘不够平整,共面性不能满足细间距焊盘的工艺要求。环境的关注通常集中在潜在的铅对环境的影响。


2、有机防氧化(OSP)
    有机可焊性保护层(OSP, Organic solderability preservative)是一种有机涂层,用来防止铜在焊接以前氧化,也就是保护PCB焊盘的可焊性不受破坏。
    PCB 表面用OSP处理以后,在铜的表面形成一层薄薄的有机化合物,从而保护铜不会被氧化。Benzotriazoles型OSP的厚度一般为100A°,而 Imidazoles型OSP的厚度要厚一些,一般为400 A°。OSP薄膜是透明的,肉眼不容易辨别其存在性,检测困难。在组装过程中(回流焊),OSP很容易就熔进到了焊膏或者酸性的Flux里面,同时露出活性较强的铜表面,最终在元器件和焊盘之间形成Sn/Cu金属间化合物,因此,OSP用来处理焊接表面具有非常优良的特性。OSP不存在铅污染问题,所以环保。
OSP的局限性:
                  ①、由于OSP透明无色,所以检查起来比较困难,很难辨别PCB是否涂过OSP。
                  ②、OSP本身是绝缘的,它不导电。Benzotriazoles类的OSP比较薄,可能不会影响到电气测试,但对于Imidazoles类OSP,形成的保护膜比较厚,会影响电气测试。OSP更无法用来作为处理电气接触表面,比如按键的键盘表面。
                  ③、OSP在焊接过程中,需要更加强劲的Flux,否则消除不了保护膜,从而导致焊接缺陷。
                  ④、在存储过程中,OSP表面不能接触到酸性物质,温度不能太高,否则OSP会挥发掉。

3、沉金(ENIG)
   ENIG的保护机理:在铜面上包裹一层厚厚的,电性能良好的镍金合金并可以长期保护PCB。不像OSP那样仅作为防锈阻隔层,其能够在PCB长期使用过程中有用并实现良好的电性能。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;
      通过化学方法在铜表面镀上Ni/Au。内层Ni的沉积厚度一般为120~240μin(约3~6μm),外层Au的沉积厚度比较薄,一般为2~4μinch (0.05~0.1μm)。Ni在焊锡和铜之间形成阻隔层。焊接时,外面的Au会迅速融解在焊锡里面,焊锡与Ni形成Ni/Sn金属间化合物。外面镀金是为了防止在存储期间Ni氧化或者钝化,所以金镀层要足够密,厚度不能太薄。
      浸金:在这个过程中,目的是沉积一层薄薄的且连续的金保护层,主要金的厚度不能太厚,否则焊点将变得很脆,严重影响焊电可靠性。与镀镍一样,浸金的工作温度很高,时间也很长。在浸洗过程中,将发生置换反应―――在镍的表面,金置换镍,不过当置换到一定程度时,置换反应会自动停止。金强度很高,耐磨擦,耐高温,不易氧化,所以可以防止镍氧化或钝化,并适合工作在强度要求高的场合。
ENIG处理过的PCB表面非常平整,共面性很好, 用于按键接触面非他莫属。其次,ENIG可焊性极佳,金会迅速融入熔化的焊锡里面,从而露出新鲜的Ni。
ENIG的局限性:
                ENIG的工艺过程比较复杂,而且如果要达到很好的效果,必须严格控制工艺参数。最为麻烦的是,ENIG处理过的PCB表面在ENIG或焊接过程中很容易产生黑盘效应(Black pad),从而给焊点的可靠性带来灾难性的影响。黑盘的产生机理非常复杂,它发生在Ni与金的交接面,直接表现为Ni过度氧化。金过多,会使焊点脆化,影响可靠性。

4、化学沉银

介于OSP和化学镀镍/浸金之间,工艺较简单、快速。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,所以沉银不具备化学镀镍/浸金所有的好的物理强度;

5、电镀镍金

     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。现在的电镀镍金有两类:镀软金(纯金,金表明看起来不亮)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)。

6、PCB混合表面处理技术

   选择两种或者两种以上的表面处理方式进行表面处理,常见的形式有:沉镍金+防氧化、电镀镍金+沉镍金、电镀镍金+热风整平、沉镍金+热风整平。

所有的表面处理形式中热风整平(无铅/有铅)是最常见且最便宜的处理方式,但请注意欧盟的RoHS规定。

RoHS:RoHS是由欧盟立法制定的一项强制性标准,它的全称是《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》(Restriction of Hazardous Substances)。该标准已于2006年7月1日开始正式实施,主要用于规范电子电气产品的材料及工艺标准,使之更加有利于人体健康及环境保护。该标准的目的在于消除电机电子产品中的铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴二苯醚共6项物质,并重点规定了铅的含量不能超过0.1%。


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