PCB的表面工艺处理方式.doc

高速数模多层PCB能力提升项目成果PCB的表面工艺处理方式PCB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。一、各种表面处理方式介绍1、热风整平HASL 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， 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。该工艺是指在PCB最终裸露金属表面覆盖63/37的锡铅合金。热风整平锡铅合金镀层的厚度要求为12.7um至38.1um。热风整平工艺对于控制其镀层的厚度和焊盘图形较为困难，不推荐使用于有细脚距元件的PCB，原因是细脚距元件（0.4mm）对焊盘平整度要求高 ；热风整平工艺的热冲击可能会导致PCB翘曲，厚度小于0.7mm的超薄PCB不推荐采用该表面处理方式。此外，热风整平工艺使用的Sn-Pb焊料也不符合环保要求(RoHS指令)。2、有机焊料防护（OSP） 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。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。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。平整度好尤其适合于密脚距PCB。OSP也是目前PCB主要的表面处理方式。OSP的局限性l 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。l OSP本身是绝缘的，它不导电。OSP无法用来作为处理电气接触表面，比如按键的键盘表面、金手指等。l 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。3、化镍浸金(ENIG)化镍浸金俗称化学镍金，PCB的铜金属面采用非电解镍层厚度为2.5um5.0um，浸金（99.9%的纯金）层的厚度为0.08um0.23um。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。ENIG涂层中的金是通过化学置换反应镀覆到镍镀层上，因而镀层很薄。ENIG处理过的PCB表面非常平整，共面性很好，此工艺适于细脚距元件的PCB及按键接触面。 ENIG 的工艺过程比较复杂， 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。4、电镀镍金 ; G它是在PCB表面导体先镀上一层镍后再镀上一层金，镀镍主要是防止金和铜间的扩散。电镀镍金有两类：镀软金（纯金，金表面看起来不亮）和镀硬金。镍层的厚度为55 um，镀硬金镀层厚度大于等于1.3 um，镀软金镀层厚度小于等于0.8 um。电镀镍金（硬金）主要用在非焊接处的电性互连如“金手指”， 软金主要用于微波和高速电路的传输线。5、浸银(Immersion silver)通过浸银工艺处理，薄（515in，约0.10.4m）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。浸银焊接面可焊性很好，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。但是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。6、浸锡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。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。二、常用表面处理方法对比 1、常见表面处理方法特性：物理性能Sn-Pb HASL浸Ag浸SnOSPENIG保存寿命(月)18126624可经历回流次数45544成本中等中等中等低高工艺复杂程度高中等中等低高工艺温度240C50C70C40C80C厚度范围,微米1-250.05-0.200.8-1.20.2-0.50.05-0.2Au3-5Ni助焊剂兼容性好好好一般好环保不环保（含铅）环保环保环保环保其他厚度不均匀易刮伤储存时间短，会产生锡须对放置环境敏感界面易破裂 2、表面处理成本及可焊性比较：n 表面处理成本比较：电镀镍金 ENIG 浸Ag 浸Sn HASL OSPn 实际可焊性比较：电镀镍金 HASL OSP ENIG 浸Ag 浸Sn三. 表面处理工艺的选择表面处理工艺的选择主要取决于最终组装元器件的类型；表面处理工艺将影响PCB的生产、组装和最终使用，下面将具体介绍常见的五种表面处理工艺的使用场合。1. 热风整平热风整平曾经在PCB表面处理工艺中处于主导地位。热风整平对于尺寸较大的元件和间距较大的导线而言，是极好的工艺。在密度较高的PCB中，热风整平的平坦性将影响后续的组装；故HDI板一般不采用热风整平工艺。近年来无铅化的趋势，热风整平使用受到进一步的限制。2. 有机焊料防护（OSP/有机涂覆）估计目前约有25-30的PCB使用OSP工艺，该比例一直在上升。OSP工艺可以用在低技术含量的PCB，也可以用在高技术含量的PCB上，如单面电视机用PCB、高密度芯片封装用板。对于BGA方面，有机涂覆应用也较多。PCB如果没有表面连接功能性要求或者储存期的限定，有机涂覆将是最理想的表面处理工艺。3. 化镍浸金(ENIG)化镍浸金工艺与有机涂覆不同，它主要用在表面有连接功能性要求和较长的储存期的板子上，如手机按键区、路由器壳体的边缘连接区和芯片处理器弹性连接的电性接触区。目前由于黑盘、脆的镍磷合金等问题，化镍浸金(ENIG)的应用有所减少，不过目前几乎每个高技术的PCB厂都有化学镀镍/浸金线。考虑到除去铜锡金属间化合物时焊点会变脆，相对脆的镍锡金属间化合物处将出现很多的问题。因此，便携式电子产品（如手机）几乎都采用有机涂覆、浸银或浸锡形成的铜锡金属间化合物焊点，而采用化学镀镍/浸金形成按键区、接触区和EMI的屏蔽区。估计目前大约有10-20的PCB使用化学镀镍/浸金工艺。4. 浸银浸银比化学镀镍/浸金便宜，如果PCB有连接功能性要求和需要降低成本，浸银是一个好的选择；加上浸银良好的平坦度和接触性，那就更应该选择浸银工艺。在通信产品、汽车、电脑外设方面浸银应用的很多，在高速信号设计方面浸银也有所应用。由于浸银具有其它表面处理所无法匹敌的良好电性能，它也可用在高频信号中。EMS推荐使用浸银工艺是因为它易于组装和具有较好的可检查性。但是由于浸银存在诸如失去光泽、焊点空洞等缺陷使得其增长缓慢（但没有下降）。估计目前大约有10-15的PCB使用浸银工艺。5. 浸锡锡被引入表面处理工艺是近十年的事情，该工艺的出现是生产自动化的要求的结果。浸锡在焊接处没有带入任何新元素，特别适用于通信用背板。在板子的储存期之外锡将失去可焊性，因而浸锡需要较好的储存条件。另外浸锡工艺中由于含有致癌物质而被限制使用。估计目前大约有5-10的PCB使用浸锡工艺。6、电镀镍金电镀镍金（硬金）主要用在非焊接处的电性互连，如“金手指”， 也有厂家为了控制成本，对非焊接处的电性互连采用化镍浸金(ENIG)。一般的电镀金厚度都在30微米的以上，远远高于化镍浸金(ENIG)的金层厚度。而金层越厚耐磨度越好，并能保证接触面有更好的导通性。这样采用电镀金工艺就可以良好的解决金手指易氧化及易磨损问题的问题。当然采用电镀工艺成本要比化镍浸金(ENIG)高很多。金手指电镀镍金和化镍