PCB制造行业的黑话(二)- 几种常用的PCB表面处理工艺及其优缺点和适用场景

我们在画好PCB后,将其发送给PCB板厂打样或者是批量生产,我们在给板厂下单时,会附上一份PCB加工工艺说明文档,其中有一项就是要注明选用哪种PCB表面处理工艺,而且不同的PCB表面处理工艺,其会对最终的PCB加工报价产生比较大的影响,不同的PCB表面处理工艺会有不同的收费,下边咱们科普一些关于PCB表面处理工艺的术语。

首先说下为什么要对PCB表面进行特殊的处理

因为铜在空气中很容易氧化,铜的氧化层对焊接有很大的影响,很容易形成假焊、虚焊,严重时会造成焊盘与元器件无法焊接,正因如此,PCB在生产制造时,会有一道工序,在焊盘表面涂(镀)覆上一层物质,保护焊盘不被氧化。

目前国内板厂的PCB便面处理工艺有:喷锡(HASL,hot air solder leveling 热风整平)、沉锡、沉银、OSP(防氧化)、化学沉金(ENIG)、电镀金等等,当然,特殊应用场合还会有一些特殊的PCB表面处理工艺。

对比不同的PCB表面处理工艺,他们的成本不同,当然所用的场合也不同,只选对的不选贵的,目前还没有最完美的PCB表面处理工艺能够适合所有应用场景(这里讲的是性价比,即以最低的价格就能满足所有的PCB应用场景),所以才会有这么多的工艺来让我们选择,当然每一种工艺都各有千秋,存在的既是合理的,关键是我们要认识他们用好他们。


PCB-表面处理工艺的种类

 

下边来对比一下不同的PCB表面处理工艺的优缺点和适用场景。

裸铜板
裸铜板

  • 优点:成本低、表面平整,焊接性良好(在没有被氧化的情況下)。
  • 缺点:容易受到酸及湿度影响,不能久放,拆封后需在2小时内用完,因为铜暴露在空气中容易氧化;无法使用于双面板,因为经过第一次回流焊后第二面就已经氧化了。如果有测试点,必须加印锡膏以防止氧化,否则后续将无法与探针接触良好。

喷锡板(HASL,Hot Air Solder Levelling,热风整平)
喷锡板

  • 优点:价格较低,焊接性能佳。
  • 缺点:不适合用来焊接细间隙的引脚以及过小的元器件,因为喷锡板的表面平整度较差。在PCB加工中容易产生锡珠(solder bead),对细间隙引脚(fine pitch)元器件较易造成短路。使用于双面SMT工艺时,因为第二面已经过了一次高温回流焊,极容易发生喷锡重新熔融而产生锡珠或类似水珠受重力影响成滴落的球状锡点,造成表面更不平整进而影响焊接问题。

喷锡工艺曾经在PCB表面处理工艺中处于主导地位。二十世纪八十年代,超过四分之三的PCB使用喷锡工艺,但过去十年以来业界一直都在减少喷锡工艺的使用。喷锡工艺制程比较脏、难闻、危险,因而从未是令人喜爱的工艺,但喷锡工艺对于尺寸较大的元件和间距较大的导线而言,却是极好的工艺。在密度较高的PCB中,喷锡工艺的平坦性将影响后续的组装;故HDI板一般不采用喷锡工艺。随着技术的进步,业界现在已经出现了适于组装间距更小的QFP和BGA的喷锡工艺,但实际应用较少。目前一些工厂采用OSP工艺和浸金工艺来代替喷锡工艺;技术上的发展也使得一些工厂采用沉锡、沉银工艺。加上近年来无铅化的趋势,喷锡工艺使用受到进一步的限制。虽然目前已经出现所谓的无铅喷锡,但这可将涉及到设备的兼容性问题。

OSP(Organic Soldering Preservative,防氧化)
双面OSP板

  • 优点:具有裸铜板焊接的所有优点,过期(三个月)的板子也可以重新做表面处理,但通常以一次为限。
  • 缺点:容易受到酸及湿度影响。使用于二次回流焊时,需在一定时间内完成,通常第二次回流焊的效果会比较差。存放时间如果超过三个月就必须重新表面处理。打开包装后需在24小时内用完。 OSP为绝缘层,所以测试点必须加印锡膏以去除原来的OSP层才能接触针点作电性测试。

OSP工艺可以用在低技术含量的PCB,也可以用在高技术含量的PCB上,如单面电视机用PCB、高密度芯片封装用板。对于BGA方面,OSP应用也较多。PCB如果没有表面连接功能性要求或者储存期的限定,OSP工艺将是最理想的表面处理工艺。但OSP不适合用在少量多样的产品上面,也不适合用在需求预估不准的产品上,如果公司内电路板的库存经常超过六个月,真的不建议使用OSP表面处理的板子。

沉金(ENIG,Electroless Nickel Immersion Gold)
PCB沉金板

  • 优点:不易氧化,可长时间存放,表面平整,适合用于焊接细间隙引脚以及焊点较小的元器件。有按键PCB板的首选。可以重复多次过回流焊也不太会降低其可焊性。可以用来作为COB(Chip On Board)打线的基材。
  • 缺点:成本较高,焊接强度较差,因为使用无电镀镍制程,容易有黑盘的问题产生。镍层会随着时间氧化,长期的可靠性是个问题。

沉金工艺与OSP工艺不同,它主要用在表面有连接功能性要求和较长的储存期的板子上,如按键触点区、路由器壳体的边缘连接区和芯片处理器弹性连接的电性接触区。由于喷锡工艺的平坦性问题和OSP工艺助焊剂的清除问题,二十世纪九十年代沉金使用很广;后来由于黑盘、脆的镍磷合金的出现,沉金工艺的应用有所减少,不过目前几乎每个高技术的PCB厂都有沉金线。考虑到除去铜锡金属间化合物时焊点会变脆,相对脆的镍锡金属间化合物处将出现很多的问题。因此,便携式电子产品(如手机)几乎都采用OSP、沉银或沉锡形成的铜锡金属间化合物焊点,而采用沉金形成按键区、接触区和EMI的屏蔽区,即所谓的选择性沉金工艺。

沉银(ENIG,Electroless Nickel Immersion Gold)
沉银电路板
沉银比沉金便宜,如果PCB有连接功能性要求和需要降低成本,沉银是一个好的选择;加上沉银良好的平坦度和接触性,那就更应该选择沉银工艺。在通信产品、汽车、电脑外设方面沉银应用得很多,在高速信号设计方面沉银也有所应用。由于沉银具有其它表面处理所无法匹敌的良好电性能,它也可用在高频信号中。EMS推荐使用沉银工艺是因为它易于组装和具有较好的可检查性。但是由于沉银存在诸如失去光泽、焊点空洞等缺陷使得其增长缓慢(但没有下降)。

沉锡(ENIG,Electroless Nickel Immersion Gold)
沉锡PCB
沉锡被引入表面处理工艺是近十年的事情,该工艺的出现是生产自动化的要求的结果。沉锡在焊接处没有带入任何新元素,特别适用于通信用背板。在板子的储存期之外锡将失去可焊性,因而沉锡需要较好的储存条件。另外沉锡工艺中由于含有致癌物质而被限制使用。

老wu经常发现小伙伴们会对沉金和镀金工艺傻傻搞不清楚,下边来对比下沉金工艺和镀金工艺的区别和适用场景

沉金工艺与镀金工艺的优劣性

  • 沉金与镀金形成的晶体结构不一样,沉金板较镀金板更容易焊接,不会造成焊接不良;
  • 沉金板只有焊盘上有镍金,趋肤效应中信号的传输是在铜层不会对信号有影响;
  • 沉金较镀金晶体结构更致密,不易氧化;
  • 沉金板只有焊盘上有镍金,不会产生金丝造成微短;
  • 沉金板只有焊盘上有镍金,线路上阻焊与铜层结合更牢固;
  • 沉金显金黄色,较镀金更黄也更好看;
  • 沉金比镀金软,所以在耐磨性上不如镀金,对于金手指板则镀金效果会更好。

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