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先进表面涂层的发展
  2023-01-10      9

文章来源:PCB007中国线上杂志

表面涂覆工艺是PCB设计和功能中的关键组成,表面涂层形成了元件和电路之间的界面。其最基本的功能是为裸露的铜电路提供保护涂层,以保持可焊性。极佳的表面涂层也可用于金属线键合或作为电气接触表面。在表面贴装技术盛行的制造时代,与PCB制造过程中的其他工序相比,表面化学处理工艺经历的变化更多。

铜是一种高导电性金属,用于PCB不同元器件间传输电气信号。铜的缺点之一是暴露在环境空气中会氧化。氧化铜表面不可焊接,是一种不良导体,不可能实现金属线键合。涂布表面涂层是为了确保最终产品没有裸露的铜。焊接、金属线键合和电气接触都是通过涂层表面实现的。

如今,电路板设计师可指定各种表面涂层,以满足其PCB的所需功能和预期用途要求:

·    具有含铅和无铅焊料界面的可靠焊点

·    Al、Au、Cu、Cu键合表面、Pd键合表面

·    接触面插入

·    不会钻射频信号传输的涂层

当通孔焊接是唯一所需的属性时,制造工厂通常从3种常见表面涂覆工艺中选择,分别是热风焊料流平(HotAirSolderLeveling,简称HASL)和表面接触(插入)用回流锡、回流铅,以及符合需要的接触片电镀镍、电镀金。随着裸铜阻焊层(SolderMaskOverBareCopper,简称SMOBC)的出现,回流锡、回流铅不再受欢迎。

下一代产品要求更轻、更小和更快,表面贴装技术(SMT)和球栅阵列(BGA)封装主导了PCB设计新要求。

SMT和BGA对组装提出了挑战,其中之一是共面性要求。HASL形成了弯月面,干扰了表面贴装焊盘上焊膏的涂布。

这一要求使得有机可焊性保护层(OrganicSolderabilityPreservative,简称OSP)和化学镀镍、浸金(Electroless Nickel、ImmersionGold,简称ENIG)在这些应用中成为了优先考虑的选项。

PCB制造业从焊料中消除铅。新一代无铅(LF)焊料锡、焊料银、焊料铜(SAC)合金是锡、铅合金的主要替代品。SAC系列合金的熔点为217~219℃,峰值液相线温度为240℃,用于完全润湿和形成一致的金属间化合物(IMC),而锡、铅的熔点平均为187℃,焊接峰值温度为215℃。

为了消除焊料中的铅,设备制造商对设计进行了修改,以适应更高的LF合金回流温度。尽管HASL仅提供焊接表面,但对于焊盘之间有足够间距且不需要接触或键合的产品,它仍然是一种可行的表面涂层。同样,出现下一代产品,即OSP-HT(高温)。OSP和OSP-HT已在全球范围内广泛使用。

对于高温焊接和共面性的设计,浸银和浸锡满足了这个需求。然而,两者都不能满足焊点可靠性和长保质期的要求。银容易变色和蠕变腐蚀,锡需要厚的浸没涂层来保持其可焊性。随着时间推移,铜会扩散到浸锡中,形成不可焊接的Cu IMC、Sn IMC。浸银和浸锡都需保持可行的表面涂层,并留有余量以克服其缺点。尽管与浸银和浸锡相比,ENIG是一种更复杂、成本更高的工艺,但可满足LF焊料焊接、铝线可键合的表面涂层的需求,且这种表面涂层具有可延长保质期的良好接触表面。ENIG刚推出时,在浸金条件下会发生镍腐蚀;如果腐蚀过度,将干扰IMC的形成,受影响的部件将无法形成可靠的焊点。

2021年IPC发布的IPC-4552 B中规定了评估和测量ENIG镍腐蚀程度的方法,缺陷问题正在得到解决。“无法修正不能测量的对象。”

ENIG仍然是需要其属性部件的主要涂层。下一个挑战是金(Au)线键合。由于镍可能扩散到薄的浸金层中,ENIG不可用于金线键合,需要扩散屏障来防止镍到达表面。当所需属性包括金线键合时,化学钯是答案,化学镀镍、化学镀钯、浸金(ElectrolessNickel、ElectrolessPalladium、ImmersionGold,简称ENEPIG)是正确的涂层。

随着军用和航空航天PCB继续向射频信号传播领域发展,需要不含化学镀镍的新型涂层。射频信号沿走线表面传播,化学镀镍的存在会干扰高频(RF)信号传播。

实现这一目标的方法之上是将ENEPIG中镍层的厚度大幅降低至0.1µm以下。其他表面涂层,包括化学镀钯、浸金(Electroless Palladium、ImmersionGold,简称EPIG)或化学镀钯金、自催化金(ElectrolessPalladium、AutocatalyticGold,简称EPAG),完全消除了镍。这些涂层依赖于用浸钯催化铜表面;为了达到同样的目标,更先进的体系是使用浸金来催化铜表面。浸金、化学镀钯、浸金(Immersion Gold、Electroless Palladium、ImmersionGold,简称IGEPIG)被证明可以提供更可靠的焊点。

还有一种选择是去除钯,将金直接浸在铜上,即浸金(ImmersionGold,简称DIG)。DIG的新发展是还原辅助浸金(Reduction-Assisted Immersion Gold,简称RAIG)。RAIG沉积了较厚的金层(6~8µins[152.4~203.2µm]),可防止铜扩散到金线键合表面。

需要不断研究、测试和实施更新和更先进的表面涂层。切记,上述所有表面涂层目前都用于PCB制造。随着高端PCB设计中持续使用高射频信号,更先进表面涂层工艺现取得进展,敬请关注。

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