PCB表面成型的介绍和比较

来源:汽车电子硬件设计发布时间:2022-04-131404浏览

制作制板说明书时，应注意以下事项：PCB基板材料，阻焊剂，丝网印刷，表面成型，电路板尺寸和厚度，铜厚度，盲孔和埋孔，通孔电镀，SMT，面板，公差等在实际制造电路板之前要考虑到这一点。在这些项目中，表面成型的选择属于第一类，因为表面成型对提高电子产品的可靠性起着极其重要的作用。由于PCB上的铜层很容易被氧化，因此生成的铜氧化层会严重降低焊接质量，从而降低最终产品的可靠性和有效性。表面成型具有导电性，可防止焊盘氧化，并确保出色的可焊性和电性能。

表面成型或表面涂层是PCB板制造和电路卡组装之间过程中最重要的一步，具有两个主要功能，其中之一是保留裸露的铜电路，另一个是在焊接时提供可焊接的表面组件连接到PCB.如图1所示，表面成型位于PCB的最外层且在铜之上，起到铜的“涂层”作用。

表面成型的类型

基本上，有两种主要类型的表面成型：金属的和有机的。HASL，ENIG / ENEPIG，沉金和沉锡均属于金属表面成型，而OSP和碳墨均属于有机表面成型。

•HASL（热空气焊料调平）

HASL是一种应用于pcb的传统表面处理方法。PCB通常浸在熔化的焊锡中，这样所有裸露的铜表面都被焊锡覆盖。多余的焊锡通过热风刀之间的PCB去除。通常，HASL遵循如下图2所示的过程:

HASL表面成型的优点

HASL表面成型的缺点

•组件焊接过程中具有良好的润湿性；

• 避免了铜质腐蚀，

• 垂直调平机的平面性低导致HASL不能接受精细的部件；

• 工艺过程中的高热应力会导致电路板出现缺陷；

为了符合有关环境保护的规定，HASL分为两个子类别：有铅HASL和无铅HASL。后者符合欧盟最初采用的RoHS（有害物质限制）法规和法律。

•ENIG和ENEPIG

ENIG是化学镀镍的缩写，由化学镀镍和浸入金的薄层组成，可保护镍免受氧化。ENEPIG，也称为化学镍化学镀钯金，与ENIG的不同之处在于，钯层用作电阻层，可阻止镍氧化和扩散到铜层。与其他类型的表面成型相比，ENIG和ENEPIG可为PCB提供最高的可焊性，但成本要高得多。ENIG和ENEPIG的制造工艺之间的差异可以在下面的图3中找到。

化学镍步骤是一种自动催化过程，包括在钯催化的铜表面上沉积镍。必须补充含有镍离子的还原剂，以提供产生均匀涂层所需的适当浓度，温度和酸度。在浸金步骤中，金通过分子交换粘附在镀镍区域，这将保护镍直至焊接过程。金的厚度需要满足一定的公差，以确保镍保持其可焊性。

ENIG和ENEPIG分别有其优点和缺点。例如，ENIG具有平坦的表面，简单的工艺机制和耐高温性，而ENEPIG具有出色的多次回流循环能力，并具有高度可靠的引线键合能力。根据ENIG和ENEPIG之间的比较，可以将它们应用于不同的应用中以实现不同的目的。ENIG适用于无铅焊接，SMT（表面安装技术），BGA（球栅阵列）封装等。而ENEPIG能够满足包括THT（通孔技术），SMT，BGA在内的多种封装的严格要求，引线键合，压入配合等。

•ImAg（浸银）

ImAg由在铜导线上的薄浸银镀层组成。通常，ImAg遵循以下步骤：

ImAg表面成型的优点

ImAg表面成型的缺点

•平整；

•短而容易的过程周期；

•价格便宜；

•高导电性；

•适用于小间距产品；

•铜/锡焊点；

•可重复加工；

•不影响孔的大小；

•失去光泽；

•白银迁移；

•平面微空隙；

•蠕变腐蚀；

ImAg是用于焊接和测试的良好表面成型类型。蠕变腐蚀是其主要缺点。

•ImSn（浸锡）

ImSn与ImAg基本相同，不同之处在于ImSn中使用锡，而ImAg中使用银。就ImSn的优势而言，它在铜焊盘上提供了极其平坦的表面成型，使其非常适合SMT应用。此外，ImSn还提供了一种可以通过常见的自动光学检测技术轻松检测到的表面。

•OSP（有机可焊性防腐剂）

OSP是一种参与了透明有机材料的表面成型。它使用一种水基有机化合物，该有机化合物选择性地结合到铜上并保护铜直到焊接为止。通常，OSP遵循以下过程：

OSP表面成型的优点

OSP表面成型的缺点

•平整/平面；•短而容易的过程周期；•价格便宜；•可重做；•不影响成品孔尺寸；•铜/锡焊点；

•不耐多次回流；•有限的保质期；•不导电；•难以检查；•有限的热循环；

上面的描述无法解释有关OSP的任何内容。您可以参考关于OSP几乎不了解的文章，以获取OSP表面成型技术的更多详细信息。

总而言之，每种类型都有其自身的优点和缺点。您应该根据电子产品的使用目的，性能要求，成本，耐腐蚀性，ICT（在线测试），孔填充等选择最合适的表面成型。选择过程中考虑的项目越多，精度越高。

一般来说，就成本而言，比较这些类型的表面成型，ImAg和OSP最便宜，而ENIG最昂贵。就耐腐蚀性而言，HASL和ImSn具有最佳的耐腐蚀性，而ImAg具有最差的耐腐蚀性。就ICT而言，只有OSP最差，而其他OSP则同样好。在空洞填充方面，HASL和ENIG优于其他类型。

表面成型选择

PCB的表面成型选择是PCB制造中最重要的步骤，因为它直接影响工艺良率，返工数量，现场故障率，测试能力，报废率和成本。关于组装的所有重要考虑因素都必须纳入表面成型的选择中，以确保最终产品的高质量和高性能。

在PCB组装过程中，不同位置的人对如何选择表面成型有不同的看法，如下图所示：

显然，不同职位的人有不同的选择标准。无论选择哪种类型，它都只满足人们的需求和便利，而很少考虑PCB和PCB组件的质量，性能和可靠性。

根据上述每种类型的表面成型的介绍，某些属性是最重要的选择标准。下表显示了每种类型的表面成型的“具有”和“不具有”的属性。根据PCB产品的特定要求和功能，您可以按照此表选择理想的表面成型选项。

项目

HASL

ENIG

ENEPIG

ImAg

ImSn

OSP

产品成本敏感

√

需要大批量

√

表面成型的化学品

√

无铅波峰焊

√

使用的细间距组件

√

引线键合至表面成型的要求

√

高产量ICT

√

无铅冲击/跌落

√

腐蚀失效的可能性

√

总而言之，对于表面成型选择的类型，必须选择最佳类型，并且可以实现众多功能。每种类型的表面成型都有其自身的优点和缺点。但是不用担心。有一些工程上的技巧可以解决由于表面成型引起的问题。例如，对于OSP润湿力较低的缺点，可以使用一些解决方案，例如更改板的可焊性镀层或波峰焊合金，增加顶侧预热等。关键点是必须按顺序考虑所有可能的元素。获得理想的性能。

如今，环境问题在电子领域变得越来越重要。为了限制产生的有害物质，欧盟已发布了RoHS。RoHS，也称为无铅，代表有害物质限制。RoHS，也称为Directive 2002/95 / EC，起源于欧盟，并限制使用在电气和电子产品中发现的六种有害物质。自2006年7月1日起，所有在欧盟市场上适用的产品都必须通过RoHS认证。RoHS影响整个电子行业以及许多电气产品。因此，未来无铅焊料的表面成型将有更多的关注者。

ENIG和ENEPIG之间的比较

在PCB制造过程中应用的技术中，那些有助于表面成型的技术在PCB组装以及其中应用了电路板的电子产品的应用中起着至关重要的作用。

PCB上的铜层容易在空气中被氧化，从而易于产生铜氧化，这将严重降低焊接质量。但是，表面成型能够阻止铜垫氧化，因此可以保证出色的可焊性和相应的电气性能。市场对电子设备的小型化，更高的功能性和可靠性的不断增长的市场需求将PCB推向薄，轻量，高密度和更高的信号传输速度。因此，表面成型必须在稳定性和可靠性方面接受即将到来的挑战，以与上述开发要求兼容。

此外，基于对环境友好型可持续发展意识的增强，涉及PCB表面成型的环境污染问题正日益引起全球关注。欧盟制定的RoHS（有害物质限制）和WEEE（废弃电气电子设备）法规旨在消除电子产品中的铅和汞等有害物质，要求绿色或无铅的PCB表面生产结束。ENIG（化学镀镍沉金）和ENEPIG（化学镀镍沉金）作为一种表面成型，不仅可以满足PCB市场所要求的技术要求，而且还可以根据无铅焊料的趋势进行调整，因此发展潜力。

然而，人们很难分辨出ENIG和ENEPIG之间的区别，更不用说知道何时依赖哪个。本文的以下内容将提供ENIG和ENEPIG的定义及其制造工艺，讨论它们的优缺点，目的是提供在特定情况下何时使用每种成型的指南。

表面成型选择注意事项

到目前为止，公认的主要表面成型为HASL（热风焊料调平），OSP（有机焊料防腐剂），浸锡，浸金，ENIG和ENEPIG。面对具有各自优点和缺点的不同表面成型，当您选择一种与您的产品兼容的类型时，是否遭受了剧烈的痛苦？实际上，无论您的PCB产品类型是什么或必须满足什么要求，您对表面成型的选择都必须基于成本，最终产品的应用环境，细间距组件，无铅或无铅，RF应用中的考虑因素。（高频率可能性），保质期，抗冲击和跌落，热阻，体积和产量。

因此，上面提到的考虑元素可以作为您最终决定PCB表面成型的参考之一。当然，这些项目永远不可能是具有同等重要性的平均重要性。然后，在你准备好依赖这个列表并考虑你具体的产品情况之前，应该澄清每个项目的重要性程度。

ENIG和ENEPIG的出现

早在20世纪90年代，由于PCB向更好的线路和微孔的发展，加上HASL和OSP的突出缺点，如前者的平坦性问题和后者的通量消除问题，ENIG开始被用作PCB制造中表面抛光的另一种替代方案。

为了击败黑镍板，ENIG的主要弱点，ENEPIG作为ENIG的升级版问世。通过在化学镍和浸金之间添加镀钯，ENEPIG会包含一层电阻薄层，其厚度通常在0.05μm至0.1μm的范围内。钯层在阻止浸金技术腐蚀镍层方面发挥了作用。结果，ENEPIG能够克服由ENIG保持的黑垫的缺陷。此外，ENEPIG具有高度可靠的引线键合能力，出色的多次回流焊接能力以及包含开关触点表面的特性，使其能够同时满足高密度PCB和多表面封装的严格要求。基于这些优点，ENEPIG也被称为通用表面成型。

ENIG和ENEPIG的优缺点

在1990年代，随着PCB细线和HASL（热空气焊料调平）的微孔和平面度问题以及OSP（有机可焊性防腐剂）的消除焊锡问题的发展趋势，ENIG技术开始在PCB制造中被广泛使用。

与ENIG相比，ENEPIG技术早在1980年代就已应用于PCB制造。然而，由于ENEPIG成本高且产品对表面成型要求低，因此并未得到广泛使用和推广。目前，对小型化，薄型化和多功能的要求为ENEPIG提供了更多机会。

下表显示了ENIG和ENEPIG的优点。

ENIG

ENEPIG

好处

•易于加工的机制

•平坦的表面

•良好的抗氧化性

•良好的电性能

•耐高温

•良好的热扩散性

•保质期长

•无集肤效应

•可用于未经处理的接触表面

•无铅

•出色的多次回流循环

•能够确保良好的可焊性

•高度可靠的引线键合能力

•表面作为键触点

•与Sn-Ag-Cu焊料高度兼容

•适用于多种封装，尤其是具有多种封装类型的PCB

•无黑色垫

ENEPIG技术是在ENIG技术的基础上发展而来的，其中添加了钯层，因此其性能得到了极大的提高。理由是：a.具有致密膜结构的钯层完全覆盖在镍层上，钯层中的磷含量低于镍层中的普通含量，从而避免了黑镍的产生条件，并且消除了黑垫的可能性。b.钯的熔点为1,554℃，高于金的熔点（1,063℃）。因此，钯在高温下的熔化速度相对较慢，并且具有足够的时间来产生用于保护镍层的电阻层。c.钯比金具有更高的硬度，从而提高了焊料的可靠性，引线键合能力和减摩性能。d.锡钯合金具有最强的防腐能力，能够阻止由一次电池腐蚀引起的蠕变腐蚀，从而可以延长使用寿命。e。钯的使用能够减小金层的厚度，与ENIG相比，其成本降低了60％。

每个硬币都有两个面。除了优点之外，ENIG和ENEPIG也有一些缺点。

ENIG

ENEPIG

缺点

•受电镀条件和整个过程控制的影响

•受化学镀镍和金的厚度的影响

•电镀液的电镀面积受金属面积大小的影响

•相对较低的润湿性

•容易产生黑垫

•大大降低了焊点的可靠性

•集肤效应

•由于钯层太厚，降低了可焊性

•较慢润湿

•成本高

具有成本效益的表面成型的措施

根据ENIG和ENEPIG的优缺点，当首先考虑可靠性时，选择ENEPIG作为更好的解决方案是很自然的。但是，其较高的成本阻止了一些公司牺牲一些收入。但是，由于我们已采取措施消除应用ENIG的黑色焊盘问题，因此您完全可以获得质量与成本之间的最佳平衡。

黑色衬垫随ENIG的出现而诞生。在将金浸入ENIG中的过程中，由于不良操作下的镍腐蚀，容易造成黑色焊盘。过度的镍腐蚀将大大降低润湿性，并降低焊接性能，当焊料与腐蚀的镍表面粘接时，焊料必须承受更大的应力。最终，用于焊料和镍之间接触的接触层会破裂，并产生黑色的镍表面，称为黑色焊盘。

由于ENIG包含化学镀金层，因此很难总结是否存在黑垫。除非通过化学方法将金从表面上剥离下来，否则镍将不会被暴露。另外，在镍和金的接触处（焊接前）和焊料与镍的接触处（焊接后）将形成富含P的镍层。这实际上是自然现象，并且与黑垫无关。

导致黑垫的主要原因有两个方面。首先，技术实施受到这样的不良控制，使得晶体颗粒不均匀地生长，并且在具有低质量产生的镍膜的晶体颗粒之间发生许多裂纹。其次，实施金浸没需要很长时间，以致在镍表面上容易产生腐蚀并产生裂纹。

在影响化学镀镍的所有元素中，阻焊层脱颖而出的原因如下：

原因1：阻焊层的交叉键合和刚性不足，容易在铜表面留下污染物，从而阻止了活化反应的发生。在热的化学镍溶液中，会产生氢气释放出焊料掩膜单体。然后，它禁止化学镍的反应并破坏化学平衡。

原因2：阻焊层不良的表面会导致焊盘表面劣化。

原因3：填充在微通孔中的阻焊层倾向于经历电化学反应，从而将阻止形成均匀的催化表面。

为了成功解决黑垫问题，可以采取三种措施：

措施1：应控制化学镍溶液的pH值。

措施2：必须分析化学镍溶液的稳定剂含量。

措施3：浸金时应停止镍表面腐蚀。

到目前为止，沉金技术的改进已取得了良好的效果。新开发的浸金技术不仅可以减少镍表面的腐蚀，而且还有助于降低成本。与上一代的浸金溶液（pH = 4.5-5.5）相比，新一代的浸金溶液的pH值范围为7.0至7.2，接近中性。中性液体在阻止氢离子腐蚀镍表面方面表现最佳。而且，新一代浸金技术可以在较低的金溶液中实施，这使初始原材料的成本降低了50％至80％，并且对底层的镍影响很小。

当谈到柔性PCB的表面成型时，如果将当前的ENIG直接施加到柔性电路板上，则随着基板弯曲，带有层的镍膜会产生裂纹，这将进一步导致底层铜的裂纹。为了适应柔性板的表面成型要求，新开发的化学镀镍技术能够产生具有柱状结构的镍膜。当基板弯曲时，在表面只能形成微裂纹，并且裂纹不会散布到底层的铜中。

上面列出的所有分析和措施仅适用于ENIG，而ENEPIG则不需要它们作为ENIG的升级版。

实际上，上述措施是由PCB制造商积累并测试的，可以满足客户对高可靠性和低成本的需求。一旦选择了ENIG，即使由于我们以客户为导向的原则而存在“严重”缺陷，我们仍然有责任确保其质量。

ENIG和ENEPIG之间的应用比较

ENIG和ENEPIG应用领域因其独特的优势而有所不同。ENIG适用于无铅焊接，SMT（表面安装技术），BGA（球栅阵列）封装等。ENIG能够提供的行业和产品包括数据/电信，高端消费者，航空航天，军事和高性能设备和医疗行业。此外，由于其可靠性高，ENIG特别适用于柔性市场。

ENEPIG能够满足多种封装的更严格要求，包括THT（通孔技术），SMT，BGA，引线键合，压配合等。更好的是，ENEPIG还适用于具有不同封装技术的PCB.因此，ENEPIG的应用领域可服务于对密度和可靠性有更高要求的航空航天，军事和高性能设备以及医疗行业。

实际上，PCB板制造商的工作就是为客户提供最优质的产品。作为PCB制造过程中的重要一步，高质量的表面成型绝对决定了电路板的高质量。因此，PCB制造商必须确保表面成型能够满足其所服务的电路板和最终产品所要求的要求。

技术与制造过程

要了解ENIG和ENEPIG的技术和制造工艺可能有些沉闷，但是它可以让您确切地知道这两种表面成型会发生什么。

1）ENIG的技术与制造工艺

ENIG中涉及三层金属结构，包括铜，镍和金。该过程主要包括：铜活化，ENP（化学镀镍）和浸金。

•铜活化

铜活化是在ENP中进行选择性沉积的特权。需要置换反应，以便可以在充当催化表面的铜层上生成钯的薄层。在PCB制造过程中，PdSO4和PdCl2通常用作具有以下反应式的活化剂：

Cu+Pd2+→Cu2++Pd

•ENP

在ENIG技术中，镍层具有两个功能。作为阻挡层，它可以阻止铜和金的相互扩散。另一方面，它会与锡反应，生成优异的IMC（金属间化合物）Ni3Sn4，从而可以确保良好的组装可焊性。在催化表面的作用下，ENP通过与NaH2PO2作为还原剂的氧化还原反应导致镍层的沉积。一旦镍层完全被钯催化表面覆盖，单质镍就使镍沉积继续作为ENP的催化剂。

重要的是要指出的是，通过还原剂的水解所发射的原子状态的活性氢的NaH很重要2PO2，使镍2+还原成镍的单质情况H2PO2-磷的单质。因此，ENIG技术中的ENP层实际上是镍-磷合金层。该步骤的反应公式如下：

ħ2PO2-+ H2O→H ^++ HPO32-+ 2H

Ni2++ 2H→Ni↓+ 2H+

ħ2PO2-+ H→P↓+ OH-+ H2ö

ħ2PO2-+ H2O→H ^2↑+ H++ HPO32-

•沉金

在ENIG技术中，金层的优点是接触电阻低，氧化机会少，强度高和抗磨擦，能够满足电路导电性要求并保护铜层和镍层不被氧化，从而可以保证镍层的可焊性。浸金是指通过置换反应在镍层表面上生成金层，直到生成的金层完全被镍层覆盖后，置换反应才会停止。这就是为什么金层相对较薄。指示该步骤的反应公式如下：

2AU（CN）2+Ni→2AU +Ni2++ 4CN-

2）ENEPIG技术与制造流程

与ENIG不同，ENEPIG采用四层金属结构，包括铜，镍，钯和金。ENEPIG的工艺与ENIG的工艺相同，只是在ENP和浸金之间添加了化学镀钯。

钯层作为阻挡层添加到ENEPIG技术中，阻止了在金沉积和从镍层向金层扩散的过程中溶液引起的镍层腐蚀。同时，由于钯层的致密性以增加可焊性，因此可以将其用作抗氧化层和抗腐蚀层。类似于化学镀镍，化学镀钯通过与作为还原剂的NaH2PO2的氧化还原反应导致钯层的沉积。指示该步骤的反应公式如下：

ħ2PO2-+ H2O→H ^++ HPO32-+ 2H

钯2++ 2H→钯↓+ 2H+

ħ2PO2-+ H→第↓+ OH-+ H2ö