1, najpierw zrozummy: co tak naprawdę rozwiązuje obróbka powierzchni
Goła miedź utlenia się od momentu wytrawienia i tworzy warstwę tlenku w ciągu kilku godzin. Podstawowa misja obróbki powierzchni to tylko dwie:
Chronić powierzchnię miedzi przed utlenianiem i wulkanizacją podczas procesów przechowywania i spawania;
Upewnij się, że lut może niezawodnie zwilżyć pole lutownicze podczas spawania.
Te trzy drogi technologiczne osiągają ten sam cel na zupełnie różne sposoby, co determinuje ich zróżnicowanie pod względem płaskości, odporności cieplnej, czasu przechowywania i kosztu. Zapamiętaj to zdanie: nie ma najlepszej obróbki powierzchni, jest tylko najlepiej pasująca.
Wymiar cyny natryskowej HASL zanurzeniowy złoty ENIG OSP
Skład powierzchni: stop cyny i srebra (bezołowiowy), warstwa niklu + warstwa złota, organiczna folia ochronna
Słaba płaskość (z guzkami cyny i meniskiem), wyjątkowo duża (poziom ≈ 0,1 μm), najwyższa
Okres przechowywania 3-12 miesięcy 6-12 miesięcy i więcej 3-6 miesięcy
Dobra odporność na refluks (wielokrotnie), doskonała (4-10 razy), słaba (1-2 razy)
2-3 najniższy poziom natryskiwania cyną przy najniższych względnych kosztach
Wtyczki typowego scenariusza, odstępy zgrubne, panel sterowania BGA/rozstawy drobne, piec jednoprzebiegowy o wysokiej niezawodności, płyta wsadowa dla konsumentów
2, ENIG (Chemical Nickel Gold) — preferowana jest wysoka niezawodność, ale wiąże się to z kosztami
Zasada procesu: Osadzanie chemiczne, najpierw nałóż warstwę niklu o grubości 3–6 μm na gołą miedź jako warstwę bariery dyfuzyjnej, a następnie osadź bardzo cienką warstwę złota (0,05–0,1 μm), aby zapobiec utlenianiu niklu. Poniżej 100 stopni przez cały proces, bez szoku termicznego. Sama warstwa złota nie bierze udziału w spawaniu, a podczas spawania powstają związki międzymetaliczne Ni Sn.
Podstawowe zalety
Wyjątkowo wysoka płaskość: chropowatość można kontrolować na poziomie 0,1 μm, można równomiernie sklejać kulki lutownicze BGA w odstępie 0,3 mm, a drobne elementy pinowe nie są mostkowane;
Długi okres przechowywania: Zgrzewalność pozostaje zasadniczo niezmieniona przez ponad 12 miesięcy w przypadku pakowania próżniowego;
Wielokrotna odporność na rozpływ: wytrzymuje 4–10 cykli lutowania rozpływowego, nadaje się do wielokrotnego montażu lub naprawy, z szerokim oknem procesowym;
Silna odporność na korozję: Złoto jest chemicznie obojętne i radzi sobie lepiej w środowiskach o wysokiej wilgotności i mgle solnej niż natryskiwanie cyną, co czyni go niezbędnym elementem elektroniki samochodowej, kontroli przemysłowej, magazynowania energii i innych scenariuszy.
Zagrożenia i niedociągnięcia
Czarna podkładka: Podczas zanurzania w złocie roztwór nadmiernie atakuje warstwę niklu, powodując utlenianie i korozję warstwy niklu, tworząc kruchą czarną warstwę. Wygląd może nadal być błyszczący, ale wytrzymałość połączeń lutowanych jest wyjątkowo niska. Ukryte złącza lutowane, takie jak BGA/QFN, są szczególnie niebezpieczne, a problemy często ujawniają się miesiącami, a nawet latami. Kluczowe punkty kontrolne: wartość pH roztworu immersyjnego (należy utrzymywać na poziomie 5,0-5,5), zawartość fosforu w warstwie niklu (7-10%) i grubość warstwy złota;
Im grubsza warstwa złota, tym lepiej: zbyt grube złoto rozpuści się w lutowiu i utworzy kruchy AuSn ₄, co w rzeczywistości zmniejszy wytrzymałość złącza lutowniczego. IPC-4552B określa, że warstwa niklu powinna mieć grubość 3,0–6,0 μm, a warstwa złota powinna mieć grubość 0,05–0,10 μm, co jest optymalnym zakresem po szeroko zakrojonej weryfikacji;
Cienka warstwa złota, nieodporna na zużycie: standardowe złote palce muszą być pokryte twardym złotem, a do podłączania i odłączania interfejsów używa się złota zatopionego, zwykle odsłaniając miedź w ciągu 50 razy;
Nie nadaje się do łączenia drutem złotym: nikiel będzie migrował i utleniał się w kierunku warstwy złota, dlatego zamiast tego należy zastosować złoto niklowo-palladowe (ENEPIG);
Wysoki koszt: przy użyciu złota z metali szlachetnych i złożonych procesów chemicznych koszt jest około 2-3 razy większy niż w przypadku natryskiwania cyną.
3, HASL (poziomowanie gorącym powietrzem) - król opłacalności, ale z wyraźnymi granicami
Zasada procesu: Fizyczny proces termiczny, płytka drukowana jest zanurzana w stopionym stopie cyny w temperaturze około 260 stopni, a po usunięciu nadmiar lutowia jest zdmuchiwany za pomocą noża na gorące powietrze pod wysokim ciśnieniem, pozostawiając powłokę ze stopu cyny, której towarzyszy silny szok termiczny. Są ołowiane (63Sn/37Pb, stopniowo wycofywane) i bezołowiowe (SAC305, temperatura topnienia około 217 stopni).
Miejsca niezastąpione
Wysoka wytrzymałość mechaniczna złączy lutowanych: warstwa cyny jest gruba (1-40 μm), która podczas spawania bezpośrednio łączy się z lutem, tworząc trwałe połączenie lutowane;
Najniższy koszt: sprzęt i materiały wejściowe to tańsze, dojrzałe procesy i łatwe naprawy;
Idealnie przystosowane do procesów lutowania na fali i wtyczek, płytki z elementami przewlekanymi jako głównym komponentem są nadal najbardziej odpowiednim scenariuszem.
Fatalna słabość
Słaba płaskość: zakrzywione w kształcie półksiężyca powierzchnie i guzki cyny są nieodłącznym elementem tego procesu, a BGA/QFN z odstępami mniejszymi niż 0,5 mm są bezpośrednio wykluczone. Drobne odstępy są podatne na mostkowanie i wirtualne lutowanie;
Wysoki szok termiczny: chwilowa wysoka temperatura 260 stopni stwarza ryzyko wypaczenia i rozwarstwienia cienkich płyt (mniejszych lub równych 0,8 mm) i płyt wielowarstwowych;
Krótki okres przechowywania: Warstwa cyny utlenia się znacznie po 3-6 miesiącach wystawienia na działanie powietrza, dlatego w przypadku wysyłki eksportowej lub długoterminowych zapasów wymagane są liczne zabezpieczenia, takie jak pakowanie próżniowe.
4, OSP (organiczna maska lutownicza) - Niski koszt i duża płaskość, ale wąskie okno
Zasada procesu: Na czystą powierzchnię miedzi nałożyć warstwę folii ze związków organicznych (zwykle benzimidazolu) o grubości 0,2-0,5 μm i zespawać w wysokiej temperaturze w celu rozłożenia warstwy folii, odsłaniając świeżą powierzchnię miedzi i łącząc ją lutem. Brak powłoki metalicznej.
Największy punkt sprzedaży
Niezwykle niski koszt (przyrostowy bliski zeru), najgładsza powierzchnia i doskonała kompatybilność z ultramałymi urządzeniami 0201 i gęstymi pinami BGA;
Nie wpływając na impedancję sygnału, jest to jeden z głównych procesów w przypadku płytek HDI o dużej gęstości, przyjazny dla środowiska i bezołowiowy.
Oczywiste ograniczenia
Najkrótszy okres przechowywania: do 6 miesięcy w zamkniętych warunkach, wrażliwych na wilgoć i należy zużyć możliwie jak najszybciej po otwarciu. Pot dłoni i odciski palców mogą uszkodzić folię ochronną;
Ograniczona odporność na refluks: zwykle tylko 2-3 razy, po czym ulega pogorszeniu;
Nie nadaje się do lutowania na fali i procesów przewlekanych;
Nie można nawiązywać kontaktów, struktur wtykowych ani sprzętu narażonego na długotrwałe działanie.
5, Wybierz według scenariusza: Cztery pytania w celu ustalenia rozwiązania
Ścieżka decyzji o wyborze (zadaj sobie pytanie w kolejności)
Czy są jakieś komponenty lub BGA z odstępem mniejszym niż 0,5 mm? Wyklucz opryskiwanie cyną;
Jak długo należy przechowywać deskę? powyżej 6 miesięcy → wykluczenie OSP;
Czy są jakieś wymagania dotyczące wskaźników wysokiej częstotliwości/częstotliwości radiowych? Pierwszeństwo należy nadać zatapianiu srebra i złota;
Czy jest to wrażliwa na koszty płytka wsadowa dla konsumentów? Tak → OSP lub osadzanie cyny.
Typowe porównanie scenariuszy
BGA/drobne odstępy, precyzyjna płyta o dużej gęstości → osadzanie złota, najbezpieczniejsze;
Elektronika samochodowa, sprzęt medyczny, serwery, sprzęt precyzyjny do długoterminowej inwentaryzacji → Osadzanie złota (zalecana warstwa niklu 4-5 μm i warstwa złota 0,05-0,1 μm zgodnie z przepisami motoryzacyjnymi);
Wysoka częstotliwość/częstotliwość radiowa (antena 5G, moduł mikrofalowy, radar) → zanurzenie w srebrze (najniższe straty w wysokich częstotliwościach) lub zanurzenie w złocie;
Zorientowane na wtyczki, zgrubne odstępy, wrażliwe na koszty → natryskiwanie cyny (tablica zasilająca, małe urządzenia, zwykła tablica sterownicza przemysłowa);
Jednoprzebiegowa, krótkoterminowa tablica wsadowa konsumencka → OSP;
Drobne odstępy w celu zaoszczędzenia pieniędzy → Osadzanie cyną (alternatywna, płaska wersja natryskiwania cyną, opłacalna opcja środkowa);
Złote palce, złącza, styki przycisków → twarde złoto galwaniczne (odporne na zużycie), którego nie można zastąpić zwykłym złotem zanurzeniowym.
Trzy popularne błędne przekonania
Im grubsze złoto użyte do zanurzenia, tym lepiej: Nadmierna grubość faktycznie zwiększa kruchość. Wystarczy warstwa złota spawalniczego o grubości 1-3 μ”, a te, które naprawdę wymagają grubego złota, są stykowe jak złote palce, które należy pokryć twardym złotem;
Jeśli OSP jest tani, to każdy powinien korzystać z OSP. „Kiedy na linii produkcyjnej wykonuje się wiele ręcznych operacji, a płyty muszą być wysyłane partiami, wady OSP zostaną szybko ujawnione;
Obróbka powierzchniowa nie wpływa na impedancję: Obróbka powierzchniowa nieznacznie zmieni grubość i utratę przewodnika powierzchniowego, dlatego w symulacji należy uwzględnić scenariusze o ekstremalnie wysokich częstotliwościach.