7种PCB表面处理工艺

完成PCB设计后,将其发送至PCB工厂进行PCB样机制作或批量生产,随附一份PCB工艺文档,其中将说明PCB表面处理方式;不同的PCB表面处理方式,其成本及适用情况各不相同。

首先,为什么需要对PCB表面进行特殊处理?

铜在空气中容易氧化,而氧化铜层对PCB焊接有很大影响。因此,容易形成假焊和不良焊点,导致元器件无法焊接牢固。为此,我们在PCB生产过程中会采用一种工艺(PCB表面处理),以精准应对这些潜在问题。 通过在焊盘上涂覆(电镀)一种特殊材料,可以保护焊盘免受氧化。

PCB表面处理工艺包括含铅/无铅HASL、OSP、浸金(ENIG)、浸锡、浸银、无电镀镍-无电镀钯-浸金(ENEPIG)、硬金等。 当然,针对特殊应用场合,还会有一些特殊的PCB表面处理工艺。

不同PCB表面处理工艺的优缺点

1. 裸铜PCB

裸铜PCB

铜表面处理的优势:

  1. 成本更低
  2. 平整表面
  3. 优异的可焊性(在无氧化情况下)。

铜表面处理的缺点:

  1. 敏感,易受酸和湿度的影响
  2. 保质期短,拆封后需在2小时内进行焊接,因为铜暴露在空气中容易氧化。
  3. 不能用于双面PCB,因为第一面回流焊接后,第二面会发生氧化。
  4. 如果存在测试点,必须在测试垫上涂覆焊膏以防止氧化,否则后续与探针的接触效果将不佳。

2. HASL / 无铅 HASL(热风整平)

HASL / 无铅HASL(热风整平)

HASL PCB表面处理的优势:

  1. 更低的价格
  2. 良好的焊接性能
  3. 可以修理
  4. 保质期长。

HASL PCB表面处理的缺点:

  1. 不适用于细间距元器件和小型元器件
  2. 不平整的表面,
  3. 热冲击
  4. 不适用于HDI PCB。

在PCB组装过程中,很容易产生焊珠,这容易导致细间距元器件短路。 在双面PCB表面贴装工艺中,由于另一面已经过高温回流焊接,焊料极易重新熔化,并在重力作用下形成焊珠或类似水珠的球状焊料,导致表面不平整,从而影响焊接质量。

HASL PCB表面处理技术曾一度在PCB表面处理技术领域占据主导地位。在过去的几年里,超过四分之三的PCB都采用了HASL工艺,但过去十年间,该行业对HASL的使用量一直在减少。 HASL PCB表面处理工艺不仅污染环境、气味刺鼻,而且存在安全隐患,因此从未受到青睐,但对于较大尺寸的元器件和间距较宽的线路而言,该工艺表现尤为出色。

在高密度PCB中,HASL工艺的平整度会影响后续的组装;因此,HDI板通常不采用HASL作为表面处理工艺。 随着技术的进步,业界现已出现适用于QFP和BGA等更小组装间距的HASL工艺,但实际应用较少。目前,部分工厂采用OSP工艺和ENIG工艺来替代HASL工艺。

随着技术的进步,一些工厂也开始采用浸锡和浸银工艺。加之近年来无铅化的趋势,HASL PCB表面处理技术的使用范围进一步受到限制。尽管已经出现了无铅HASL表面处理技术,但这会涉及设备兼容性问题。

3. OSP(有机可焊性保护剂)

OSP(有机可焊性保护剂)

OSP PCB表面处理的优势:

  1. 平坦表面
  2. 无铅
  3. 简单的流程
  4. 性价比高
  5. 可以修复已过期(三个月)的电路板,但通常只能修复一次。

OSP PCB表面处理的缺点:

  1. 保质期短,
  2. 无法测量厚度
  3. 不适用于PTH(通孔电镀)
  4. 性质敏感,易受酸和湿气的影响。

用于第二次回流焊接,需在规定时间内完成。通常,第二次回流焊接的效果较差。OSP 是一种绝缘层,因此在探针接触进行电气测试之前,必须用焊膏覆盖测试垫,以去除原有的 OSP。

对于低技术含量的PCB,我们可以采用OSP表面处理工艺。该工艺也可用于高科技PCB,例如单面电视PCB和高密度芯片封装PCB。 对于BGA,OSP应用广泛。如果PCB没有表面连接功能要求或保质期限制,OSP工艺将是理想的表面处理方式。 然而,OSP不适用于少量多样的产品,也不适用于需求预测不确定的产品。如果公司的印刷电路板库存经常超过六个月,则不建议使用OSP表面处理的PCB板。

4. ENIG(无电镀镍浸金)

ENIG(无电镀镍浸金)

Enig PCB表面处理的优势:

  1. 不易氧化
  2. 保质期长
  3. 平整表面
  4. 无铅
  5. 可以修理
  6. PTH(通孔)的良好导电性
  7. 适用于细间距元器件、小型元器件以及焊盘较小的元器件
  8. 建议搭配键盘PCB板使用
  9. 多次重复回流焊接并不一定会降低其可焊性。Enig PCB表面处理可作为COB(芯片贴装)的基材。

Enig PCB表面处理的缺点

  1. 更贵
  2. 焊接强度不足
  3. 由于采用了镍电镀工艺,因此很容易出现“黑垫片”或“黑镍”的问题。

与OSP表面处理不同,ENIG PCB表面处理主要应用于具有功能性表面连接要求且需长期保存的PCB板。由于HASL工艺的平整度以及OSP工艺中助焊剂的去除,ENIG曾被广泛采用。 但由于ENIG PCB表面处理中出现了“黑焊盘”现象,ENIG技术的应用范围已有所缩减。 通常,便携式电子产品(如手机)几乎都采用 OSP、浸锡和浸银工艺。而在按键区域、接触区域和 EMI 屏蔽区域采用 ENIG 工艺,这被称为选择性 ENIG PCB 表面处理技术。

5. 浸镀银(IAg)

浸银(IAg)

银浸镀PCB的优势:

  1. 比ENIGFlat表面更便宜
  2. 适用于细间距元器件、小型元器件和BGA元器件
  3. 良好的可焊性
  4. 无铅,可修复

银浸镀PCB的缺点:

  1. 对操作非常敏感
  2. 需要高存储条件
  3. 它很容易受到污染、氧化

浸银工艺介于ENIG和无电镀镍之间,操作简单且速度快。即使在高温高湿环境下,银层仍能保持良好的可焊性,但会失去光泽。如果PCB有连接功能要求且需要降低成本,浸银工艺是一个不错的选择。

浸银PCB具有良好的平整度和接触性,广泛应用于通信、汽车、计算机产品以及高速信号设计领域。由于其优良的电学性能,浸银工艺也可用于高频信号。EMS推荐采用浸银工艺,因为该工艺易于组装且具有良好的检测性能。

6. 浸锡(ISn)

浸锡(ISn)

浸锡PCB表面处理的优势:

  1. 平整表面 无PCB 可修复
  2. 良好的可焊性
  3. 适用于细间距元器件、小型元器件和BGA元器件

浸锡PCB表面处理的缺点:

  1. 组装过程完成后,很容易露出锡层
  2. 不适合多次回流焊接
  3. 需谨慎处理 含有致癌物质
  4. 它会腐蚀阻焊层

浸锡工艺不会在焊接过程中引入任何新元素,因此特别适用于通信PCB板。一旦超过PCB板的保质期,锡层将失去可焊性,因此浸锡工艺需要更好的储存条件。此外,由于含有致癌物质,浸锡表面处理的应用范围受到限制。

7. 无电镀镍-无电镀钯-浸镀金(ENEPIG)

无电镀镍、无电镀钯、浸镀金(ENEPIG)

优点:

它可广泛应用于各种场合。同时,ENEPIG表面处理能有效防止因黑色焊盘缺陷导致的连接可靠性问题,并可替代ENIG表面处理。

缺点:

尽管ENEPIG具有许多优点,但钯(Pd)价格昂贵且资源稀缺。与此同时,其制造工艺的控制要求既严格又复杂。

与ENIG相比,ENEPIG在镍层与金层之间额外增加了一层钯(Pd)。在置换金沉积反应中,无电解钯镀层可保护镍层免受置换金过度腐蚀。钯层既能充分应对金的浸出,又能防止置换反应引起的腐蚀。 镍层的厚度通常为120~240μin(约3~6μm),钯层为4~20μin(约0.1~0.5μm), 金(Au)的沉积厚度通常为1~4μin(0.02~0.1μm)。