1. Давайте сначала разберемся: что действительно решает обработка поверхности?
Голая медь окисляется с момента травления и образует оксидный слой в течение нескольких часов. Основная задача обработки поверхности состоит только из двух:
Защищать медную поверхность от окисления и вулканизации в процессе хранения и сварки;
Убедитесь, что припой надежно смачивает площадку припоя во время сварки.
Эти три технологических маршрута достигают одной и той же цели совершенно разными способами, что определяет их дифференциацию по плоскостности, термостойкости, сроку хранения и стоимости. Запомните это предложение: не существует лучшей обработки поверхности, есть только лучшее соответствие.
Размерное оловянное напыление HASL, иммерсионное золото ENIG OSP
Состав поверхности: сплав олова, серебра и меди (без свинца), слой никеля + слой золота, органическая защитная пленка.
Плохая плоскостность (с оловянными наплывами и менисками), чрезвычайно высокая (уровень ≈ 0,1 мкм), высшая
Срок хранения 3–12 месяцев 6–12 месяцев и более 3–6 месяцев
Хорошая устойчивость к рефлюксу (несколько раз), отличная (4–10 раз), плохая (1–2 раза).
2-3 самый низкий уровень оловянного напыления с наименьшей относительной стоимостью.
Плагины типового сценария, крупное расстояние, панель управления BGA/точное расстояние, высоконадежная одноходовая печь, плата потребительского дозирования
2, ENIG (Химическое никель-золото) — предпочтительна высокая надежность, но за это приходится платить.
Принцип процесса: химическое осаждение: сначала на голую медь наносят слой никеля толщиной 3–6 мкм в качестве слоя диффузионного барьера, а затем наносят очень тонкий слой золота (0,05–0,1 мкм) для предотвращения окисления никеля. Ниже 100 градусов на протяжении всего процесса, без термического удара. Сам слой золота в сварке не участвует, а при сварке образуются интерметаллиды Ni Sn.
Основные преимущества
Чрезвычайно высокая плоскостность: шероховатость можно контролировать на уровне 0,1 мкм, шарики припоя BGA с расстоянием между ними 0,3 мм могут быть равномерно приклеены, а мелкие компоненты выводов не перемыкаются;
Длительный срок хранения: свариваемость остается практически неизменной в течение более 12 месяцев под вакуумной упаковкой;
Устойчивость к многократному оплавлению: выдерживает 4-10 циклов пайки оплавлением, подходит для многократной сборки или ремонта, с широким технологическим окном;
Сильная коррозионная стойкость: золото химически инертно и лучше работает в условиях высокой влажности и соленых туманов, чем напыление оловом, что делает его обязательным для автомобильной электроники, промышленного контроля, хранения энергии и других сценариев.
Риски и недостатки
Черная подушка: во время погружения в золото раствор чрезмерно воздействует на слой никеля, вызывая окисление и коррозию слоя никеля с образованием хрупкого черного слоя. Внешний вид еще может быть блестящим, но прочность паяных соединений крайне низкая. Скрытые паяные соединения, такие как BGA/QFN, особенно опасны, и для выявления проблем часто требуются месяцы или даже годы. Основные контрольные точки: значение pH иммерсионного раствора (должно поддерживаться на уровне 5,0-5,5), содержание фосфора в слое никеля (7-10%) и толщина слоя золота;
Чем толще слой золота, тем лучше: слишком толстое золото растворится в припое и образует хрупкий AuSn₄, что фактически снизит прочность паяного соединения. IPC-4552B указывает, что слой никеля должен иметь толщину 3,0–6,0 мкм, а слой золота – 0,05–0,10 мкм, что является оптимальным диапазоном после тщательной проверки;
Тонкий слой золота, не износостойкий: стандартные золотые пальцы должны быть покрыты твердым золотом, а утонувшее золото используется для подключения и отключения интерфейсов, обычно обнажая медь в течение 50 раз;
Не подходит для соединения золотой проволокой: никель будет мигрировать и окисляться по направлению к слою золота, поэтому вместо него необходимо использовать никель-палладий-золото (ENEPIG);
Высокая стоимость: при использовании драгоценного металла, золота и сложных химических процессов стоимость примерно в 2-3 раза превышает стоимость напыления олова.
3, HASL (выравнивание горячим воздухом) – король экономичности, но с четкими границами
Принцип процесса: Физический термический процесс: печатная плата погружается в расплавленный оловянный сплав при температуре около 260 градусов, а после удаления излишки припоя сдуваются ножом горячего воздуха под высоким давлением, оставляя покрытие из оловянного сплава, сопровождающееся сильным тепловым ударом. Существуют свинцовые (63Sn/37Pb, постепенно выводятся из эксплуатации) и бессвинцовые (SAC305, температура плавления около 217 градусов).
Незаменимые места
Высокая механическая прочность паяных соединений: слой олова толстый (1-40 мкм), который непосредственно сплавляется с припоем во время сварки, образуя прочное паяное соединение;
Самая низкая стоимость: оборудование и материалы более доступны, процессы отлажены, ремонт прост;
Платы со сквозными компонентами в качестве основного компонента, идеально адаптированные к процессам пайки волной и вставным соединениям, по-прежнему остаются наиболее подходящим сценарием.
Фатальная слабость
Плохая плоскостность: этому процессу свойственны изогнутые поверхности в форме полумесяца и оловянные наплывы, а BGA/QFN с расстоянием менее 0,5 мм напрямую исключаются. Малый зазор склонен к образованию перемычек и виртуальной пайки;
Сильный термический удар: мгновенная высокая температура в 260 градусов создает риск деформации и расслоения тонких пластин (менее или равных 0,8 мм) и многослойных пластин;
Короткий срок хранения: слой олова значительно окисляется после 3-6 месяцев воздействия воздуха, и для экспортной отправки или долгосрочного хранения требуются многочисленные меры защиты, такие как вакуумная упаковка.
4, OSP (органическая паяльная маска) – низкая стоимость и высокая плоскостность, но узкое окно.
Принцип процесса: на чистую медную поверхность наносят слой пленки органического соединения (обычно бензимидазола) толщиной 0,2-0,5 мкм и сваривают при высокой температуре для разложения слоя пленки, обнажая свежую медную поверхность и склеивая ее припоем. Без металлического покрытия.
Самая большая точка продажи
Чрезвычайно низкая стоимость (близкая к нулю), самая гладкая поверхность и идеальная совместимость со сверхмалыми устройствами 0201 и плотными контактами BGA;
Не влияя на сопротивление сигнала, это один из основных процессов для плат высокой плотности HDI, экологически чистый и не содержащий свинца.
Очевидные ограничения
Кратчайший срок хранения: до 6 месяцев в закрытых условиях, чувствителен к влажности, должен быть использован как можно скорее после открытия. Пот рук и отпечатки пальцев могут повредить защитную пленку;
Ограниченная резистентность к рефлюксу: обычно всего 2-3 раза, после чего состояние ухудшается;
Не подходит для пайки волной и сквозных отверстий;
Невозможно установить контакты, вставные конструкции или оборудование, подвергающееся длительному воздействию.
5. Выбор по сценарию: четыре вопроса для определения решения
Путь принятия решения о выборе (спросите себя по порядку)
Есть ли какие-либо компоненты или BGA с расстоянием менее 0,5 мм? Исключить оловянное напыление;
Как долго следует хранить доску? Превышение 6 месяцев → исключение OSP;
Есть ли какие-либо требования к индикаторам ВЧ/РЧ? Приоритет должен быть отдан тонущему серебру или золоту;
Это экономичная потребительская пакетная доска? Да → OSP или напыление олова.
Типичное сравнение сценариев
BGA/мелкий интервал, прецизионная плата высокой плотности → напыление золота, наиболее безопасное;
Автомобильная электроника, медицинское оборудование, серверы, прецизионное оборудование для долговременной инвентаризации → Напыление золота (рекомендуемый слой никеля 4-5 мкм и слой золота 0,05-0,1 мкм согласно автомобильным нормам);
Высокая частота/радиочастота (антенна 5G, микроволновый модуль, радар) → серебряная иммерсия (минимальные потери на высоких частотах) или золотая иммерсия;
Ориентация на вилку, крупное расстояние, экономичность → оловянное напыление (силовая плата, мелкая бытовая техника, обычная промышленная плата управления);
Однопроходной, кратковременный оборот потребительского пакетного картона → ОСП;
Мелкое расстояние для экономии средств → Напыление оловом (альтернативный вариант плоского напыления, экономичный средний вариант);
Золотые пальцы, разъемы, контакты кнопок → гальваническое твердое золото (износостойкое), которое невозможно заменить обычным иммерсионным золотом.
Три распространенных заблуждения
Чем толще золото, используемое для погружения, тем лучше»: Чрезмерная толщина фактически увеличивает хрупкость. Слоя сварочного золота в 1-3 мкм вполне достаточно, а те, для которых действительно требуется толстое золото, — это контактные, подобные золотым пальцам, которые должны быть покрыты твердым золотом;
Если OSP дешев, то все должны использовать OSP. «Когда на производственной линии выполняется много ручных операций и платы приходится поставлять партиями, недостатки OSP быстро выявляются;
Обработка поверхности не влияет на импеданс: обработка поверхности слегка изменит толщину и потери поверхностного проводника, поэтому в моделирование необходимо включить сценарии экстремально высоких частот.