PCB表面成型的類型及選擇

制作制板說明書時，應(yīng)注意以下事項：PCB基板材料，阻焊劑，絲網(wǎng)印刷，表面成型，電路板尺寸和厚度，銅厚度，盲孔和埋孔，通孔電鍍，SMT，面板，公差等在實際制造電路板之前要考慮到這一點。在這些項目中，表面成型的選擇屬于第一類，因為表面成型對提高電子產(chǎn)品的可靠性起著極其重要的作用。由于PCB上的銅層很容易被氧化，因此生成的銅氧化層會嚴重降低焊接質(zhì)量，從而降低最終產(chǎn)品的可靠性和有效性。表面成型具有導(dǎo)電性，可防止焊盤氧化，并確保出色的可焊性和電性能。

表面成型或表面涂層是PCB板制造和電路卡組裝之間過程中最重要的一步，具有兩個主要功能，其中之一是保留裸露的銅電路，另一個是在焊接時提供可焊接的表面組件連接到PCB.如圖1所示，表面成型位于PCB的最外層且在銅之上，起到銅的“涂層”作用。

表面成型的類型

基本上，有兩種主要類型的表面成型：金屬的和有機的。HASL，ENIG / ENEPIG，沉金和沉錫均屬于金屬表面成型，而OSP和碳墨均屬于有機表面成型。

?HASL（熱空氣焊料調(diào)平）

HASL是一種應(yīng)用于pcb的傳統(tǒng)表面處理方法。PCB通常浸在熔化的焊錫中，這樣所有裸露的銅表面都被焊錫覆蓋。多余的焊錫通過熱風(fēng)刀之間的PCB去除。通常，HASL遵循如下圖2所示的過程:

為了符合有關(guān)環(huán)境保護的規(guī)定，HASL分為兩個子類別：有鉛HASL和無鉛HASL。后者符合歐盟最初采用的RoHS（有害物質(zhì)限制）法規(guī)和法律。

?ENIG和ENEPIG

ENIG是化學(xué)鍍鎳的縮寫，由化學(xué)鍍鎳和浸入金的薄層組成，可保護鎳免受氧化。ENEPIG，也稱為化學(xué)鎳化學(xué)鍍鈀金，與ENIG的不同之處在于，鈀層用作電阻層，可阻止鎳氧化和擴散到銅層。與其他類型的表面成型相比，ENIG和ENEPIG可為PCB提供最高的可焊性，但成本要高得多。ENIG和ENEPIG的制造工藝之間的差異可以在下面的圖3中找到。

化學(xué)鎳步驟是一種自動催化過程，包括在鈀催化的銅表面上沉積鎳。必須補充含有鎳離子的還原劑，以提供產(chǎn)生均勻涂層所需的適當(dāng)濃度，溫度和酸度。在浸金步驟中，金通過分子交換粘附在鍍鎳區(qū)域，這將保護鎳直至焊接過程。金的厚度需要滿足一定的公差，以確保鎳保持其可焊性。

ENIG和ENEPIG分別有其優(yōu)點和缺點。例如，ENIG具有平坦的表面，簡單的工藝機制和耐高溫性，而ENEPIG具有出色的多次回流循環(huán)能力，并具有高度可靠的引線鍵合能力。根據(jù)ENIG和ENEPIG之間的比較，可以將它們應(yīng)用于不同的應(yīng)用中以實現(xiàn)不同的目的。ENIG適用于無鉛焊接，SMT（表面安裝技術(shù)），BGA（球柵陣列）封裝等。而ENEPIG能夠滿足包括THT（通孔技術(shù)），SMT，BGA在內(nèi)的多種封裝的嚴格要求，引線鍵合，壓入配合等。

?ImAg（浸銀）

ImAg由在銅導(dǎo)線上的薄浸銀鍍層組成。通常，ImAg遵循以下步驟：

ImAg是用于焊接和測試的良好表面成型類型。蠕變腐蝕是其主要缺點。

?ImSn（浸錫）

ImSn與ImAg基本相同，不同之處在于ImSn中使用錫，而ImAg中使用銀。就ImSn的優(yōu)勢而言，它在銅焊盤上提供了極其平坦的表面成型，使其非常適合SMT應(yīng)用。此外，ImSn還提供了一種可以通過常見的自動光學(xué)檢測技術(shù)輕松檢測到的表面。

?OSP（有機可焊性防腐劑）

OSP是一種參與了透明有機材料的表面成型。它使用一種水基有機化合物，該有機化合物選擇性地結(jié)合到銅上并保護銅直到焊接為止。通常，OSP遵循以下過程：

上面的描述無法解釋有關(guān)OSP的任何內(nèi)容。您可以參考關(guān)于OSP幾乎不了解的文章，以獲取OSP表面成型技術(shù)的更多詳細信息。

總而言之，每種類型都有其自身的優(yōu)點和缺點。您應(yīng)該根據(jù)電子產(chǎn)品的使用目的，性能要求，成本，耐腐蝕性，ICT（在線測試），孔填充等選擇最合適的表面成型。選擇過程中考慮的項目越多，精度越高。

一般來說，就成本而言，比較這些類型的表面成型，ImAg和OSP最便宜，而ENIG最昂貴。就耐腐蝕性而言，HASL和ImSn具有最佳的耐腐蝕性，而ImAg具有最差的耐腐蝕性。就ICT而言，只有OSP最差，而其他OSP則同樣好。在空洞填充方面，HASL和ENIG優(yōu)于其他類型。

表面成型選擇

PCB的表面成型選擇是PCB制造中最重要的步驟，因為它直接影響工藝良率，返工數(shù)量，現(xiàn)場故障率，測試能力，報廢率和成本。關(guān)于組裝的所有重要考慮因素都必須納入表面成型的選擇中，以確保最終產(chǎn)品的高質(zhì)量和高性能。

在PCB組裝過程中，不同位置的人對如何選擇表面成型有不同的看法，如下圖所示：

顯然，不同職位的人有不同的選擇標準。無論選擇哪種類型，它都只滿足人們的需求和便利，而很少考慮PCB和PCB組件的質(zhì)量，性能和可靠性。

根據(jù)上述每種類型的表面成型的介紹，某些屬性是最重要的選擇標準。下表顯示了每種類型的表面成型的“具有”和“不具有”的屬性。根據(jù)PCB產(chǎn)品的特定要求和功能，您可以按照此表選擇理想的表面成型選項。

總而言之，對于表面成型選擇的類型，必須選擇最佳類型，并且可以實現(xiàn)眾多功能。每種類型的表面成型都有其自身的優(yōu)點和缺點。但是不用擔(dān)心。有一些工程上的技巧可以解決由于表面成型引起的問題。例如，對于OSP潤濕力較低的缺點，可以使用一些解決方案，例如更改板的可焊性鍍層或波峰焊合金，增加頂側(cè)預(yù)熱等。關(guān)鍵點是必須按順序考慮所有可能的元素。獲得理想的性能。

如今，環(huán)境問題在電子領(lǐng)域變得越來越重要。為了限制產(chǎn)生的有害物質(zhì)，歐盟已發(fā)布了RoHS。RoHS，也稱為無鉛，代表有害物質(zhì)限制。RoHS，也稱為Directive 2002/95 / EC，起源于歐盟，并限制使用在電氣和電子產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的六種有害物質(zhì)。自2006年7月1日起，所有在歐盟市場上適用的產(chǎn)品都必須通過RoHS認證。RoHS影響整個電子行業(yè)以及許多電氣產(chǎn)品。因此，未來無鉛焊料的表面成型將有更多的關(guān)注者。

ENIG和ENEPIG之間的比較

在PCB制造過程中應(yīng)用的技術(shù)中，那些有助于表面成型的技術(shù)在PCB組裝以及其中應(yīng)用了電路板的電子產(chǎn)品的應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。

PCB上的銅層容易在空氣中被氧化，從而易于產(chǎn)生銅氧化，這將嚴重降低焊接質(zhì)量。但是，表面成型能夠阻止銅墊氧化，因此可以保證出色的可焊性和相應(yīng)的電氣性能。市場對電子設(shè)備的小型化，更高的功能性和可靠性的不斷增長的市場需求將PCB推向薄，輕量，高密度和更高的信號傳輸速度。因此，表面成型必須在穩(wěn)定性和可靠性方面接受即將到來的挑戰(zhàn)，以與上述開發(fā)要求兼容。

此外，基于對環(huán)境友好型可持續(xù)發(fā)展意識的增強，涉及PCB表面成型的環(huán)境污染問題正日益引起全球關(guān)注。歐盟制定的RoHS（有害物質(zhì)限制）和WEEE（廢棄電氣電子設(shè)備）法規(guī)旨在消除電子產(chǎn)品中的鉛和汞等有害物質(zhì)，要求綠色或無鉛的PCB表面生產(chǎn)結(jié)束。ENIG（化學(xué)鍍鎳沉金）和ENEPIG（化學(xué)鍍鎳沉金）作為一種表面成型，不僅可以滿足PCB市場所要求的技術(shù)要求，而且還可以根據(jù)無鉛焊料的趨勢進行調(diào)整，因此發(fā)展?jié)摿Α?/p>

然而，人們很難分辨出ENIG和ENEPIG之間的區(qū)別，更不用說知道何時依賴哪個。本文的以下內(nèi)容將提供ENIG和ENEPIG的定義及其制造工藝，討論它們的優(yōu)缺點，目的是提供在特定情況下何時使用每種成型的指南。

表面成型選擇注意事項

到目前為止，公認的主要表面成型為HASL（熱風(fēng)焊料調(diào)平），OSP（有機焊料防腐劑），浸錫，浸金，ENIG和ENEPIG。面對具有各自優(yōu)點和缺點的不同表面成型，當(dāng)您選擇一種與您的產(chǎn)品兼容的類型時，是否遭受了劇烈的痛苦？實際上，無論您的PCB產(chǎn)品類型是什么或必須滿足什么要求，您對表面成型的選擇都必須基于成本，最終產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境，細間距組件，無鉛或無鉛，RF應(yīng)用中的考慮因素。（高頻率可能性），保質(zhì)期，抗沖擊和跌落，熱阻，體積和產(chǎn)量。

因此，上面提到的考慮元素可以作為您最終決定PCB表面成型的參考之一。當(dāng)然，這些項目永遠不可能是具有同等重要性的平均重要性。然后，在你準備好依賴這個列表并考慮你具體的產(chǎn)品情況之前，應(yīng)該澄清每個項目的重要性程度。

ENIG和ENEPIG的出現(xiàn)

早在20世紀90年代，由于PCB向更好的線路和微孔的發(fā)展，加上HASL和OSP的突出缺點，如前者的平坦性問題和后者的通量消除問題，ENIG開始被用作PCB制造中表面拋光的另一種替代方案。

為了擊敗黑鎳板，ENIG的主要弱點，ENEPIG作為ENIG的升級版問世。通過在化學(xué)鎳和浸金之間添加鍍鈀，ENEPIG會包含一層電阻薄層，其厚度通常在0.05μm至0.1μm的范圍內(nèi)。鈀層在阻止浸金技術(shù)腐蝕鎳層方面發(fā)揮了作用。結(jié)果，ENEPIG能夠克服由ENIG保持的黑墊的缺陷。此外，ENEPIG具有高度可靠的引線鍵合能力，出色的多次回流焊接能力以及包含開關(guān)觸點表面的特性，使其能夠同時滿足高密度PCB和多表面封裝的嚴格要求?；谶@些優(yōu)點，ENEPIG也被稱為通用表面成型。

ENIG和ENEPIG的優(yōu)缺點

在1990年代，隨著PCB細線和HASL（熱空氣焊料調(diào)平）的微孔和平面度問題以及OSP（有機可焊性防腐劑）的消除焊錫問題的發(fā)展趨勢，ENIG技術(shù)開始在PCB制造中被廣泛使用。

與ENIG相比，ENEPIG技術(shù)早在1980年代就已應(yīng)用于PCB制造。然而，由于ENEPIG成本高且產(chǎn)品對表面成型要求低，因此并未得到廣泛使用和推廣。目前，對小型化，薄型化和多功能的要求為ENEPIG提供了更多機會。

下表顯示了ENIG和ENEPIG的優(yōu)點。

ENEPIG技術(shù)是在ENIG技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其中添加了鈀層，因此其性能得到了極大的提高。理由是：a.具有致密膜結(jié)構(gòu)的鈀層完全覆蓋在鎳層上，鈀層中的磷含量低于鎳層中的普通含量，從而避免了黑鎳的產(chǎn)生條件，并且消除了黑墊的可能性。b.鈀的熔點為1,554℃，高于金的熔點（1,063℃）。因此，鈀在高溫下的熔化速度相對較慢，并且具有足夠的時間來產(chǎn)生用于保護鎳層的電阻層。c.鈀比金具有更高的硬度，從而提高了焊料的可靠性，引線鍵合能力和減摩性能。d.錫鈀合金具有最強的防腐能力，能夠阻止由一次電池腐蝕引起的蠕變腐蝕，從而可以延長使用壽命。e。鈀的使用能夠減小金層的厚度，與ENIG相比，其成本降低了60％。

每個硬幣都有兩個面。除了優(yōu)點之外，ENIG和ENEPIG也有一些缺點。

具有成本效益的表面成型的措施

根據(jù)ENIG和ENEPIG的優(yōu)缺點，當(dāng)首先考慮可靠性時，選擇ENEPIG作為更好的解決方案是很自然的。但是，其較高的成本阻止了一些公司犧牲一些收入。但是，由于我們已采取措施消除應(yīng)用ENIG的黑色焊盤問題，因此您完全可以獲得質(zhì)量與成本之間的最佳平衡。

黑色襯墊隨ENIG的出現(xiàn)而誕生。在將金浸入ENIG中的過程中，由于不良操作下的鎳腐蝕，容易造成黑色焊盤。過度的鎳腐蝕將大大降低潤濕性，并降低焊接性能，當(dāng)焊料與腐蝕的鎳表面粘接時，焊料必須承受更大的應(yīng)力。最終，用于焊料和鎳之間接觸的接觸層會破裂，并產(chǎn)生黑色的鎳表面，稱為黑色焊盤。

由于ENIG包含化學(xué)鍍金層，因此很難總結(jié)是否存在黑墊。除非通過化學(xué)方法將金從表面上剝離下來，否則鎳將不會被暴露。另外，在鎳和金的接觸處（焊接前）和焊料與鎳的接觸處（焊接后）將形成富含P的鎳層。這實際上是自然現(xiàn)象，并且與黑墊無關(guān)。

導(dǎo)致黑墊的主要原因有兩個方面。首先，技術(shù)實施受到這樣的不良控制，使得晶體顆粒不均勻地生長，并且在具有低質(zhì)量產(chǎn)生的鎳膜的晶體顆粒之間發(fā)生許多裂紋。其次，實施金浸沒需要很長時間，以致在鎳表面上容易產(chǎn)生腐蝕并產(chǎn)生裂紋。

在影響化學(xué)鍍鎳的所有元素中，阻焊層脫穎而出的原因如下：

原因1：阻焊層的交叉鍵合和剛性不足，容易在銅表面留下污染物，從而阻止了活化反應(yīng)的發(fā)生。在熱的化學(xué)鎳溶液中，會產(chǎn)生氫氣釋放出焊料掩膜單體。然后，它禁止化學(xué)鎳的反應(yīng)并破壞化學(xué)平衡。

原因2：阻焊層不良的表面會導(dǎo)致焊盤表面劣化。

原因3：填充在微通孔中的阻焊層傾向于經(jīng)歷電化學(xué)反應(yīng)，從而將阻止形成均勻的催化表面。

為了成功解決黑墊問題，可以采取三種措施：

措施1：應(yīng)控制化學(xué)鎳溶液的pH值。

措施2：必須分析化學(xué)鎳溶液的穩(wěn)定劑含量。

措施3：浸金時應(yīng)停止鎳表面腐蝕。

到目前為止，沉金技術(shù)的改進已取得了良好的效果。新開發(fā)的浸金技術(shù)不僅可以減少鎳表面的腐蝕，而且還有助于降低成本。與上一代的浸金溶液（pH = 4.5-5.5）相比，新一代的浸金溶液的pH值范圍為7.0至7.2，接近中性。中性液體在阻止氫離子腐蝕鎳表面方面表現(xiàn)最佳。而且，新一代浸金技術(shù)可以在較低的金溶液中實施，這使初始原材料的成本降低了50％至80％，并且對底層的鎳影響很小。

當(dāng)談到柔性PCB的表面成型時，如果將當(dāng)前的ENIG直接施加到柔性電路板上，則隨著基板彎曲，帶有層的鎳膜會產(chǎn)生裂紋，這將進一步導(dǎo)致底層銅的裂紋。為了適應(yīng)柔性板的表面成型要求，新開發(fā)的化學(xué)鍍鎳技術(shù)能夠產(chǎn)生具有柱狀結(jié)構(gòu)的鎳膜。當(dāng)基板彎曲時，在表面只能形成微裂紋，并且裂紋不會散布到底層的銅中。

上面列出的所有分析和措施僅適用于ENIG，而ENEPIG則不需要它們作為ENIG的升級版。

實際上，上述措施是由PCB制造商積累并測試的，可以滿足客戶對高可靠性和低成本的需求。一旦選擇了ENIG，即使由于我們以客戶為導(dǎo)向的原則而存在“嚴重”缺陷，我們?nèi)匀挥胸?zé)任確保其質(zhì)量。

ENIG和ENEPIG之間的應(yīng)用比較

ENIG和ENEPIG應(yīng)用領(lǐng)域因其獨特的優(yōu)勢而有所不同。ENIG適用于無鉛焊接，SMT（表面安裝技術(shù)），BGA（球柵陣列）封裝等。ENIG能夠提供的行業(yè)和產(chǎn)品包括數(shù)據(jù)/電信，高端消費者，航空航天，軍事和高性能設(shè)備和醫(yī)療行業(yè)。此外，由于其可靠性高，ENIG特別適用于柔性市場。

ENEPIG能夠滿足多種封裝的更嚴格要求，包括THT（通孔技術(shù)），SMT，BGA，引線鍵合，壓配合等。更好的是，ENEPIG還適用于具有不同封裝技術(shù)的PCB.因此，ENEPIG的應(yīng)用領(lǐng)域可服務(wù)于對密度和可靠性有更高要求的航空航天，軍事和高性能設(shè)備以及醫(yī)療行業(yè)。

實際上，PCB板制造商的工作就是為客戶提供最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。作為PCB制造過程中的重要一步，高質(zhì)量的表面成型絕對決定了電路板的高質(zhì)量。因此，PCB制造商必須確保表面成型能夠滿足其所服務(wù)的電路板和最終產(chǎn)品所要求的要求。

技術(shù)與制造過程

要了解ENIG和ENEPIG的技術(shù)和制造工藝可能有些沉悶，但是它可以讓您確切地知道這兩種表面成型會發(fā)生什么。

1）ENIG的技術(shù)與制造工藝

ENIG中涉及三層金屬結(jié)構(gòu)，包括銅，鎳和金。該過程主要包括：銅活化，ENP（化學(xué)鍍鎳）和浸金。

?銅活化

銅活化是在ENP中進行選擇性沉積的特權(quán)。需要置換反應(yīng)，以便可以在充當(dāng)催化表面的銅層上生成鈀的薄層。在PCB制造過程中，PdSO4和PdCl2通常用作具有以下反應(yīng)式的活化劑：

Cu+Pd2+→Cu2++Pd

?ENP

在ENIG技術(shù)中，鎳層具有兩個功能。作為阻擋層，它可以阻止銅和金的相互擴散。另一方面，它會與錫反應(yīng)，生成優(yōu)異的IMC（金屬間化合物）Ni3Sn4，從而可以確保良好的組裝可焊性。在催化表面的作用下，ENP通過與NaH2PO2作為還原劑的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致鎳層的沉積。一旦鎳層完全被鈀催化表面覆蓋，單質(zhì)鎳就使鎳沉積繼續(xù)作為ENP的催化劑。

重要的是要指出的是，通過還原劑的水解所發(fā)射的原子狀態(tài)的活性氫的NaH很重要2PO2，使鎳2+還原成鎳的單質(zhì)情況H2PO2-磷的單質(zhì)。因此，ENIG技術(shù)中的ENP層實際上是鎳-磷合金層。該步驟的反應(yīng)公式如下：

?2PO2-+ H2O→H ^++ HPO32-+ 2H

Ni2++ 2H→Ni↓+ 2H+

?2PO2-+ H→P↓+ OH-+ H2?

?2PO2-+ H2O→H ^2↑+ H++ HPO32-

?沉金

在ENIG技術(shù)中，金層的優(yōu)點是接觸電阻低，氧化機會少，強度高和抗磨擦，能夠滿足電路導(dǎo)電性要求并保護銅層和鎳層不被氧化，從而可以保證鎳層的可焊性。浸金是指通過置換反應(yīng)在鎳層表面上生成金層，直到生成的金層完全被鎳層覆蓋后，置換反應(yīng)才會停止。這就是為什么金層相對較薄。指示該步驟的反應(yīng)公式如下：

2AU（CN）2+Ni→2AU +Ni2++ 4CN-

2）ENEPIG技術(shù)與制造流程

與ENIG不同，ENEPIG采用四層金屬結(jié)構(gòu)，包括銅，鎳，鈀和金。ENEPIG的工藝與ENIG的工藝相同，只是在ENP和浸金之間添加了化學(xué)鍍鈀。

鈀層作為阻擋層添加到ENEPIG技術(shù)中，阻止了在金沉積和從鎳層向金層擴散的過程中溶液引起的鎳層腐蝕。同時，由于鈀層的致密性以增加可焊性，因此可以將其用作抗氧化層和抗腐蝕層。類似于化學(xué)鍍鎳，化學(xué)鍍鈀通過與作為還原劑的NaH2PO2的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致鈀層的沉積。指示該步驟的反應(yīng)公式如下：

?2PO2-+ H2O→H ^++ HPO32-+ 2H

鈀2++ 2H→鈀↓+ 2H+

?2PO2-+ H→第↓+ OH-+ H2?

?2PO2-+ H2O→H ^2↑+ H++ HPO32-

原文標題：PCB表面成型的介紹和比較

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審核編輯：湯梓紅