如何為pcb選擇最佳類型的表面成型工藝

印制電路板（PCB）負(fù)責(zé)在電子設(shè)備中加載和連接電子組件，以實現(xiàn)電子電路功能。對于PCBA（印制電路板組件），PCB上的組件與電路之間的電連接主要在于鍍錫或引線鍵合，而很少采用插入和緊固連接。為了在PCB設(shè)計中組裝連接，需要設(shè)計焊盤或焊盤。為了輕松可靠地實現(xiàn)焊盤或焊盤與組件之間的電連接，在PCB制造過程中必須在焊盤或焊盤的表面上進行表面處理，以防止銅氧化或變質(zhì)，并提供便于鍍錫的表面電鍍鍵合和引線鍵合。

面對PCB焊盤或焊盤上的多種表面成型，我們應(yīng)該如何為PCB選擇最佳類型的表面成型？本文是供您參考的綜合指南。

表面成型概述發(fā)展

初步階段。現(xiàn)在，沒有組件組裝在板上的板稱為裸板。超過四十年前，阻焊層不存在，銅線暴露在空氣中。換句話說，這種成品的PCB實際上是裸露的裸板。在此階段，通過引線插入焊接將組件組裝在PCB上。PCB的焊盤為銅表面，并應(yīng)用具有松香芯的焊錫線通過烙鐵進行焊接。后來，為了保護電路和焊盤，在整個PCB表面涂覆了助焊劑，并且涂覆方法主要是通過松香和樹脂噴涂的助焊劑來完成的。當(dāng)然，有時會應(yīng)用化學(xué)鍍銀。

初級階段。自1970年代以來，PCB一直依靠助焊劑來保護其電路，并進行了鈍化處理以通過焊盤的表面成型來阻止銅的氧化，目的是阻止銅表面的氧化。但是，在組裝過程中通過二次焊劑涂層確保了可焊性。然后，出現(xiàn)了其他一些類型的表面成型，例如化學(xué)鍍金，化學(xué)鍍錫，電鍍釬焊和熱熔錫釬焊，以及一些具有高可靠性的產(chǎn)品應(yīng)用了電子打孔和電燙金。

成熟期。在1980年代初，HASL開始應(yīng)用于電鍍焊接和熱熔錫焊接。同時，用OSP代替了鈍化處理，用松香涂層代替了停止銅表面氧化和助焊劑處理的鈍化處理。在1990年代中期，ENIG起飛，ImAg和ImSn也變得成熟。

改善階段。21問世ST世紀(jì)見證了由于印制電路板的發(fā)展對表面成型新的要求。為了符合RoHS法規(guī)并實施無鉛PCB組裝，必須完全消除電鍍錫鉛合金，并逐漸減少含HASL的鉛，取而代之的是無鉛HASL或其他類型的表面成型。隨著PCB向高密度和精細(xì)間距的發(fā)展，焊盤空間必須精細(xì)且表面成型才能調(diào)整微型安裝組件的焊接組件和芯片金屬線組件，從而減少了無鉛HASL的應(yīng)用。現(xiàn)有OSP和ENIG的性能也在提高，并且ENEPIG變得無處不在。對PCB的高密度和高頻率的要求導(dǎo)致出現(xiàn)了新的無鎳涂層。

到目前為止，PCB應(yīng)用市場的多樣性導(dǎo)致表面成型要求的多樣性，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用選擇合適的表面成型和要求。

每種類型的表面成型的屬性

?OSP

OSP是有機可焊性防腐劑的縮寫，是指以化學(xué)方法在裸銅表面形成的薄膜。該膜具有抗氧化，抗熱震和抗?jié)櫇裥裕m合電子行業(yè)對SMT的開發(fā)要求。

OSP的主要成分是含有雜環(huán)氮的有機物，如烷基苯并咪唑，BTA（苯并三唑），苯并咪唑等。通過絡(luò)合和交聯(lián)反應(yīng)，在PCB焊盤和通孔的純銅表面上覆蓋有機膜。OSP解決方案的關(guān)鍵成分決定了PCB的可焊性和熱阻，可以從由于熱和膜分解溫度而引起的顏色變化狀態(tài)來說明PCB的可焊性和熱阻，這對于表面安裝的焊接性能極為重要，

OSP膜的厚度應(yīng)在0.2μm至0.5μm的范圍內(nèi)，既不能太厚也不能太薄。否則，如果太薄則無法阻止銅表面的氧化，而在組裝過程中助焊劑不能完全溶解OSP平面在銅表面上，反而會導(dǎo)致焊接不良。

OSP的職責(zé)是切斷濕度，以停止銅表面的氧化，抵抗高溫并保持活化，并且很容易被助焊劑熔化，從而保持出色的鍍錫能力。此外，與物理涂層不同，OSP具有出色的選擇性，因此不會在阻焊膜，碳膜或金面上產(chǎn)生污染物。

以下是OSP表面成型的優(yōu)點：1）。適用于具有SMT和精細(xì)線間距的PCB；2）。能夠阻止銅表面氧化，經(jīng)受反復(fù)的熱沖擊，并與多種焊料兼容，易于焊接；3）。有利于PCB的光滑度；4）。環(huán)境友好型;5）。有助于降低成本；

當(dāng)然，OSP膜太薄，容易刮擦，工程師必須非常小心，因為一旦膜破裂，就無法保證可焊性。此外，使用OSP作為表面成型的PCB必須在干燥室溫下，無腐蝕性氣體（通常為15℃至25℃，≤60％RH）的環(huán)境中存儲。此外，存儲時間不會超過三個月。

?HASL

HASL是“熱空氣焊料調(diào)平”的縮寫，是指將PCB浸入熔化的錫槽中，然后將多余的焊錫從PCB表面吹走或通過熱風(fēng)將其金屬化，從而獲得光滑，均勻且光亮的焊錫涂層。隨著用戶對在裸銅上涂有助焊劑的PCB的要求不斷提高，HASL得到了快速的發(fā)展。

在執(zhí)行HASL之后，板必須滿足以下要求：1）。所有的焊料涂層都必須光滑，均勻且光亮，且沒有諸如打結(jié)或裸露銅的缺陷。此外，阻焊層絕不會遭受氣泡，脫落或顏色變化的影響，并且阻焊層下方的銅也絕不能被氧化或改變顏色。PCB的表面或通孔中也不應(yīng)有異物，也不應(yīng)在其中焊錫。2）。焊錫層的厚度應(yīng)在3μm至8μm的范圍內(nèi)，并以整體覆蓋焊錫層和可焊性為原則。3）。越來越多地取消了傳統(tǒng)的含鉛錫焊層，而以錫為核心并結(jié)合了最小量的銅或鎳的無鉛錫焊層被取消了。關(guān)鍵是保持可焊性。無鉛焊料的熔點比鉛的熔點高30℃，因此基板材料的耐熱性和板上通孔的可靠性將受到挑戰(zhàn)。

HASL的主要優(yōu)點在于可焊性。這種類型的焊錫與組裝焊料基本相同，并且在焊接時通過相互熔化而結(jié)合在一起。但是，HASL的缺點非常明顯，以至于涂層的光滑度不佳且溫度很高，以至于會影響PCB性能。隨著高密度電路設(shè)計的升級，微型組件的組裝需要光滑的表面，否則會影響連接的可靠性。而且，高密度的PCB被設(shè)計得很薄，以至于材料不能浸入高溫熔化的材料中。因此，HASL處于困難的道路上。

?ENIG

ENIG是化學(xué)鍍鎳和沉金的縮寫，是指首先通過化學(xué)電鍍在PCB的銅表面上沉積鎳層，然后沉積金層?；瘜W(xué)鍍鎳劑和金層由于具有良好的分散性，可焊性，接線鍵合性能，焊接性能以及與各種助焊劑的相容性等優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用。與OSP和HASL相比，ENIG具有可焊性，連接，布線和散熱功能，能夠滿足多種組裝要求。此外，電路板表面和SMD焊盤均光滑，適合細(xì)線。

化學(xué)鍍鎳層實際上是含有磷的Ni-P合金，其含量在7％至9％的范圍內(nèi)。溶液中的PH值和穩(wěn)定劑在決定鍍層中磷的含量方面起著重要作用，因此有必要將PH值控制在5.1左右。鎳層的厚度必須大于3μm，這決定了ENIG的可靠性。

將金浸在鎳表面實際上是一種置換反應(yīng)。原則上，當(dāng)鎳表面完全被銅覆蓋時，金的沉淀將停止。然而，由于金層表面上的孔太多，具有多個孔的金下面的鎳仍將被溶解，并且金將繼續(xù)以越來越低的速度繼續(xù)沉積在鎳上，直到停止為止。浸金層的厚度在0.03μm至0.1μm的范圍內(nèi)。銅僅起到保護鎳層免于氧化和滲析的作用。但是，銅的厚度不能太高，否則會因脆性和不安全性而導(dǎo)致?lián)舸?/p>

ENIG操作簡單，無需技術(shù)指導(dǎo)。但是在焊接過程中可能會出現(xiàn)黑焊盤，從而導(dǎo)致可靠性問題。黑焊盤的原因在于，浸金是替代反應(yīng)，鎳層被金溶液部分溶解和腐蝕。然后在鎳和金層之間產(chǎn)生金屬化合物，并在該層上被污染。PCB的長時間存放會由于加熱而導(dǎo)致金層或黑色焊盤的顏色變化。

現(xiàn)在，由于鎳層腐蝕而產(chǎn)生了黑焊盤，如何減少鎳腐蝕在于控制磷含量。此外，必須在浸金溶液中控制金含量，這有助于減少鎳的腐蝕。另外，添加劑和一些操作參數(shù)的改變也能夠幫助減少黑焊盤。

到目前為止，浸金溶液中含有氰化物。由于它是一種劇毒物質(zhì)，會極大地影響環(huán)境和人們的健康，因此建議減少或根本不使用氰化物。

目前，ENIG仍然是表面成型的重要類型，并且已經(jīng)開發(fā)了新的鎳涂層溶液，該溶液能夠有效地控制溶液的穩(wěn)定性并降低鎳層的脆性，從而具有更大的柔韌性。新型浸金溶液的PH值趨于中性，金含量大大降低，導(dǎo)致成本和腐蝕明顯降低。

?ENEPIG

ENEPIG是化學(xué)鎳，化學(xué)鈀和浸金的簡稱，它的完全目標(biāo)是通過在鎳和金層之間形成一種穩(wěn)定的金屬層鈀來阻止鎳和金層之間的金屬化合物的產(chǎn)生。鈀層完全阻止了鎳的遷移和新化合物的產(chǎn)生，有效地避免了ENIG中出現(xiàn)的黑焊盤。

ENEPIG作為一種表面成型劑，融合了其他類型表面成型劑的優(yōu)點，例如可焊性，可焊性，光滑度，抗氧化性，耐熱性和長期可靠性，因此被業(yè)界視為“多功能”表面成型劑。

在將ENEPIG用作表面成型的過程中，將鈀添加到原始的鎳鍍浸金中，要求在原始生產(chǎn)線中使用鈀鍍槽。結(jié)果，可以節(jié)省成本。從金屬材料的成本的角度來看，金層厚度的減小導(dǎo)致鎳/鈀/金涂層的成本低于鎳/金涂層的成本。

從ENIG到ENEPIG表面成型的提高對確保組件組裝后的可靠性很有幫助。通過對ENEPIG中鈀層的分析，可以證明鈀層由純鈀和硬度不同的鈀磷合金組成。因此，應(yīng)根據(jù)接線鍵合或電鍍的要求選擇不同的鈀層。此外，鈀的厚度應(yīng)該是正確的，因為存在微量鈀會增加銅錫生產(chǎn)的厚度，而過多的鈀會增強鈀錫合金的脆性，從而降低焊接強度。

?鎳/金鍍層

作為PCB的傳統(tǒng)技術(shù)，鎳/金鍍層主要用于PCB側(cè)面或開關(guān)觸點側(cè)面的插頭的表面鎳/金鍍層，在提高耐磨性和導(dǎo)電性方面發(fā)揮作用，或者應(yīng)用于鎳/金鍍層。電路和焊盤的表面，起到保護銅層和提高電鍍或接線連接可靠性的作用。

鎳/金鍍層的優(yōu)勢在控制和質(zhì)量保證方面顯示出簡單性。但是，最主要的缺點是必須依靠技術(shù)引線來確保端子和鎳/金之間的某些鍍層連接。添加和消除技術(shù)引線會增加工作量，因此不適合用于高密度PCB.因此，這種類型的表面成型越來越少地得到應(yīng)用。

?ImAg和ImSn

ImAg（浸銀）和ImSn（浸錫）都是傳統(tǒng)技術(shù)。在開發(fā)之初，由于穩(wěn)定性和可靠性差，它們很少得到應(yīng)用。目前，隨著ImAg和ImSn的進步和改進，兩種表面成型都保持在PCB上。換句話說，這兩種技術(shù)都在通過自身的屬性不斷改進。

a.ImAg

銀是良好的導(dǎo)體，具有出色的導(dǎo)電性，并且銀的表面光滑可焊，有利于信號傳輸?shù)耐暾浴５?，銀對環(huán)境非常敏感，以至于它會通過化學(xué)反應(yīng)變成黃色，并且當(dāng)氧化層變成黑色時，無疑會影響可焊性。為了避免這種情況，一方面，應(yīng)該改善存儲環(huán)境并減少存儲時間。另一方面，在銀層中應(yīng)該包含微量的有機物，以便停止氧化。

以下是ImAg表面成型的屬性：

1）優(yōu)良的可焊性，較高的潤濕能力，能夠滿足多次回流的要求；

2）適用于接線鍵合和壓力接觸技術(shù)；

3）涂層均勻，表面成型高，適合空間狹窄的裝配；

4）優(yōu)良的導(dǎo)電性能和可靠的粘接；

5）工作溫度低，適用于薄板；

6）成本相對較低；

b.ImSn

作為焊料的主要元素，錫涂層具有光滑的表面和出色的可焊性。ImSn的最主要缺點在于，由于銅和錫之間的遷移而導(dǎo)致錫晶須的產(chǎn)生，從而影響了PCB的可靠性并阻礙了其發(fā)展。但是，隨著錫技術(shù)的成熟，已經(jīng)開發(fā)了特殊的添加劑來阻止錫晶須的生產(chǎn)。

在制造過程中，錫表面趨于變黑，因為錫表面易于被氧化，因此浸錫后水清洗的高酸度會導(dǎo)致黑色錫表面發(fā)生氧化。而且，由于氧化，在傳動輥上的酸性溶液的污染物也趨于變黑。錫的厚度與溫度密切相關(guān)，而不是錫的濃度，酸度，硫脲的濃度和添加劑。

以下是ImSn表面成型的屬性：1）。涂層的共面性極佳；2）。涂層厚度分布均勻；3）。無鉛4）。能夠進行多次焊接；5）。工作溫度低；6）。成本相對較低；

?新型表面成型

隨著PCB向高密度和高性能發(fā)展，目前的某些表面成型無法滿足所有要求。以精細(xì)空間電路圖為例。當(dāng)相鄰兩個焊盤之間的間距為25μm且使用常規(guī)ENIG或ENEPIG時，間距將減小至約15μm。當(dāng)減小率達到40％時，電路精度和絕緣性將受到影響?？梢栽谙聢D中顯示。

此外，鎳具有差的電導(dǎo)率，約為銅的三分之一，而鎳具有鐵磁性，顯然會導(dǎo)致信號損耗增加。但是，OSP，ImAg和ImSn對信號丟失沒有明顯影響。

根據(jù)ENIG和ENEPIG出現(xiàn)的問題，以下是一些解決方案。

a.EPIG或EPAG

由于鎳層對精細(xì)電路和高頻信號的不良影響以及鎳的完全不足，因此采用薄的ENEPIG作為ENIG和ENEPIG缺點的解決方案?；瘜W(xué)鈀/金鍍層可替代ENIG和ENEPIG。沒有鎳的參與，表面成型會變得很薄，以至于不會在電路上產(chǎn)生變形。此外，高速信號傳輸損耗也降低了。

ENIG的一種變型是EPIG（無電鍍鈀/浸金），其鈀層的厚度為0.1μm，銅層的厚度為0.1μm。通過實驗和測試，得出EPIG具有良好的可靠性和可擴展性。

另一個變型是EPAG（無電鈀/自催化金），鈀層的厚度為0.15μm，銅層的厚度為0.1μm，適用于金線和銅線的接線。EPAG的優(yōu)點包括更好的高頻特性，由于涂層薄而適用于精細(xì)空間電路，可靠的焊接或接線鍵合，并減少了工藝和成本。

b.化學(xué)鎳ImAg（Ni / Ag）

盡管ImAg成本低廉且可焊性極佳，但由于其抗腐蝕能力差而易于氧化。結(jié)果，通過引入Ni / Ag已經(jīng)取得了一些改進。鎳具有良好的導(dǎo)電性和可焊性，而鎳具有抗腐蝕能力。

使用與ENIG和ImAg類似的技術(shù)，從實際角度開發(fā)了Ni / Ag。Ni / Ag的特征是鈀的厚度在2μm至6μm的范圍內(nèi)，銀的厚度在0.1μm的范圍內(nèi)。

c.HASLEN

HASLEN是HASL和化學(xué)鎳之間的組合。通常，鎳在暴露于空氣中時由于氧化而難以潤濕和鍍覆，因此基于DES開發(fā)了液態(tài)助焊劑。與HASL相比，HASLEN的優(yōu)勢包括：由于更高的抗氧化可靠性，使用壽命幾乎不受限制；由于具有較高的耐高溫性，因此可靠性更高；避免黑焊盤；低成本。

d.SENIG / OSP

電子封裝引起了對PCB表面成型的許多要求。電子裝配的小型化和無鉛化趨勢對表面成型提出了更高的要求，這就是為什么出現(xiàn)SENIG / OSP的原因。這種類型的技術(shù)很復(fù)雜，因為在形成PCB圖案和阻焊劑圖案之后，要進行成像以保護OSP的銅表面并露出ENIG的銅表面，然后去除光敏電阻層以完成OSP。這些技術(shù)的關(guān)鍵在于化學(xué)鍍鎳層的耐腐蝕性。

不同類型表面成型的比較

下表總結(jié)了不同類型的表面成型之間的比較。注意：從a到d的字符表示從優(yōu)到壞的等級；L表示低，H表示高，M表示中，MH表示中高，ML表示中低。

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哪種類型的表面成型最適合PCB？最佳的表面成型并不存在，您只需要選擇最合適的類型即可。應(yīng)根據(jù)PCB的性能和成本要求選擇表面成型。

編輯：黃飛

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