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由于PCB上的銅層很容易被氧化,因此生成的銅氧化層會嚴重降低焊接質量,從而降低最終產品的可靠性和有效性。為了避免這種情況的發生,需要對PCB進行表面處理。有些資料會說到表面成型,板廠工藝上會做區分,都認為PCB的最外層且在銅之上,起到銅的“涂層”作用。
表面處理的作用:保護暴露的銅面,提供可焊接性表面組件到PCB。當然也要滿足一系列功能標準,比如環境要求、電氣性能、物理性能和耐久性的要求
表面處理工藝從最開始會使用助焊劑在銅面焊接元件,產品需要大批量的時候,會使用電鍍錫鉛。當PCB出現涂敷阻焊的時候,開始出現熱風焊料整平(HASL)。隨著產品布線密度增加,出現有機可焊性保護膜(OSP)。清潔組裝操作的需求,ENIG工藝廣泛使用,再后來出現環保無鉛的要求,開始出現化學沉銀、化學沉錫、化學鎳鈀金、化學鎳銀(ENIAg)等。
表面處理工藝有兩種主要類型:金屬的和有機的。HASL,ENIG / ENEPIG,沉金和沉錫均屬于金屬表面成型,而OSP屬于有機表面成型。
熱風焊料整平(HASL)是將PCB沉浸在熔化的焊錫中,這樣裸露的銅表面都被焊錫覆蓋。這個處理過程,會讓部分焊盤銅面與錫向合金錫銅轉化,導致焊盤變薄。同時,PCB基板在高溫下膨脹會使電路板扭曲變形,焊盤變得不平整,出現錫堵孔的情況。
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化學鍍鎳/浸金(ENIG)和化學鎳化學鍍鈀金(ENEPIG)ENIG是化學鍍鎳的縮寫,由化學鍍鎳和浸入金的薄層組成,可保護鎳免受氧化。金是PCB外層涂抹的理想元素,因為金不會形成氧化物,受溫度和存儲條件的影響比較小,同時易于焊接。但是金的含量超過焊料質量的3%,就會使得焊點變脆,所以焊接中金層最大厚度是0.3um。
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金熔解入銅非常迅速,為了防止金與銅融合并最終使銅外露氧化,產生焊接問題,使用鍍鎳的方式使金和銅分離開。鍍鎳/浸金并不是電化學作用,只是讓鎳作為氧化劑被磷還原而最終沉積下來。通常情況下,浸金時會先沉3~5um的鎳,在鎳上再沉0.05~0.15um的金來防止氧化。
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ENEPIG是化學鎳化學鍍鈀金縮寫,有時候會看到ENEPIG,會把兩個混淆。ENEPIG與ENIG的不同之處在于,在鎳和金之間多了一層鈀,在置換金的沉積反應中,化學鍍鈀層會保護鎳層,防止它被交置換金過度腐蝕,鈀在防止出現置換反應導致的腐蝕現象的同時,為浸金做好充分準備。
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鎳腐蝕現象工藝之間的區別:ENIG(化學鎳金)主要用于電路板的表面處理,用來防止電路板表面的銅被氧化或腐蝕,并且用于焊接及應用于接觸,比如內存條上的金手指。
ENEPIG(化鎳鈀浸金)主要用于封裝基板表面處理,在化鎳鈀浸金工藝過程中,通過對鎳層上化學鍍鈀控制、浸金控制,獲得精確的沉積厚度和金層均勻性,達到良好的接觸面。
有機可焊性保護膜(OSP)非常薄的有機涂層,用于保證PCB表面銅的可焊性。不同于其他表面處理工藝,OSP只限于可焊性保護。
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看似簡單,但分子成分相當復雜,這個大型有機分子溶解于水和有機酸溶液里,PCB浸在溶液里,裸露的銅和這些分子形成化學鍵,在銅表面形成OSP-銅組合的沉積層,厚度可達0.10~0.60um。
缺點是,OSP涂層一旦太厚,就會影響焊接。也沒辦法檢查銅有沒有完全受到保護。還有需要注意的是:采用常規波峰焊和選擇性波峰焊焊接工藝的 PCBA,不允許使用OSP表面處理方式。
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化學沉銀(IMS)PCB上的銅需要單獨清洗和微蝕的預處理,在銀溶液中,惰性的銅和惰性更強的銀之間進行賈凡尼置換。
賈凡尼效應又稱原電池效應、電偶腐蝕,即相連的、活性不同的兩個金屬與電解質溶解接觸發生原電池反應,比較活潑的金屬原子失去電子而被氧化(腐蝕)。
這個工藝,水洗和干燥很關鍵,保證雜質被清洗。如果需要多次沉銀,或者銀厚超過0.5um,賈凡尼效應會影響銅,甚至會造成電氣開路。
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焊盤連接處的賈凡尼現象
化學沉銀的抗爬行腐蝕比較差,爬行腐蝕是指PCB或者PCBA暴露于潮濕及其他氣體環境中,在一定時間內緩慢產生腐蝕晶體的現象,可能會引發短路或開路問題。
化學沉錫方式和化學沉銀類似,只不過錫是兩性金屬,與酸和堿都可以發生反應,所以沉積后,要避免與強酸和強堿接觸。
電鍍鎳/金這個是電鍍工藝,將PCB放置在整流器連通的夾具上,并浸在金屬離子的溶液里。在電場驅動下,溶液中金屬離子還原,覆蓋在PCB銅面上。金屬鍍層的厚度可以通過電鍍時間、電流密度、電鍍時間等來控制性能。
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由于電鍍鎳/金成本高,一般用于插拔連接或打金線的工藝。先是沉積幾微米的鎳,再在鎳上鍍0.5~1.5um厚的金,保護鎳不會被氧化。
無論是化學鎳金或是電鍍鎳金,真正需要關注的是鎳鍍層,因為真正需要焊接形成金屬間化物的是鎳而不是金,金僅僅是為了保護鎳不被氧化或腐蝕,金層在焊接一開始就溶解到焊料之中去了。
其他化學鎳鈀/金,化學鎳銀,自催化銀沉等工藝,這里就不過多展開了。說到底,都是為了更好地提供電氣連接和鍵合的良好性能。