[表面处理]常见的PCB表面处理工艺 [复制链接]

常见的PCB表面处理工艺

这里的“表面”指的是PCB上为电子元器件或其他系统到PCB的电路之间提供电气连接的连接点，如焊盘或接触式连接的连接点。
裸铜本身的可焊性很好，但是暴露在空气中很容易氧化，而且容易受到污染。这也是PCB必须要进行表面处理的原因。
1、HASL
在穿孔器件占主导地位的场合，波峰焊是最好的焊接方法。采用热风整平（HASL， Hot-air solder leveling）表面处理技术足以满足波峰焊的工艺要求，当然对于结点强度（尤其是接触式连接）要求较高的场合，多采用电镀镍/金的方法。HASL是在世界范围内主要应用的表面处理技术，但是有三个主要动力推动着电子工业不得不考虑HASL的替代技术：成本、新的工艺需求和无铅化需要。
从成本的观点来看，许多电子元件诸如移动通信和个人计算机正变成平民化的消费品。以成本或更低的价格销售，才能在激烈的竞争环境中立于不败之地。
组装技术发展到SMT以后， PCB焊盘在组装过程中要求采用丝网印刷和回流焊接工艺。在SMA场合，PCB表面处理工艺最初依然沿用了HASL技术，但是随着SMT器件的不断缩小，焊盘和网板开孔也在随之变小，HASL技术的弊端逐渐暴露了出来。HASL技术处理过的焊盘不够平整，共面性不能满足细间距焊盘的工艺要求。
环境的关注通常集中在潜在的铅对环境的影响。
2、有机可焊性保护层（OSP）
OSP的保护机理
故名思意，有机可焊性保护层（OSP, Organic solderability preservative）是一种有机涂层，用来防止铜在焊接以前氧化，也就是保护PCB焊盘的可焊性不受破坏。目前广泛使用的两种OSP都属于含氮有机化合物，即连三氮茚（Benzotriazoles）和咪唑有机结晶碱（Imidazoles）。它们都能够很好的附着在裸铜表面，而且都很专一―――只情有独钟于铜，而不会吸附在绝缘涂层上，比如阻焊膜。          
连三氮茚会在铜表面形成一层分子薄膜，在组装过程中，当达到一定的温度时，这层薄膜将被熔掉，尤其是在回流焊过程中，OSP比较容易挥发掉。咪唑有机结晶碱在铜表面形成的保护薄膜比连三氮茚更厚，在组装过程中可以承受更多的热量周期的冲击。
OSP涂附工艺
清洗: 在OSP之前，首先要做的准备工作就是把铜表面清洗干净。其目的主要是去除铜表面的有机或无机残留物，确保蚀刻均匀。
微蚀刻（Microetch）：通过腐蚀铜表面，新鲜明亮的铜便露出来了，这样有助于与OSP的结合。可以借助适当的腐蚀剂进行蚀刻，如过硫化钠（sodium persulphate），过氧化硫酸（peroxide/sulfuric acid）等。
Conditioner：可选步骤，根据不同的情况或要求来决定要不要进行这些处理。
OSP：然后涂OSP溶液，具体温度和时间根据具体的设备、溶液的特性和要求而定。
清洗残留物：完成上面的每一步化学处理以后，都必须清洗掉多余的化学残留物或其他无用成分。一般清洗一到两次足夷。物极必反，过分的清洗反倒会引起产品氧化或失去光泽等，这是我们不希望看到的。
整个处理过程必须严格按照工艺规定操作，比如严格控制时间、温度和周转过程等。
OSP的应用
PCB 表面用OSP处理以后，在铜的表面形成一层薄薄的有机化合物，从而保护铜不会被氧化。Benzotriazoles型OSP的厚度一般为100A°，而 Imidazoles型OSP的厚度要厚一些，一般为400 A°。OSP薄膜是透明的，肉眼不容易辨别其存在性，检测困难。
在组装过程中（回流焊），OSP很容易就熔进到了焊膏或者酸性的Flux里面，同时露出活性较强的铜表面，最终在元器件和焊盘之间形成Sn/Cu金属间化合物，因此，OSP用来处理焊接表面具有非常优良的特性。
OSP不存在铅污染问题，所以环保。
OSP的局限性
1、   由于OSP透明无色，所以检查起来比较困难，很难辨别PCB是否涂过OSP。
2、   OSP本身是绝缘的，它不导电。Benzotriazoles类的OSP比较薄，可能不会影响到电气测试，但对于Imidazoles类OSP，形成的保护膜比较厚，会影响电气测试。OSP更无法用来作为处理电气接触表面，比如按键的键盘表面。
3、   OSP在焊接过程中，需要更加强劲的Flux，否则消除不了保护膜，从而导致焊接缺陷。
4、   在存储过程中，OSP表面不能接触到酸性物质，温度不能太高，否则OSP会挥发掉。
随着技术的不断创新，OSP已经历经了几代改良，其耐热性和存储寿命、与Flux的兼容性已经大大提高了。
3、化镍浸金(ENIG)
ENIG的保护机理
通过化学方法在铜表面镀上Ni/Au。内层Ni的沉积厚度一般为120～240μin（约3～6μm），外层Au的沉积厚度比较薄，一般为2～4μinch （0.05～0.1μm）。Ni在焊锡和铜之间形成阻隔层。焊接时，外面的Au会迅速融解在焊锡里面，焊锡与Ni形成Ni/Sn金属间化合物。外面镀金是为了防止在存储期间Ni氧化或者钝化，所以金镀层要足够密，厚度不能太薄。
    ENIG处理工艺
清洗:清洗的目的与OSP工艺一样，清楚铜表面的有机或无机残留物，为蚀刻和催化做好准备。
蚀刻（Microetch）：同OSP工艺……
催化剂：这一步的作用是在铜表面沉积一层催化剂薄膜，从而降低铜的活性能量，这样Ni就比较容易沉积在铜表面。钯、钌都是可以使用的催化剂。
化学镀镍：这里就不详细介绍其具体过程了。镍沉积含有6～11％的磷，根据实际的具体用途，镍可能用作焊接表面，也可能作为接触表面，但不论怎样，必须确保镍有足够的厚度，以达到保护铜的作用。
浸金：在这个过程中，目的是沉积一层薄薄的且连续的金保护层，主要金的厚度不能太厚，否则焊点将变得很脆，严重影响焊电可靠性。与镀镍一样，浸金的工作温度很高，时间也很长。在浸洗过程中，将发生置换反应―――在镍的表面，金置换镍，不过当置换到一定程度时，置换反应会自动停止。金强度很高，耐磨擦，耐高温，不易氧化，所以可以防止镍氧化或钝化，并适合工作在强度要求高的场合。
清洗残留物：完成上面的每一步化学处理以后，都必须清洗掉多余的化学残留物或其他无用成分。一般清洗一到两次足夷。物极必反，过分的清洗反倒会引起产品氧化或失去光泽等，这是我们不希望看到的。
ENIG的应用
ENIG处理过的PCB表面非常平整，共面性很好， 用于按键接触面非他莫属。其次，ENIG可焊性极佳，金会迅速融入熔化的焊锡里面，从而露出新鲜的Ni。
ENIG的局限性
ENIG 的工艺过程比较复杂，而且如果要达到很好的效果，必须严格控制工艺参数。最为麻烦的是，ENIG处理过的PCB表面在ENIG或焊接过程中很容易产生黑盘效应（Black pad），从而给焊点的可靠性带来灾难性的影响。黑盘的产生机理非常复杂，它发生在Ni与金的交接面，直接表现为Ni过度氧化。金过多，会使焊点脆化，影响可靠性。
4、化镍钯浸金(ENEPIG)
化镍钯浸金的原理
ENEPIG与ENIG相比，在镍和金之间多了一层钯。Ni的沉积厚度为120～240μin（约3～6μm），钯的厚度为4～20μin（约0.1～0.5μm），金的厚度为1～4μin（约 0.02～0.1μm）。钯可以防止出现置换反应导致的腐蚀现象，为浸金作好充分准备。金则紧密的覆盖在钯上面，提供良好的接触面。
化镍钯浸金的工艺步骤
化镍钯浸金的工艺步骤见表3
化镍钯浸金的应用
化镍钯浸金的应用非常广泛，可以替代化镍浸金。在焊接过程中，钯和金都会融解到熔化的焊锡里面，从而形成镍/锡金属间化合物。
化镍钯浸金的局限性
化镍钯浸金虽然有很多优点，但是钯的价格很贵，同时钯是一种短缺资源，主要发布在前苏联。同时与化镍浸金一样，其工艺控制要求很严。
5、浸银(Immersion silver)
浸银的工作原理
通过浸银工艺处理，薄（5～15μin，约0.1～0.4μm）而密的银沉积提供一层有机保护膜，铜表面在银的密封下，大大延长了寿命。浸银的表面很平，而且可焊性很好。
浸银的工作步骤
浸银的工作步骤见表4。
其他步骤这里不再赘述，预浸的目的主要是防止污染物的引入。浸银过程也是一个在铜表面银替换铜的置换反映过程。银沉积层同时含有有机添加剂和有机表面活性剂，有机添加剂用来确保浸银平整，而有机表面活性剂则可以保护PCB在储藏过程中银吸收潮气。
浸银的应用
浸银焊接面可焊性很好，在焊接过程中银会融解到熔化的锡膏里，和HASL和OSP一样在焊接表面形成Cu/Sn金属间化合物。浸银表面共面性很好，同时不像OSP那样存在导电方面的障碍，但是在作为接触表面（如按键面）时，其强度没有金好。
浸银的局限性
浸银的一个让人无法忽略的问题是银的电子迁移问题。当暴露在潮湿的环境下时，银会在电压的作用下产生电子迁移。通过向银内添加有机成分可以降低电子迁移的发生。
6、   浸锡
浸锡原理
由于两个原因才采用了浸锡工艺：其一是浸锡表面很平，共面性很好；其二是浸锡无铅。但是在浸锡过程中容易产生Cu/Sn金属间化合物，Cu/Sn金属间化合物可焊性很差。
如果采用浸锡工艺，必须克服两障碍：颗粒大小和Cu/Sn金属间化合物的产生。浸锡颗粒必须足够小，而且要无孔。锡的沉积厚度不低于40μin（1.0μm）是比较合理的，这样才能提供一个纯锡表面，以满足可焊性要求。
浸锡的工艺步骤预浸银基本相似，这里不再赘述。
浸锡的应用和局限性
浸锡的最大弱点是寿命短，尤其是存放于高温高湿的环境下时，Cu/Sn金属间化合物会不断增长，直到失去可焊性。
7、比较：
每种表面处理工艺各有起独到之处，应用范围也不大相同。但化镍钯浸金(ENEPIG)是一种万能的处理方法，它能够满足各种组装场合的要求。

写的很详细很具体,不错今天又学到了点!谢谢

不错的资料，对做工艺的朋友也是一种帮助，多了解板子状况有利于解决一些常见的问题

再次学习下，温故而知新，谢谢楼主~~

是个不错的PCB板制造工艺,这让很多搞焊接工艺的同事,了解到了很多焊接不良问题的原因.做PE与ME工作的同事应该好好学学.销售助焊剂的同事更应该好好学学.一后就不会头痛了.哈哈.......

请问nestor:
化镍浸金(ENIG)是业界通称的 镀金 吗？
浸锡 是业界通称的 喷锡 吗？

ENIG = Electroless Nickel Immersion Gold (无电的镍浸没金子)
镀金 = Gold-plated



沉金板与镀金板的区别

随着IC 的集成度越来越高，IC脚也越多越密。而垂直喷锡工艺很难将成细的焊盘吹平整，这就给SMT的贴装带来了难度；另外喷锡板的待用寿命（shelf life）很短。而镀金板正好解决了这些问题： 1对于表面贴装工艺,尤其对于0603及0402 超小型表贴,因为焊盘平整度直接关系到锡膏印制工序的质量,对后面的再流焊接质量起到决定性影响,所以,整板镀金在高密度和超小型表贴工艺中时常见到。2在试制阶段,受元件采购等因素的影响往往不是板子来了马上就焊,而是经常要等上几个星期甚至个把月才用,镀金板的待用寿命(shelf life)比铅锡合
金长很多倍所以大家都乐意采用.再说镀金PCB在度样阶段的成本与铅锡合金板相比相差无几。
但随着布线越来越密，线宽、间距已经到了3-4MIL。因此带来了金丝短路的问题：

随着信号的频率越来越高，因趋肤效应造成信号在多镀层中传输的情况对信号质量的影响越明显：

趋肤效应是指：高频的交流电，电流将趋向集中在导线的表面流动。
根据计算，趋肤深度与频率有关：
 
镀金板的其它缺点在沉金板与镀金板的区别表中已列出。

为什么要用沉金板
为解决镀金板的以上问题，采用沉金板的PCB主要有以下特点:
1、 因沉金与镀金所形成的晶体结构不一样，沉金会呈金黄色较镀金来说更黄，客户更满意。
2、 因沉金与镀金所形成的晶体结构不一样，沉金较镀金来说更容易焊接，不会造成焊接不良，引起客户投诉。
3、 因沉金板只有焊盘上有镍金，趋肤效应中信号的传输是在铜层不会对信号有影响。
4、 因沉金较镀金来说晶体结构更致密，不易产成氧化。
5、 因沉金板只有焊盘上有镍金，所以不会产成金丝造成微短。
6、 因沉金板只有焊盘上有镍金，所以线路上的阻焊与铜层的结合更牢固。
7、 工程在作补偿时不会对间距产生影响。
8、 因沉金与镀金所形成的晶体结构不一样，其沉金板的应力更易控制，对有邦定的产品而言，更有利于邦定的加工。同时也正因为沉金比镀金软，所以沉金板做金手指不耐磨。
9、 沉金板的平整性与待用寿命与镀金板一样好。

资料真的不错，看来我的专业术语真的要加强下了，谢谢

请问nestor:
1，镀金的制程工艺能否讲解一下？
2，线径、线距均为4mil的PCB,板上有0.5mm Pin距的BGA+0.5mm pin距的QFP IC( 低频 ) ,请问用哪种工艺比较好? （结合现在市场上各种pcb制作工艺的价格)
先谢谢~

又学到东西了，谢谢。

原帖由8楼楼主 空空 于2008-09-10 13:05发表
请问nestor:
1，镀金的制程工艺能否讲解一下？
2，线径、线距均为4mil的PCB,板上有0.5mm Pin距的BGA+0.5mm pin距的QFP IC( 低频 ) ,请问用哪种工艺比较好? （结合现在市场上各种pcb制作工艺的价格)
先谢谢~

1. 镀金是最有学问的，想了解的话建议去买本有关电镀方面的专业书籍来学习学习。



2.当化学镀金层厚度在0.2μm时，断裂有时会出现在楔形键上，有时在金线上，这表明0.2μm厚度时的金线键合功能是很差的。当金层厚度达0.25μm以上时，断裂均在金线上，拉断金线所需的平均拉力也很高，说明此时的键合功能已很好。在实际应用时，我们控制化学镀金层的厚度在0.5-0.6μm，可比电镀软金0.6-0.7μm略低，这是因为化学镀金的平整度比电镀金的好，它不受电流分布的影响。
结论
1 用中性化学镀金取代弱酸性置换镀金时，它可以避免化学镀镍层的腐蚀，从而根本上消除了在化学镀镍/置换镀金层界面上出现黑色焊区或黑带的问题。
2 金厚度在0.25至0.50μm的化学镀镍/中性化学镀金层同时具有优良的钎焊性和金线键合功能，因此它是理想的电镀镍/电镀金的替代工艺，适于细线、高密度印制板使用。
3 电镀镍/电镀金工艺不适于电路来导通的印制板，而中性化学镀金无此限制，因而具有广阔的应用前景。


<学习建议> 印制板镀金工艺的钎焊性和键合功能: (http://bbs.smthome.net/read.php?tid=194310)

[quote]原帖由10楼楼主 nestor 于2008-09-20 15:43发表



1. 镀金是最有学问的，想了解的话建议去买本有关电镀方面的专业书籍来学习学习。

.......[/quote

呵呵，不懂的很多，以后再请教....

原帖由11楼楼主 空空 于2008-09-21 11:31发表
[quote]原帖由10楼楼主 nestor 于2008-09-20 15:43发表
1. 镀金是最有学问的，想了解的话建议去买本有关电镀方面的专业书籍来学习学习。
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分享学习..

写的很详细很具体,不错今天又学到了点!谢谢

非常棒的教材，感谢楼主。