多年來，各種表面處理已成功被應(yīng)用作為PCB和封裝基板的可焊接表面處理，即有機(jī)保焊劑（OSP），化學(xué)銀（ImAg），化學(xué)錫（ImSn），化學(xué)鎳金（ENIG）和化學(xué)鎳鈀金（ENEPIG）。這些表面處理都有其優(yōu)點和缺點，沒有一種表面處理能適合所有應(yīng)用。

隨著系統(tǒng)設(shè)計人員不斷響應(yīng)新的性能需求，可以注意到ENIG/ENEPIG在許多可靠性優(yōu)于成本的先進(jìn)應(yīng)用中一直是首選。

化學(xué)鎳（EN）沉積層一直作為優(yōu)良的阻擋層，防止底部銅遷移到外部的金或鈀表面，使ENIG和ENEPIG表面具有強(qiáng)大的可焊性性能。然而，5G移動網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)入對智能手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和無線連接的需求不斷增長，所有這些都需要增加“數(shù)據(jù)流”，而減少更高頻率帶寬下的信號損失變得至關(guān)重要。鎳的低電導(dǎo)率和磁性會影響電子信號，因為電子信號會沿著導(dǎo)體的外表面?zhèn)鞑ィ瑢?dǎo)致更高頻率的插入損耗。

因此，設(shè)計師和制造商正在尋找新一代的表面處理，以滿足他們的性能標(biāo)準(zhǔn)。EPIG（無鎳的化學(xué)鈀金），銀金（Ag-Au）以及從薄鎳ENEPIG都引起了人們的關(guān)注。接下來，本文將回顧并比較高頻應(yīng)用的候選表面處理的性能屬性。

MacDermid Alpha Electronic Solutions與Rogers公司合作，評估各種表面處理對信號損耗的影響。隨后，我們一起了解和比較其他關(guān)鍵和質(zhì)量的性能指標(biāo)，以作為各種應(yīng)用的最終表面處理選擇的指南。

工作計劃

MacDermid Alpha在Rogers公司的支持下，首先使用微帶測試方法和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀評估表面處理對高達(dá)110 GHz信號損耗的影響。

選擇的測試候選表面處理是：

? 標(biāo)準(zhǔn)ENEPIG（4μm化學(xué)鎳/0.1μm鈀/0.05μm金）

? 標(biāo)準(zhǔn) ENIG（4μm化學(xué)鎳/0.05μm金）

? 薄鎳 ENEPIG（0.2μm化學(xué)鎳/0.1μm鈀/0.05μm金）

? 超薄鎳 ENEPIG（0.1μm化學(xué)鎳/ 0.1μm鈀/ 0.05μm金）

? EPIG（0.1微米鈀金/0.05微米金）

? 銀金（0.15微米銀/0.05微米金）

? 化學(xué)銀（0.3μm）

? OSP（0.4微米）

在評估插入損耗后，根據(jù)其他性能標(biāo)準(zhǔn)評估每個表面處理：

? 高速球剪切力

? 焊料擴(kuò)散測試?

? 跌落沖擊評估

? 金和鋁打線

? 焊點電遷移

在收集數(shù)據(jù)后，對其進(jìn)行總結(jié)，并構(gòu)建決策矩陣，使設(shè)計人員能夠?qū)⑿阅芤笈c每種表面處理的能力進(jìn)行比較。

插入損耗測試

通過微帶電路的總插入損耗（αT）由四個不同的損耗分量組成，如方程式1所示：

其中 αD、 αC、 αR和 αL 分別表示介電損耗、導(dǎo)體損耗、輻射損耗和漏電損耗。如果傳輸線是理想的阻抗匹配電路，則總傳輸損耗能用兩個主導(dǎo)因素來表示，即導(dǎo)體和介電損耗，如方程式2所示：

影響傳輸線導(dǎo)體損耗的因素有很多，包括銅箔的表面粗糙度、集膚效應(yīng)和導(dǎo)體的磁導(dǎo)率。集膚效應(yīng)與表面處理密切相關(guān)。當(dāng)信號頻率增加時，傳輸線中流動的電流集中在銅箔的表面，而不是中心，這被稱為集膚效應(yīng)。流在傳輸線表面的電流的集膚深度（Skin depth， δ） - 振幅可以使用下面的方程式得出。

圖1顯示了銅 （Cu） 的集膚深度和傳輸線鍍層材料的集膚深度 [4]。結(jié)果表明，鈀的集膚深度最深。其次順序為金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）和鎳（Ni）。鎳是鐵磁性的，具有最高的磁導(dǎo)率、淺的集膚深度。而低電導(dǎo)率鈀具有改善的集膚深度。在1 GHz時，鎳的集膚深度小于0.5μm。

圖 1：銅和其他表面處理鍍層的集膚深度?

我們與 Rogers 公司合作進(jìn)行信號損失測試。

圖2是Rogers信號損耗測試載具圖。它包含相同的上半部分和下半部分。為了測試表面處理對信號損耗測試中的貢獻(xiàn)，測試載具被切成兩半。一半鍍有感興趣的表面處理，另一半保持未鍍。兩半都經(jīng)過信號損耗測試。兩個信號損耗結(jié)果之間的差異等于表面處理的損耗。未鍍板上的數(shù)據(jù)稱為結(jié)構(gòu)損失。通過進(jìn)行此測試，可以減少板與板間的差異性。

圖2：Rogers信號損失測試載具由相同的上下半部分組成

插入損耗數(shù)據(jù)

為了簡化數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建了一個堆疊條形圖，如圖3所示，重點關(guān)注實際應(yīng)用中常用的三種頻率。

? 6 GHz – 標(biāo)準(zhǔn)操作

? 40 GHz – 5G

? 77 GHz – ADAS

堆疊條形圖包括兩個組件。首先，藍(lán)色條表示由于測試載具的構(gòu)造而造成的損失（使用只有銅的載具半部）。其次，紅色條顯示由于表面處理于同一測試載具的后半部分而產(chǎn)生的額外損失。

因此，條形的總高度代表結(jié)構(gòu)和表面處理的總損失。

圖 3 ：代表性頻率下由于結(jié)構(gòu)（藍(lán)色）和表面處理（紅色）造成的信號損失

插入損耗數(shù)據(jù)分析

在圖3中的每個頻率組下，可以觀察到每個藍(lán)條高度的微小差異（結(jié)構(gòu)損失）。

在理想情況下，我們希望觀察到每個純銅測試載具有相同的信號損失。然而，實驗誤差可能會降低測試之間的可重復(fù)性。純銅測試載具之間觀察到的差異被認(rèn)為是由于信號損耗測量誤差或更可能是每個測試載具之間結(jié)構(gòu)的微小差異（蝕刻定義分辨率、線路均勻性、表面粗糙度等）。這些差異足夠小，因此可以有效判斷和比較每個表面處理的信號損失。

一旦考慮進(jìn)微小的實驗差異，就可以將表面處理測試候選者分為三類：

01?第一類

OSP和化學(xué)銀顯示不會在純銅樣品上增加額外的信號損失。銀是比銅更好的導(dǎo)體，而OSP是超薄有機(jī)膜層，兩種表面處理對信號損耗沒有不利影響。

OSP 和化學(xué)銀被證明是在高頻操作下實現(xiàn)最佳性能的表面處理選擇。

02?第二類

與所有其他測試候選表面處理相比，具有一般（4μm EN）厚度的ENIG和ENEPIG在純銅樣品上顯示出顯著的信號損失。如前所述，厚鎳的磁性和低導(dǎo)電性限制了高頻操作的適用性。

03?第三類

銀-金、EPIG和薄鎳ENEPIG選項都隨著頻率的增加表現(xiàn)出相似的插入損耗回應(yīng)。因此，很難說這三種表面處理中的任何一種在性能上是否有顯著差異。

令人驚訝的是，使用無鎳層的EPIG和銀金選項并沒有優(yōu)于薄鎳ENEPIG的表面處理。

盡管沒有顯示出OSP和化學(xué)銀的完美高頻性能，但第二類表面處理能夠證明插入損耗比ENEPIG和ENIG有顯著改善，并且很可能帶來OSP和化學(xué)銀無法實現(xiàn)的其他性能優(yōu)勢。

結(jié)論

ENIG和ENEPIG面臨著更高頻率的信號損失的挑戰(zhàn)，OSP和化學(xué)銀在純銅樣品上沒有損失。

新一代表面處理（Ag-Au，薄鎳 ENEPIG和EPIG）優(yōu)于傳統(tǒng)的ENIG和ENEPIG。其他選擇標(biāo)準(zhǔn)，如耐環(huán)境性、焊接性能、焊點可靠性和打線，使這些較新的表面處理對OSP和銀無法滿足性能需求的某些應(yīng)用具有吸引力。

在即將發(fā)布的第 2 部分中，將介紹新一代和傳統(tǒng)表面處理的高速球剪切力、跌落沖擊、打線和焊點可靠性性能的數(shù)據(jù)回顧、檢查和比較。將包括 一個決策矩陣，以幫助設(shè)計人員將性能需求與表面處理能力保持一致。

作者：

Frank Xu, Ph.D and Martin Bunce – MacDermid Alpha

John Coonrod – Rogers Corporation

編輯：黃飛

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