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PCB板表面处理工艺的优缺点分析
2019-06-21
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随着人类对生活环境要求的不断提高,PCB生产过程中所涉及的环境问题越来越受到重视。

为什么要对PCB表面进行特殊处理?

PCB表面处理的最基本目的是确保良好的可焊性或电性能。由于空气中的铜易氧化,氧化铜层对焊接产生很大影响,容易形成假焊,严重会导致焊盘和元件无法焊接,因此,PCB在生产和制造中会出现一种工艺,即在衬垫表面涂(镀)一层材料,以保护焊盘不受氧化。

目前国内板厂的PCB方便面处理工艺有:喷锡(HASL,hotairsolderleveling热风平整)、热焊锡平热风调平、OSP(防氧化)、镍金镀、锡沉淀、银沉积、化学镍钯金、电镀硬金等,当然,在特殊应用中会有一些特殊的PCB表面处理工艺。

1.喷锡(热风平整)

热风整平的一般过程是:微腐蚀、预热、镀锡、喷洗。

热风矫直,又称热风焊平(俗称喷锡),是在PCB表面涂覆熔锡(铅)焊料,加热压缩空气矫直,从而形成一层抗铜氧化,具有良好可焊性的涂层。钎料和铜在热空气调节焊料与铜的交界处形成铜锡金属间化合物。PCB通常沉在熔融焊料中进行热风整理;风刀在钎料凝固前将液态焊料压平;风刀可使铜表面焊料的半月板形状最小化,防止钎料桥接。

热风平分为竖直式和卧式,一般认为卧式较好,主要是因为水平热风调平涂层较均匀,可实现自动生产。

优点:价格低,焊接性能好。

缺点:由于喷锡板表面光洁度差,不适合焊接薄间隙销和太小部件。锡珠(solderbead)容易在PCB加工过程中产生锡珠,容易产生短路到细间隙销(finepitch)元件。在双面SMT工艺中使用时,由于第二面已经通过高温回流焊,TiN喷涂重熔很容易产生锡珠或类似的水滴落入受重力影响的球形锡点,从而造成表面不均匀,从而影响焊接问题。

2.有机可焊性保护剂(OSP)

一般工艺如下:脱脂->;微腐蚀>;酸洗>;纯水清洗>;有机涂层>;清洗,工艺控制比其他工艺更容易表明处理过程更容易。

OSP是根据RoHS指令对印刷电路板(PCB)铜箔进行表面处理的一种工艺。据估计,目前大约有25%的多氯联苯使用OSP工艺,而OSP工艺一直在上升(很可能OSP工艺现在已超过喷锡而居于第一位)。OSP工艺可用于低技术PCB或高科技PCB,如单面电视与PCB、高密度芯片封装板等。对于BGA,也有许多OSP应用程序。如果PCB不具备表面连接的功能要求或存储时间限制,OSP工艺将是最理想的表面处理工艺。

优点:工艺简单,表面光滑,适用于无铅焊接和SMT。返工方便,生产操作方便,适合水平操作。适用于各种处理共存(比如:OSP+ENIG),成本低,环境友好。

缺点:回流焊次数限制(多次焊接厚,膜会被破坏,基本上2次没有问题)。不适用于卷曲技术、线材装订。视觉检测和电气测量不方便。SMT需要氮气保护。SMT返工不适用。需要较高的存储条件。

3.全板镀镍金

在PCB表面镀金先涂上一层镍,再涂上一层金。镀镍主要是为了防止金和铜之间的扩散。镀镍有两种:软金(纯金,金表面看起来不亮)和硬镀金(表面平滑和硬,耐磨,含有钴等其他元素,金表面看起来较光亮)。软金主要用于芯片封装的金丝,硬金主要用于非焊接部位的电气连接。

优点:储存时间长>;12个月。适用于触点开关设计和金丝包扎。适用于电气测试。

缺点:成本高,金厚。电镀金手指时,需要额外的设计线来导电。由于镀金的厚度不一定会导致焊点的脆化,这会影响焊点的强度。电镀表面的均匀性。电镀的镍金不会包裹金属丝的边缘。不适合铝丝的捆绑。

4.沉金

一般工艺如下:除酸洗清洗>;微腐蚀>;预浸->;活化->;化学镀镍>;化学浸金;过程中有6个化学槽,涉及近100种化学品,工艺更为复杂。

金是一层厚厚的镍金合金包覆在铜表面,可以长期保护PCB。此外,它还具有其他表面处理工艺所不具备的对环境的容忍度。此外,金还可以防止铜的溶解,这将有利于无铅组装。

优点:不易氧化,储存时间长,表面光滑,适合焊接细间隙销和小焊点元件。有关键的PCB板首选(如手机板)。回流焊接可重复多次,可焊性不明显降低。可用作COB(ChipOnBoard)焊丝的基材。

缺点:成本高,焊接强度差,因为采用非电镀镍工艺,容易产生黑盘问题。镍层会随着时间的推移而氧化,长期的可靠性是个问题。

5.沉锡

目前,所有的焊料都是基于锡的,所以锡层可以与任何类型的焊料相匹配。TiN沉积工艺可以形成一个扁平的铜锡金属间化合物,使锡镀层具有与热风平整相同的焊接性,而不像热风平直;锡板不能储存太长时间,必须按照沉积锡的顺序进行组装。

优点:适用于水平生产。适合精细线材加工,适用无铅焊接,特别适用于压边工艺。非常好的平滑性,适用于SMT。

缺点:需要良好的储存条件(最好不超过6个月)来控制锡晶须的生长。不适合接触开关设计。在生产过程中,电阻焊接薄膜的工艺要求很高,否则会导致电阻焊接膜脱落。在多次焊接时,最好保护氮气。电气测试也是一个问题。

6.沉银

镀银工艺介于有机镀银和化学镀镍/镀金之间,工艺简单、快速。即使暴露在热、湿、污染的环境中,银仍然可以保持良好的焊接性,但会失去光泽。银不具备化学镀镍/镀金的良好物理强度,因为镀银层下没有镍。

优点:工艺简单,适合无铅焊接,表面平整,成本低,适用于很细的线材。

缺点:储存条件高,易污染。焊接强度容易出现问题(微空洞问题)。电阻焊膜下的铜中容易出现电迁移现象和贾凡尼咬现象。电学测量也是一个问题。

7.化学镍钯金

与沉淀金相比,化学镍、钯和金在镍和金之间有一层额外的钯。钯可以防止置换反应引起的腐蚀,并为金沉积做充分准备。另一方面,金被钯紧紧覆盖,提供了良好的接触表面。

优点:适用于无铅焊接。表面非常平整,适合SMT。该孔也可以涂上镍和金。长期而言,储存条件不苛刻。适合电气测试。适合开关触点设计。适用于铝丝装订,适用于厚板,抗环境攻击能力强。

8.电镀硬金

为了提高产品的耐磨性,增加插拔次数,对硬金进行电镀。

印制板表面处理过程的变化不大,似乎仍然是一件遥远的事情,但需要注意的是,长期缓慢的变化会导致很大的变化。随着环保呼声的提高,PCB的表面处理过程必将在未来发生巨大的变化。