Les circuits imprimés sont utilisés dans une large gamme d'appareils électroniques, notamment les ordinateurs, les smartphones et d'autres équipements numériques. Ils sont devenus omniprésents parce qu'ils offrent une grande fiabilité à un faible coût. Cependant, il existe de nombreuses façons de traiter la surface d'un circuit imprimé avant qu'il ne soit assemblé à d'autres composants pour former un appareil électronique. Laquelle choisir ? Ce guide fournit des informations sur trois finitions de surface courantes pour les circuits imprimés : OSP (organic solderability preservative), HASL (hot air solder leveling) et ENIG (electroless nickel immersion gold).
Pourquoi l'état de surface des circuits imprimés est-il important ?
Les finitions de surface des circuits imprimés constituent une interface importante entre le composant et le circuit imprimé. Les deux fonctions principales de la finition sont de protéger le câblage en cuivre exposé et d'offrir une surface soudable pour assembler (souder) les composants au circuit imprimé.
Qu'est-ce que la finition de surface des circuits imprimés ?
Le processus d'application d'une couche de surface sur le circuit imprimé est connu sous le nom de finition de surface du circuit imprimé. L'objectif des traitements de surface des circuits imprimés est de garantir que le circuit imprimé présente une bonne soudabilité et de bonnes propriétés électriques. Il existe de nombreuses variétés de traitements de surface des circuits imprimés. Le traitement de surface des circuits imprimés est un processus en plusieurs étapes qui comprend les étapes suivantes :
- Traitement chimique de la gravure chimique ou de l'électropolissage
- Revêtement organique suivi d'une cuisson à haute température
- Nickelage chimique cationique et conversion chimique en alliage de surface Ni/Sn
- Revêtement anodique d'oxyde d'aluminium (Al-oxide)
- Enrobage organique suivi d'une cuisson à haute température comme dans l'étape C.
Qu'est-ce que l'OSP ?
Le cuivre est continuellement oxydé par l'air, ce qui le décolore et le rend cassant. L'anti-oxydation préserve les finitions de surface des circuits imprimés de la corrosion en formant une très fine couche de protection sur le cuivre exposé, généralement sur un système de convoyage.
Il est constitué d'un composé organique à base d'eau qui se lie au cuivre et crée une couche organométallique qui protège le cuivre avant la soudure. Il est également beaucoup plus respectueux de l'environnement que les finitions sans plomb standard, qui sont soit plus dangereuses, soit beaucoup plus gourmandes en énergie.
Avantages et inconvénients de l'OSP
Avantages
Sans plomb
L'OCB est un procédé sans plomb qui est donc plus respectueux de l'environnement que le procédé HASL traditionnel.
Coût
L'OSP permet de traiter les finitions de surface des circuits imprimés à un coût nettement inférieur. En effet, il faut moins de matériel pour tremper et rincer les finitions de surface des circuits imprimés. Cela permet également de réduire les coûts d'élimination des déchets. Si vous utilisez déjà une pâte à braser sans plomb (dont le volume est inférieur à celui des pâtes à braser standard)
Finitions de la surface des circuits imprimés plats
L'OSP présente une surface de circuit imprimé très plate, ce qui peut s'avérer utile lorsque l'on travaille avec des composants présentant des tolérances serrées. La douceur de la finition HASL peut poser des problèmes dans ce cas, car elle est plus susceptible d'absorber les débris de l'air et de piéger la pâte à braser.
Processus simple
OSP propose un processus simple de finition de surface des circuits imprimés, ce qui facilite grandement le maintien et le contrôle de la qualité de chaque carte. C'est un avantage si vous avez besoin de grandes quantités ou si vous avez des tolérances très serrées. OSP s'occupe des finitions de surface des circuits imprimés, car de petites incohérences dans les masques de soudure peuvent causer des problèmes.
Réparable
Le processus OSP est réparable, ce qui signifie que si vous endommagez la finition de la carte. Ou si vous devez l'enlever pour résoudre un problème de soudure, il existe un moyen de l'enlever et de la remplacer sans avoir à jeter tout le circuit imprimé. Il existe un moyen de le retirer et de le remplacer sans avoir à jeter tout le circuit imprimé.
Inconvénients
Limité à la conformité RoHS
OSP n'est conforme que pour les matériaux exempts de plomb, de cadmium et de mercure. Cela signifie qu'il ne peut pas être utilisé avec des composants ou des cartes non conformes à la directive sur la santé et la sécurité au travail et constitués d'autres types de métaux. Pour cette raison, OSP ne peut pas remplacer HASL et ENIG dans toutes les situations.
Impact sur l'environnement
Bien que l'OSP soit un procédé sans plomb, il nécessite l'utilisation de solvants qui ont leur propre impact sur l'environnement et qu'il convient de prendre en considération. Les étapes de nettoyage produisent également des eaux usées. L'effet de ce procédé sur l'environnement peut donc encore susciter des inquiétudes si des volumes importants sont nécessaires.
Sensible
L'OSP est sensible aux effets de la chaleur au fil du temps, ce qui signifie qu'il peut nécessiter un processus de retouche si les cartes sont situées dans des zones où les températures sont plus élevées. Cela peut entraîner des coûts et des ressources supplémentaires pour votre entreprise.
Durée de conservation courte
L'OSP est une finition à base d'eau, ce qui signifie que sa durée de conservation est limitée. Elle ne dure généralement que deux mois si elle est laissée dans un récipient ouvert et peut s'abîmer au fil du temps si elle est exposée à l'humidité ou à la moisissure.
Qu'est-ce que l'HASL ?
La majorité des finitions de surface des circuits imprimés sont réalisées par HASL, ce qui signifie hot acid pickle wash (lavage acide à chaud). Cette méthode consiste à immerger les circuits imprimés dans un alliage d'étain et de plomb en fusion, puis à retirer le surplus de soudure à l'aide de "couteaux à air", qui projettent de l'air chaud sur les finitions de surface des circuits imprimés. L'HASL est souvent disponible sans plomb, ce qui constitue un avantage en soi.
La méthode HASL, en vertu de son traitement thermique extrême, expose le circuit imprimé à des températures supérieures à celles des autres finitions, elle a une température de 265°C, ce qui permet de détecter tout problème de délamination avant l'utilisation de composants coûteux.
Avantages et inconvénients de l'HASL
Avantages
Faible coût
L'HASL est un procédé peu coûteux qui peut être réalisé rapidement et facilement. Cette méthode nécessite moins d'étapes que d'autres finitions de surface de circuits imprimés, ce qui la rend idéale pour les applications à faible volume requises par de nombreux fabricants de composants, en particulier pour les petites séries. Le procédé HASL est souvent disponible sans plomb, ce qui constitue un avantage en soi.
Réparable
Le procédé HASL n'offre qu'une protection minimale à la base en cuivre de votre circuit imprimé. Toutefois, si un dommage survient après le processus HASL, il peut être réparé rapidement et facilement.
Sans plomb
HASL est disponible dans des versions sans plomb, qui sont conformes à la directive RoHS. Cela signifie qu'elle peut être utilisée pour tous les types de composants, y compris ceux fabriqués à partir de matériaux ou de métaux non conformes à la directive RoHS, contrairement aux options OSP. La HASL sans plomb est exempte de plomb, de cadmium et de mercure.
Processus simple
La technologie HASL offre une méthode de production simple, idéale pour les petits volumes ou lorsque des tolérances serrées sont requises. La simplicité de la méthode facilite le contrôle des niveaux de qualité, ce qui signifie que vous n'avez pas à vous soucier des variations d'épaisseur de la soudure sur différentes cartes.
Disponible en plusieurs finitions
L'HASL est disponible en plusieurs qualités différentes, chacune ayant ses propres avantages. L'étain/plomb pur a le point de fusion le plus bas (269°C), mais il nécessite davantage d'étapes de nettoyage pour éliminer l'excès de matériau après la soudure. HASL Sn-Cu offre un point de fusion plus élevé de 227°C. Cela signifie qu'il y a moins de risques de délamination. HASL avec ENIG offre les températures de soudure les plus élevées, ce qui le rend idéal pour les applications à haute fiabilité.
Inconvénients
Durée de conservation courte
L'HASL a une courte durée de conservation d'environ six mois dans un conteneur ouvert en raison de son exposition à l'humidité au fil du temps. Elle y est particulièrement sensible après chaque étape du processus de soudure.
Impact sur l'environnement
L'HASL est une finition à base de plomb, ce qui signifie qu'elle n'est pas conforme à toutes les normes environnementales, en particulier celles qui sont basées sur la conformité RoHS, car l'HASL ne répond pas à ces exigences sans processus de placage supplémentaires. Les clients peuvent donc refuser de vous acheter des produits s'ils ne veulent pas prendre le risque d'éventuels problèmes de non-conformité.
Exposition au plomb
L'HASL est une finition à base de plomb, ce qui signifie qu'elle n'est pas conforme à toutes les normes environnementales, en particulier celles qui sont basées sur la conformité RoHS, car l'HASL ne répond pas à ces exigences sans processus de placage supplémentaires. Les clients peuvent donc refuser de vous acheter des produits s'ils ne veulent pas prendre le risque d'éventuels problèmes de non-conformité.
Choc thermique
De toutes les finitions de surface, c'est l'HASL qui produit le plus de chocs thermiques, ce qui signifie qu'elle est plus sensible à la délamination. La combinaison des produits chimiques utilisés dans le processus exige des températures élevées pendant la soudure et donne une carte chaude qui peut être refroidie rapidement avec de l'eau ou de l'air.
Mauvais mouillage
L'HASL a de mauvaises propriétés de mouillage, ce qui signifie qu'il ne convient pas à l'utilisation avec l'aluminium ou d'autres métaux non ferreux. Cela peut augmenter le coût et la complexité de vos conceptions, car vous devrez tenir compte de l'interaction des différents matériaux au cours des opérations de soudage.
Qu'est-ce que l'ENIG ?
GOLF METAL est une finition de surface pour circuit imprimé qui combine la résistance à la corrosion de l'aluminium anodisé avec le poli et la brillance du métal naturel. Il se compose d'une coque de nickel sur une sous-couche de cuivre, qui agit à la fois comme une barrière de protection contre l'oxydation et comme une cible de soudure pour les composants. Pendant le stockage, une couche d'or est appliquée sur le nickel. ENIG est une solution aux grandes tendances de l'industrie telles que les réglementations sur l'absence de plomb. L'augmentation du nombre de composants à surface complexe (en particulier les BGA et les flip chips), qui nécessite des surfaces planes.
Il convient de noter que le ZENIG ne protège pas contre la corrosion due aux attaques ioniques. Dans la plupart des cas, ce type d'alliage nécessitera un nettoyage et un entretien plus fréquents que d'autres métaux en raison de la difficulté à maintenir une barrière contre l'humidité entre les couches d'or et de nickel.
Avantages et inconvénients de l'ENIG
Avantages
Surfaces planes
ENIG offre un niveau de planéité qui peut être bénéfique pour les composants présentant des tolérances serrées. Les finitions lisses de la surface des circuits imprimés peuvent également contribuer à éviter des problèmes dans ce cas, en raison du risque élevé de piéger la pâte à braser sur les circuits HASL, ce qui a été prouvé par des expériences menées à l'université de Stanford et au MIT.
Longue durée
Lorsqu'il s'agit de protéger les circuits imprimés de la corrosion, ENIG offre un avantage significatif par rapport à d'autres traitements de surface, car la couche d'or est extrêmement fine et ne nécessitera pas de reprise ou de remplacement, contrairement aux techniques d'anodisation traditionnelles qui peuvent s'user après un usage intensif. Les performances de l'ENIG augmentent également avec le temps, à mesure que l'adhérence se développe entre les couches de nickel et d'or.
La couche d'or de l'ENIG augmente l'adhérence des composants, ce qui en fait la solution idéale si vous utilisez des pièces sensibles à la chaleur ou dont le point de fusion est bas. La soudure supplémentaire peut également aider à résoudre les problèmes de gestion thermique lors des processus de soudure par refusion, car l'utilisation d'ENIG réduit le gauchissement causé par un temps de chauffe excessif par rapport à HASL.
Sans plomb
ENIG est compatible avec le sans plomb, ce qui signifie qu'il peut être utilisé pour des projets soumis à la conformité RoHS. Cela peut vous aider à éviter des coûts supplémentaires. Surtout si vos composants ou cartes de circuits imprimés nécessitent des retouches coûteuses pour respecter les lois environnementales.
Bon pour la PTH
Comme l'ENIG est un matériau épais et plat qui peut être utilisé en masse pour une carte entière, il rend le processus de métallisation des trous traversants plus rentable.
Maintien de la soudabilité pendant le stockage
La résistance de l'ENIG à l'humidité signifie que les composants sont moins susceptibles de se corroder ou de se délaminer lorsqu'ils sont stockés dans des conditions humides avant d'être utilisés. Cela permet d'améliorer la qualité et la cohérence de vos circuits imprimés de production. Cela signifie que vous avez plus de temps pour vous concentrer sur d'autres aspects du processus de conception. Sans avoir à vous soucier d'erreurs potentiellement coûteuses causées par des dégâts d'eau.
Inconvénients
Inflammable
Si un PCB n'est pas conçu correctement, ENIG peut exposer des couches inflammables ou libérer des fumées toxiques. C'est pourquoi il est important de faire inspecter vos PCB par un professionnel avant de les utiliser.
Lien plus faible pour les composants
La couche d'or d'ENIG peut être plus fine que d'autres finitions de surface de circuits imprimés. Cela signifie qu'une quantité moindre de soudure s'accumule autour des patins des composants. Cela réduit les problèmes de gestion thermique pendant les processus de soudure par refusion. Les composants sont plus susceptibles de tomber des cartes ou de se détacher après avoir été soudés.
Nécessite une installation professionnelle
ENIG est une finition de surface des circuits imprimés qui nécessite une formation et une expertise avancées pour être appliquée correctement. Cela signifie que vous ne pouvez pas installer ENIG vous-même. Cela peut entraîner des coûts supplémentaires si vos circuits imprimés doivent être retravaillés à cause de problèmes de qualité.
Nécessite des matériaux spéciaux
L'ENIG nécessite l'utilisation de nickel plaqué or et peut être coûteux à remplacer s'il s'use au fil du temps. Il faut également utiliser un nettoyant spécial pour que les cartes conservent leur résistance à la corrosion. Après avoir été soudées, les cartes peuvent entraîner des coûts supplémentaires dans votre processus de production.
Pourquoi avons-nous besoin de finitions de surface pour les circuits imprimés ?
Soudabilité
Capacité d'un métal ou d'un alliage à former une connexion solide avec de la soudure. Un joint soudé est formé en appliquant d'abord une fine couche de pâte liquide (flux) sur la zone où deux surfaces métalliques seront jointes. On place ensuite de très petits morceaux de soudure sur la pâte. Lorsqu'elle est chauffée, la pâte liquide fond et recouvre les surfaces à assembler d'une fine couche de soudure en fusion. Celle-ci peut s'écouler dans toutes les zones présentant des irrégularités sur l'une ou l'autre des surfaces ou entre deux surfaces.
Finition de la surface
Les caractéristiques physiques d'un matériau vont au-delà de sa composition chimique. Par exemple, la plupart des métaux sont associés à certaines couleurs, comme l'argent ou l'or. Par conséquent, la finition de la surface est un facteur important pour déterminer l'apparence d'un objet métallique.
Une grande fiabilité à moindre coût
Il s'agit d'un élément clé des finitions de surface des circuits imprimés, car il permet une meilleure connexion entre le composant et le circuit imprimé. C'est ce que vous souhaitez pour vos appareils électroniques. Ils dureront plus longtemps et seront plus efficaces qu'une carte non revêtue ou mal traitée.