PCB表面处理工艺全解析-工程师必备

PCB（印刷电路板）表面处理是PCB制造和组装过程中至关重要的步骤，主要功能有两个：一是保护裸露的铜电路，二是为焊接提供良好的可焊表面。以下是PCB表面处理工艺的全解析：

常见工艺及原理

1. 热风整平（HASL，Hot Air Solder Leveling）

   • 原理：在PCB表面涂覆熔融锡（铅）焊料，并用加热压缩空气整平，形成抗铜氧化且具有良好可焊性的涂层。
   • 优点：成本低，焊接性能佳。
   • 缺点：焊盘不够平整，共面性差，不适合细间距焊盘；含铅的HASL对环境有害。
   • 分类：热风整平分为垂直式和水平式两种，一般认为水平式较好，主要是水平式热风整平镀层比较均匀，可实现自动化生产。

2. 有机涂覆（OSP）

   • 原理：在裸铜表面通过化学方法生成一层有机保护膜，防止铜氧化，保护PCB焊盘的可焊性。
   • 优点：环保，不存在铅污染问题；工艺简单，成本低廉，业界使用广泛；能产生非常光滑的表面，适合无铅焊接和表面贴装技术。
   • 缺点：检查困难，OSP透明无色，难以辨别是否已处理；不导电，影响电气测试；焊接时需要更强的助焊剂；不能长时间存放。

3. 化学镀镍/浸金（ENIG）

   • 原理：通过化学方法在铜表面镀上镍和金，镍层形成阻隔层，金层防止镍氧化。
   • 优点：表面平整度好，适合用于按键接触面；可焊性极佳；长期储存能力强；抗氧化，可在PCB长期使用过程中保持良好电性能。
   • 缺点：工艺过程复杂，控制要求严格；易产生黑盘效应，影响焊点可靠性；成本较高，焊接强度较弱。

4. 化学镀钯

   • 原理：在镍和金之间加入一层钯，以防止腐蚀现象。
   • 优点：可以替代ENIG，提供更好的耐腐蚀性；焊接可靠性、热稳定性好。
   • 缺点：钯的价格昂贵，且是一种短缺资源；工艺控制要求同样严格。

5. 浸银

   • 原理：通过浸银工艺处理，银沉积提供一层保护膜。
   • 优点：表面平整，可焊性好；工艺较简单、快速；即使在热、湿和污染的环境中，仍能提供很好的电性能和保持良好的可焊性。
   • 缺点：会失去光泽，不具备ENIG的物理强度；存在电子迁移问题，在潮湿环境下可能会出现问题。

6. 浸锡

   • 原理：采用浸锡工艺处理，提高表面平整度。
   • 优点：表面平整度好，无铅，具有好的热稳定性和可焊性；与任何类型的焊料相匹配，极具发展前景。
   • 缺点：寿命短，特别是在高温高湿环境下；不可存储太久，表面会形成一层氧化锡，影响焊接效果。

7. 电镀镍金

   • 原理：在PCB表面导体先电镀上一层镍之后再电镀上一层金，镀镍主要是防止金和铜之间的扩散。
   • 分类：分为镀软金（纯金，金表面看起来不亮）和镀硬金（表面平滑坚硬，耐磨，含有钴等其它元素，表面看起来较光亮）。
   • 应用：软金主要用于芯片封装时打金线；硬金主要用在非焊接处的电性互连（如金手指）。
   • 缺点：正常情况下，焊接会导致电镀金变脆，缩短使用寿命，因而要避免在电镀金上进行焊接（但化学镀镍/浸金由于金很薄且一致，变脆现象很少发生）。

8. LF-HASL（无铅热风整平）

   • 原理：使用无铅锡合金进行表面涂层，以满足环保要求。
   • 优点：环保，价格适中且焊接性能良好。
   • 缺点：对于细间距的引脚和小型元器件的焊接可能存在一定的困难。

选择因素

在选择PCB表面处理工艺时，需综合考虑以下因素：

1. 应用需求：根据PCB的具体应用场景和性能需求选择合适的工艺。例如，对于需要高焊接性能的PCB，可以选择热风整平或浸锡工艺；对于需要长期储存的PCB，可以选择化学镀镍/浸金或有机涂覆工艺。
2. 成本：不同表面处理工艺的成本差异较大，需根据产品定价和市场需求进行权衡。一般来说，电镀和化学镀等工艺成本相对较高，而有机涂覆等简单工艺则成本较低。
3. 环保要求：随着全球环保意识的提高，无铅、无卤等环保要求逐渐成为行业标准。因此，在选择表面处理工艺时，需要考虑其是否符合相关环保法规和客户要求。
4. 生产效率和自动化程度：一些先进的表面处理工艺可以实现高度自动化生产，提高生产效率并降低人工成本。在选择时需要考虑生产线的实际情况和升级改造成本。

总之，PCB表面处理工艺多种多样，每种工艺都有其独特的优点和局限性。在选择时，需根据产品的具体应用场合和性能需求进行综合考虑。