Klasyfikacja wykończenia powierzchni PCB: Typy, cechy i zastosowania

Wykończenia powierzchni PCB są nieznanymi bohaterami produkcji elektroniki, łączącymi odcienie miedzi i złącza lutowe.Takie powłoki zabezpieczające zapewniają niezawodne połączenia elektryczne, odporne na korozję i wydłużające okres trwałości®krytyczne dla wszystkiego, od smartfonów po systemy lotnicze.Wybór odpowiedniego wykończenia zależy od potrzeb zastosowaniaW niniejszym przewodniku klasyfikowane są najczęściej stosowane wykończenia powierzchniowe PCB, porównane są ich właściwości, a także przedstawione są różne rodzaje wykończeń powierzchniowych.i pomaga wybrać najlepszą opcję dla swojego projektu- Nie.

Kluczowe informacje.
1Powierzchniowe wykończenia PCB chronią ślady miedzi przed utlenianiem, zapewniając spawalność podczas montażu i niezawodność długoterminową.
2.ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) oferuje najlepsze połączenie łatwości spawania, trwałości i wysokiej częstotliwości, idealnie nadające się do zastosowań medycznych i lotniczych.
3.HASL (Hot Air Solder Leveling) pozostaje opłacalny w przypadku elektroniki użytkowej o dużej objętości, ale boryka się z problemami z elementami o cienkim tonie.
4.Płyn i srebro z zanurzeniem wyróżniają się w projektach bez ołowiu i o wysokiej gęstości, natomiast OSP (Organic Solderability Preservative) jest preferowany w przypadku projektów o niskich kosztach i krótkim okresie trwałości.
5"Wybór zależy od takich czynników, jak wielkość pasma (niepotrzebne ENIG/styk ≤0,4 mm), okres trwałości (ENIG trwa >1 rok) oraz stres środowiskowy (samochodowy wymaga odporności na wysokie temperatury).

Czym są wykończenia powierzchni PCB?
Powierzchniowe wykończenia PCB to cienkie powłoki nakładane na odkryte ślady miedzi i podkładki po etasowaniu.
Zapobieganie utlenianiu: goła miedź reaguje z powietrzem, tworząc w ciągu kilku godzin niepolegającą na spawaniu warstwę tlenkową.
Zwiększenie łatwości lutowania: zapewnienie stabilnej powierzchni do mokrego lutowania i tworzenie silnych połączeń podczas lutowania powracającego lub falowego.
Chronić podczas obsługi: W przeciwności do zadrapań, wilgoci i środków chemicznych podczas montażu i przechowywania.
Bez wykończenia PCB stają się niemożliwe do montażu w ciągu kilku dni, a nawet niewielkie utlenianie może powodować awarie złączy lutowych w użytkowaniu w terenie.

Klasyfikacja wykończeń powierzchniowych PCB
Powierzchniowe wykończenia są klasyfikowane według materiałów i procesów zastosowania.

1HASL (Hot Air Solder Leveling)
HASL jest jednym z najstarszych i najczęściej stosowanych wykończeń, zwłaszcza w produkcji dużych objętości.
zanurzenie PCB w stopionej lutowce (bez ołowiu lub ołowiano-ołowiowym).
Wydmuchanie gorącego powietrza przez powierzchnię w celu usunięcia nadmiaru lutowania, pozostawiając płaską (ale nieco nierówną) powłokę.
Cechy:
Skład: 99,3% cyny, 0,7% miedzi (bez ołowiu) lub 63% cyny/37% ołowiu (tradycyjny, obecnie rzadki).
Łączność: doskonała dla elementów SMT z otworami i dużymi elementami; łatwo zwilża się.
Okres trwałości: 6-9 miesięcy (tlenkowanie powoli pogarsza łatwość spawania).
Koszt: najniższy wśród wykończeń (1x wartość podstawowa).
Za.
Ekonomiczne w przypadku produkcji dużych ilości (100 000+ sztuk).
Wytrzymuje wielokrotne cykle reflow'u (35x).
Wady:
Nierówna powierzchnia (± 10 μm) stwarza ryzyko łączenia lutownictwa w komponentach o cienkiej pasmowości (< 0,8 mm pasmo).
Wersje bez ołowiu mają wyższe punkty topnienia, co wymaga gorętszych profili reflow.
Najlepiej dla: elektroniki użytkowej (telewizory, routery), tanich płyt PCB z dużymi komponentami.

2. ENIG (złoto bezelektryczne z niklu)
ENIG jest dwusłoniowym wykończeniem: bariera niklowa (36μm) pokryta cienką warstwą złota (0,05μm). Proces wykorzystuje osadzenie chemiczne (bez elektryczności), zapewniając jednolite pokrycie nawet na małych podkładkach.
Cechy:
Skład: nikel-fosfor (6% fosforu) + czyste złoto.
Łączność: Doskonała; nikel tworzy silne wiązania z lutowaniem, podczas gdy złoto zapobiega utlenianiu.
Okres trwałości: > 1 rok (złoto jest odporne na utlenianie na czas nieokreślony).
Koszt: 1,5 ‰ 2 razy wyższy niż HASL.
Za.
Płaska powierzchnia (± 2 μm) idealna dla elementów o cienkim tonie (≤ 0,4 mm BGA, QFN).
Wydajność wysokiej częstotliwości (niska strata sygnału do 40 GHz) dzięki przewodności złota.
Jest odporny na korozję i ekstremalne temperatury (-40°C do 125°C).
Wady:
Ryzyko “czarnej podkładki” (koryzacji niklu pod złotem), jeśli parametry pokrycia są wyłączone.
Złoto jest drogie; grube warstwy (> 0,2 μm) powodują łamliwość lutownicy.
Najlepiej stosowane do: urządzeń medycznych, lotnictwa, sprzętu 5G i PCB z komponentami o drobnym tonie.

3- Zęby zanurzenia.
Złoża zanurzeniowa odkłada warstwę czystego cyny (0,8 ∼2,5 μm) poprzez reakcję chemiczną, tworząc powierzchnię spawalną bez energii elektrycznej.
Cechy:
Skład: 99,9% cyny.
Złotność: Bardzo dobra; tworzy mocne, elastyczne złącza lutowe.
Okres trwałości: 12+ miesięcy przy odpowiednim przechowywaniu (suche, zamknięte torebki).
Koszt: 1,2 x 1,5 HASL.
Za.
Płaska powierzchnia (± 3 μm) nadająca się do konstrukcji o cienkiej rozdzielczości (0,5 mm) i wysokiej gęstości.
Bez ołowiu i zgodne z RoHS.
Kompatybilny zarówno z lutowaniem bez ołowiu, jak i tradycyjnym.
Wady:
Wrażliwe na “stenowe wąsy” (malutkie włókna przewodzące) w wilgotnych środowiskach, z ryzykiem zwarć.
Wymaga ostrożnego obróbki; cyna łatwo się drapie.
Najlepiej stosowane do: elektroniki motoryzacyjnej (światła świetlne LED), czujników przemysłowych i PCB z elementami o średniej cienkiej rozdzielczości.

4. OSP (Organic Soldability Preservative)
OSP jest cienką powłoką organiczną (0,1 ∼0,5 μm), która jest nakładana przez zanurzenie, tworząc warstwę ochronną, która rozpuszcza się podczas lutowania, odsłaniając świeżą miedź.
Cechy:
Skład: Związki organiczne na bazie azoli (deriwaty benzotriazolu).
Łączność: dobra do 1 ̊2 cykli ponownego przepływu; rozpuszcza się w sposób czysty podczas lutowania.
Okres trwałości: 3 ̇ 6 miesięcy (poziom wilgotności > 60%).
Koszt: 0,8x HASL (najtańszy dla małych wolumenów).
Za.
Powierzchnia ultrapłaska (± 1 μm) idealna dla elementów o cienkim tonie (< 0,4 mm).
Brak warstwy metalowej, zachowanie integralności sygnału wysokiej częstotliwości (idealne dla 5G).
Wady:
Jednorazowe; OSP rozpuszcza się podczas lutowania, pozostawiając miedź narażoną na utlenianie.
Słaba trwałość; zadrapania lub wilgoć niszczą łatwość spawania.
Najlepiej stosowane do: prototypów o niskiej objętości, PCB o wysokiej częstotliwości (5G, radar) i urządzeń o krótkim czasie użytkowania.

5/ Srebro zanurzenia.
Srebro zanurzające to cienka warstwa srebra (0,1 ∼0,5 μm) osadzona chemicznie, zapewniająca równowagę między wydajnością a kosztami.
Cechy:
Skład: czyste srebro.
Złotność: Doskonała; tworzy silne połączenia przy minimalnym przepływie.
Okres trwałości: 6-9 miesięcy (pomieszanie w wysokiej wilgotności).
Koszt: 1,3 x 1,6 HASL.
Za.
Płaska powierzchnia (± 3 μm) służy do sygnałów o cienkiej rozdzielczości (0,5 mm) i dużej prędkości.
Szybsze przetwarzanie niż ENIG, skracając czas realizacji.
Wady:
Zmroczenie w wilgotnych warunkach (> 60% RH) zmniejsza łatwość spawania.
Migracja srebra zagraża zwarciom w wysokonapięciowych PCB.
Najlepiej dla: sprzętu telekomunikacyjnego, PCB wojskowych i projektów wymagających szybszego przebiegu niż ENIG.

Tabela porównawcza: Wykończenia powierzchniowe PCB

Jak wybrać odpowiednie wykończenie powierzchni
Wybór zależy od specyficznych potrzeb projektu.

1. Komponent Rozmiar pasma
Cienka rozpiętość (<0,4 mm): ENIG lub OSP (płaskie powierzchnie uniemożliwiają tworzenie mostków).
Średnia wysokość (0,5 ∼0,8 mm): cynk zanurzający, srebro lub ENIG.
Duże przechylenie (> 0,8 mm): HASL (najbardziej ekonomiczne).

2Wymagania dotyczące okresu ważności
> 6 miesięcy: ENIG lub cynk zanurzający (najbardziej odporny na utlenianie).
3-6 miesięcy: Srebro zanurzające lub HASL.
Krótkoterminowe (prototypy): OSP (najniższe koszty).

3Środowisko zastosowań
Wysoka wilgotność: ENIG (złoto jest odporne na zanieczyszczenie) lub cynk zanurzający (lepszy niż srebro).
Wysoka temperatura: ENIG (nikel wytrzymuje 300°C+) lub cynk zanurzający.
Wysoka częstotliwość (5G/radar): OSP (bez warstwy metalowej) lub ENIG (niska utrata sygnału).

4. Ilość produkcji i koszty
Wysoka objętość (100k+): HASL (najniższe koszty jednostkowe).
Średnia objętość (10k 100k): cynka lub srebro z zanurzeniem.
Niska objętość/wysoka niezawodność: ENIG (uzasadnia wyższe koszty).

5Standardy branżowe
W sektorze motoryzacyjnym (IATF 16949): ENIG lub cynk zanurzający (odporny na drgania/ciepło).
Medyczne (ISO 13485): ENIG (biokompatybilny, długotrwały).
Powietrzno-kosmiczne (AS9100): ENIG (odporny na ekstremalne warunki).

Powszechne mity o wykończeniu powierzchni PCB
Mit: ENIG jest zawsze lepszy.
Fakt: ENIG jest nadmiernie wydajny dla tanich, dużych PCB; HASL działa dobrze i kosztuje mniej.

Mit: OSP jest niewiarygodny.
Fakt: OSP działa dobrze w przypadku urządzeń o krótkim czasie użytkowania (np. elektroniki sezonowej) i urządzeń o wysokiej częstotliwości.

Mit: W każdym przypadku zęby z cyny powodują wąsy.
Rzeczywistość: Odpowiednie pokrycie (dodatki przeciwwskazające wąsy) i przechowywanie (w suchych warunkach) minimalizują to ryzyko.

Częste pytania
P: Jakie wykończenie jest najlepsze dla płyt PCB o wysokiej częstotliwości (28GHz+)?
Odpowiedź: OSP (bez warstwy metalowej) lub ENIG (niska utrata złota) są najlepsze.

P: Czy mogę użyć ENIG do montażu bez ołowiu?
Odpowiedź: Tak. ENIG pracuje z lutowaniem bez ołowiu (Sn-Ag-Cu) i spełnia wymagania RoHS.

P: Jak przedłużyć okres ważności OSP?
Odpowiedź: Przechowywać PCB w zamkniętych workach z środkami suszącymi, utrzymywać wilgotność w temperaturze < 50% i używać w ciągu 3 miesięcy od daty produkcji.

P: Co powoduje "czarną płytkę" w ENIG?
W celu uniknięcia tego należy wybrać producentów posiadających certyfikat IPC-4552.

P: Czy HASL nadal ma znaczenie dla przepisów dotyczących bezłowiu?
Odpowiedź: Tak. Bezłowiowy HASL (Sn-Cu) spełnia wymagania RoHS i pozostaje opłacalny w przypadku dużych komponentów.

Wniosek
Wykończenia powierzchniowe PCB są kluczowe dla niezawodności, sukcesu montażu i wydajności.OSP dla wysokiej częstotliwościNiezależnie od tego, czy budujemy smartfon czy satelitę, odpowiednie wykończenie powierzchni zapewnia, że PCB przetrwa montaż, przechowywanie i lata użytkowania w terenie.