表面处理

表面处理

PCB长时间裸露在空气中,容易使PCB表面受潮氧化,所以一般要对PCB表面进行处理。

一、PCB表面处理工艺

PCB表面处理工艺有:热风整平(HASL)、有机涂覆(OSP)、化学镀镍/浸金、浸银、浸锡、电镀镍金(电镀金)、化学镀钯。

PCB表面处理工艺

1、热风整平(HASL)

热风整平又名热风焊料整平,也就是我们所说的喷锡。它是在PCB表面涂覆熔融锡铅焊料并用加热压缩空气整平(吹平)的工艺,使其形成一层既抗铜氧化又可提供良好的可焊性的涂覆层。热风整平时焊料和铜在结合处形成铜锡金属化合物,其厚度大约有1~2mil。

PCB进行热风整平时要浸在熔融的焊料中,风刀在焊料凝固之前吹平液态焊料,并能够将铜面上焊料的弯月状最小化和阻止焊料桥接。

流程:

热风整平分为垂直式和水平式两种,一般认为水平式较好,主要是水平式热风整平镀层比较均匀,可实现自动化生产。其一般流程为:微蚀-->预热-->涂覆助焊剂-->喷锡-->清洗。

2、有机涂覆(OSP)

OSP不同于其它表面处理工艺之处为:它的作用是在铜和空气间充当阻隔层; 简单地说,OSP就是在洁净的裸铜表面上,以化学的方法长出一层有机皮膜。这层膜具有防氧化,耐热冲击,耐湿性,用以保护铜表面于常态环境中不再继续生锈(氧化或硫化等);同时又必须在后续的焊接高温中,能很容易被助焊剂所迅速清除,以便焊接。

有机涂覆工艺简单,成本低廉,使得其在业界被广泛使用。早期的有机涂覆分子是起防锈作用的咪唑和苯并三唑,最新的分子主要是苯并咪唑。为了保证可以进行多次回流焊,铜面上只有一层的有机涂覆层是不行的,必须有很多层,这就是为什么化学槽中通常需要添加铜液。在涂覆第一层之后,涂覆层吸附铜;接着第二层的有机涂覆分子与铜结合,直至二十甚至上百次的有机涂覆分子集结在铜面。

流程:

其一般流程为:脱脂-->微蚀-->酸洗-->纯水清洗-->有机涂覆-->清洗,过程控制相对其他表明处理工艺较为容易。

3、化学镀镍/浸金

化学镀镍/浸金实在铜面上包裹一层厚厚的,电性能良好的镍金合金并可以长期保护PCB。不像OSP那样仅作为防锈阻隔层,其能够在PCB长期使用过程中有用并实现良好的电性能。另外它也具有其它表面处理工艺所不具备的对环境的忍耐性。

镀镍的原因是由于金和铜之间会相互扩散,而镍层可以阻止其之间的扩散,如果没有镍层的阻隔,金将会在数小时内扩散到铜中去。化学镀镍/浸金的另一个好处是镍的强度,仅仅5um厚度的镍就可以控制高温下Z方向的膨胀。此外化学镀镍/浸金也可以阻止铜的溶解,这将有益于无铅焊接。

流程:

其一般流程为:脱酸洗清洁-->微蚀-->预浸-->活化-->化学镀镍-->化学浸金;其过程中有6个化学槽,涉及到近百种化学品,过程比较复杂。

4、浸银

浸银工艺介于OSP和化学镀镍/浸金之间,工艺较简单、快速。浸银不是给PCB穿上厚厚的盔甲,即使暴露在热、湿和污染的环境中,仍能提供很好的电性能和保持良好的可焊性,但会失去光泽。因为银层下面没有镍,所以浸银不具备化学镀镍/浸金所有的好的物理强度。

浸银是置换反应,它几乎是亚微米级的纯银涂覆。有时浸银过程中还包含一些有机物,主要是防止银腐蚀和消除银迁移问题,一般很难量测出来这一薄层的有机物,分析表明有机体的重量少于1%。

5、浸锡

由于目前所有焊料是以锡为基础的,所锡层能与任何类型的焊料相匹配,从这一点来看,浸锡工艺极具发展前景。但以前的PCB经浸锡工艺后易出现锡须,在焊接过程中锡须和锡迁移会带来可靠性问题,因此限制了浸锡工艺的采用。后在浸锡溶液中加入了有机添加剂,使锡层结构呈颗粒状结构,克服了之前的问题,而且还具有好的热稳定性和可焊性。

浸锡工艺可以形成平坦的铜锡金属间化合物,这个特性使得浸锡具有和热风整平一样的好的可焊性而没有热风整平令人头疼的平坦性问题;也没有化学镀镍/浸金金属间的扩散问题;只是浸锡板不可以存储太久。

6、电镀镍金(电镀金)

电镀镍金是PCB表面处理工艺的鼻祖,自从PCB出现它就出现,慢慢演化出其它工艺。电镀镍金就是在PCB表面导体先电镀上一层镍之后再电镀上一层金,镀镍主要是防止金和铜之间的扩散。现在的电镀镍金有两类:镀软金(纯金,金表面看起来不亮)和镀硬金(表面平滑坚硬,耐磨,含有钴等其它元素,表面看起来较光亮)。软金主要用于芯片封装时打金线;硬金主要用在非焊接处的电性互连(如金手指)。

正常情况下,焊接会导致电镀金变脆,这将缩短使用寿命,因而要避免在电镀金上进行焊接;而化学镀镍/浸金由于金很薄且一致,变脆现象很少发生。

7、化学镀钯

化学镀钯的过程与化学镀镍的过程相近似。主要过程是通过还原剂(如次磷酸二氢钠)使钯离子在催化的表面还原成钯,新生的钯可称为推动反应的催化剂,因而可得到任意厚度的镀钯层。化学镀钯的优点为良好的焊接可靠性、热稳定性、表面平整性。缺点为钯是一种较为稀少的贵金属,因而成本会增加。

二、PCB表面处理工艺优缺点比较

PCB表面处理工艺

优点缺点
热风整平(HASL)

较长的存储时间

PCB完成后,铜表面完全的润湿了(焊接前完全覆盖了锡)

适合无铅焊接

工艺成熟

成本低

适合目视检查和电测

不适合线绑定;因表面平整度问题,在SMT上也有局限;不适合接触开关设计。

喷锡时铜会溶解,并且板子经受一次高温。

特别厚或薄的板,喷锡有局限,生产操作不方便。

有机涂覆(OSP)

制程简单,表面非常平整,适合无铅焊接和SMT。

容易返工,生产操作方便,适合水平线操作。

板子上适合多种处理并存(比如:OSP+ENIG)

成本低,环境友好。

回流焊次数的限制 (多次焊接厚,膜会被破坏,基本上2次没有问题)

不适合压接技术,线绑定。

目视检测和电测不方便。

SMT时需要N2气保护。

SMT返工不适合。

存储条件要求高。

化学镀镍/浸金

适合无铅焊接。

表面非常平整,适合SMT。

通孔也可以上化镍金。

较长的存储时间,存储条件不苛刻。

适合电测试。

适合开关接触设计。

适合铝线绑定,适合厚板,抵抗环境攻击强。


浸银

制程简单,适合无铅焊接,SMT。

表面非常平整

适合非常精细的线路。

成本低。

存储条件要求高,容易污染。

焊接强度容易出现问题(微空洞问题)。

容易出现电迁移现象以及和阻焊膜下铜出现贾凡尼咬蚀现象。

浸锡

适合水平线生产。

适合精细线路处理,适合无铅焊接,特别适合压接技术。

非常好的平整度,适合SMT。

需要好的存储条件,最好不要大于6个月,以控制锡须生长。

不适合接触开关设计

生产工艺上对阻焊膜工艺要求比较高,不然会导致阻焊膜脱落。

多次焊接时,最好N2气保护。

电测也是问题。

电镀镍金(电镀金)

较长的存储时间>12个月。

适合接触开关设计和金线绑定。

适合电测试

较高的成本,金比较厚。

电镀金手指时需要额外的设计线导电。

因金厚度不一直,应用在焊接时,可能因金太厚导致焊点脆化,影响强度。

电镀表面均匀性问题。

电镀的镍金没有包住线的边。

不适合铝线绑定。

化学镀钯

在IC载板上应用,适合金线绑定,铝线绑定。适合无铅焊接。

与ENIG相比,没有镍腐蚀(黑盘)问题;成本比ENIG和电镍金便宜。

长的存储时间。

适合多种表面处理工艺并存在板上。

制程复杂。控制难。

在PCB领域应用历史短。

PCB生产所带来的环境问题越来越突出,对环保的要求,无铅化和无卤化将影响PCB制造工艺的发展,在不久的将来PCB表面处理工艺将会发生改变。


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