W związku z ciągłym doskonaleniem wymagań człowieka wobec środowiska życia, problemy środowiskowe związane z procesem produkcji PCB są szczególnie widoczne.Obecnie ołów i brom to najgorętsze tematy;Bezołowiowe i bezhalogenowe wpłynie na rozwój PCB w wielu aspektach.Chociaż obecnie zmiany w procesie obróbki powierzchni PCB nie są duże, co wydaje się być odległe, należy zauważyć, że długofalowe powolne zmiany doprowadzą do wielkich zmian.Wraz z rosnącymi wezwaniami do ochrony środowiska, proces obróbki powierzchniowej PCB z pewnością zmieni się dramatycznie w przyszłości.
Cel obróbki powierzchni
Najbardziej podstawowym celem obróbki powierzchni jest zapewnienie dobrej lutowalności lub wydajności elektrycznej.Ponieważ miedź w naturze zwykle występuje w postaci tlenku w powietrzu, jest mało prawdopodobne, aby pozostała oryginalną miedzią przez długi czas, dlatego należy ją traktować w inny sposób.Chociaż w kolejnym montażu można użyć silnego topnika do usunięcia większości tlenków miedzi, sam silny topnik nie jest łatwy do usunięcia, więc przemysł na ogół nie używa silnego topnika.
Wspólny proces obróbki powierzchni
Obecnie istnieje wiele procesów obróbki powierzchni PCB, powszechne z nich to wyrównywanie gorącym powietrzem, powlekanie organiczne, bezprądowe niklowanie / zanurzanie w złocie, zanurzanie w srebrze i zanurzanie w cynie, które zostaną przedstawione jeden po drugim.
1. Poziomowanie gorącym powietrzem
Wyrównywanie gorącym powietrzem, znane również jako wyrównywanie gorącym powietrzem, to proces powlekania stopionego lutowia cynowo-ołowiowego na powierzchni PCB i wyrównywania (przedmuchiwania) podgrzanym sprężonym powietrzem w celu utworzenia warstwy powłoki, która jest odporna na utlenianie miedzi i zapewnia dobrą lutowność .Po wyrównaniu gorącym powietrzem lut i miedź tworzą na styku związek międzymetaliczny miedzi i cyny.Grubość lutowia chroniącego powierzchnię miedzi wynosi około 1-2 mil.PCB należy zanurzyć w stopionym lutowiu podczas wyrównywania gorącym powietrzem;Nóż powietrzny wydmuchuje płynny lut, zanim lut zestali się;Nóż wiatrowy może zminimalizować menisk lutowia na powierzchni miedzi i zapobiec mostkowaniu lutowia.Poziomowanie gorącym powietrzem dzieli się na typ pionowy i typ poziomy.Ogólnie rzecz biorąc, typ poziomy jest lepszy, głównie dlatego, że pozioma powłoka wyrównująca gorącym powietrzem jest bardziej jednolita i może realizować automatyczną produkcję.Ogólny proces wyrównywania gorącym powietrzem to: Mikrotrawienie → podgrzewanie → powlekanie topnikiem → natryskiwanie cyny → czyszczenie.
2. Powłoka organiczna
Proces powlekania organicznego różni się od innych procesów obróbki powierzchni tym, że działa jako warstwa barierowa między miedzią a powietrzem;Proces powlekania organicznego jest prosty, a koszt niski, co sprawia, że jest szeroko stosowany w przemyśle.Wczesne organiczne cząsteczki powłoki to imidazol i benzotriazol, które pełnią funkcję antykorozyjną.Najnowszą cząsteczką jest głównie benzimidazol, czyli miedź, która chemicznie wiąże azotową grupę funkcyjną z PCB.W kolejnym procesie spawania, jeśli na powierzchni miedzi jest tylko jedna warstwa powłoki organicznej, musi być wiele warstw.Dlatego do zbiornika chemikaliów zwykle dodaje się płynną miedź.Po pokryciu pierwszej warstwy warstwa powlekająca adsorbuje miedź;Następnie cząsteczki powłoki organicznej drugiej warstwy są łączone z miedzią, aż 20 lub nawet setki cząsteczek powłoki organicznej zostaną skoncentrowane na powierzchni miedzi, co może zapewnić wielokrotne lutowanie rozpływowe.Test pokazuje, że najnowszy proces powlekania organicznego może utrzymać dobrą wydajność w wielu procesach spawania bezołowiowego.Ogólnym procesem procesu powlekania organicznego jest odtłuszczanie → mikrotrawienie → wytrawianie → czyszczenie czystą wodą → powlekanie organiczne → czyszczenie, a kontrola procesu jest łatwiejsza niż inne procesy obróbki powierzchni.
3. Bezprądowe niklowanie / zanurzenie w złocie: bezprądowe niklowanie / zanurzenie w złocie
W przeciwieństwie do powłoki organicznej, bezprądowe niklowanie / zanurzenie w złocie wydaje się nakładać gruby pancerz na PCB;Ponadto proces bezprądowego niklowania / zanurzania w złocie nie przypomina powłoki organicznej jako warstwy bariery antykorozyjnej, co może być przydatne w długotrwałym użytkowaniu PCB i zapewniać dobrą wydajność elektryczną.Dlatego bezprądowe niklowanie / zanurzenie w złocie polega na owinięciu grubej warstwy stopu niklu i złota o dobrych właściwościach elektrycznych na powierzchni miedzi, co może chronić PCB przez długi czas;Ponadto ma również tolerancję na środowisko, której nie mają inne procesy obróbki powierzchni.Powodem niklowania jest to, że złoto i miedź będą się wzajemnie dyfundować, a warstwa niklu może zapobiegać dyfuzji między złotem i miedzią;Jeśli nie ma warstwy niklu, złoto dyfunduje do miedzi w ciągu kilku godzin.Kolejną zaletą bezprądowego niklowania / zanurzenia w złocie jest wytrzymałość niklu.Tylko nikiel o grubości 5 mikronów może ograniczyć rozszerzanie się w kierunku Z w wysokiej temperaturze.Ponadto bezprądowe niklowanie / zanurzanie w złocie może również zapobiec rozpuszczaniu się miedzi, co będzie korzystne dla montażu bezołowiowego.Ogólny proces bezprądowego niklowania / ługowania złota to: czyszczenie kwasem → mikrotrawienie → prepreg → aktywacja → bezprądowe niklowanie → chemiczne ługowanie złota.Jest to głównie 6 zbiorników chemicznych, w których znajduje się blisko 100 chemikaliów, więc sterowanie procesem jest stosunkowo trudne.
4. Proces zanurzania w srebrze srebrnego zanurzenia
Pomiędzy powłoką organiczną a bezprądowym zanurzeniem w niklu / złocie proces jest stosunkowo prosty i szybki;Nie jest tak skomplikowany, jak niklowanie bezprądowe / zanurzanie w złocie, ani nie jest grubym pancerzem dla PCB, ale nadal może zapewnić dobrą wydajność elektryczną.Srebro jest młodszym bratem złota.Nawet pod wpływem ciepła, wilgoci i zanieczyszczeń srebro może nadal zachowywać dobrą lutowność, ale traci połysk.Zanurzenie w srebrze nie ma dobrej wytrzymałości fizycznej niż niklowanie bezprądowe / zanurzenie w złocie, ponieważ pod warstwą srebra nie ma niklu.Ponadto impregnacja srebrem ma dobre właściwości magazynowe i nie będzie większych problemów, gdy zostanie oddana do montażu przez kilka lat po impregnacji srebrem.Zanurzenie w srebrze jest reakcją wypierania, która jest niemal submikronową powłoką z czystego srebra.Czasami w procesie zanurzania srebra włączane są niektóre substancje organiczne, głównie po to, aby zapobiec korozji srebra i wyeliminować migrację srebra;Generalnie trudno jest zmierzyć tę cienką warstwę materii organicznej, a analiza pokazuje, że waga organizmu wynosi mniej niż 1%.
5. Zanurzenie w cynie
Ponieważ wszystkie luty są oparte na cynie, warstwa cyny może pasować do każdego rodzaju lutu.Z tego punktu widzenia proces zanurzania w cynie ma duże perspektywy rozwoju.Jednak w przeszłości na PCB pojawiały się wiskery cyny po procesie zanurzania cyny, a migracja wiskerów cyny i cyny podczas procesu zgrzewania powodowałaby problemy z niezawodnością, więc zastosowanie procesu zanurzania cyny było ograniczone.Później do roztworu zanurzeniowego w cynie dodano dodatki organiczne, które mogą sprawić, że struktura warstwy cyny nabierze struktury ziarnistej, przezwycięży poprzednie problemy, a także będzie mieć dobrą stabilność termiczną i lutowność.Proces zanurzania cyny może tworzyć płaski związek międzymetaliczny miedzi i cyny, co sprawia, że zanurzanie cyny ma taką samą dobrą lutowność jak wyrównywanie gorącym powietrzem, bez bólu głowy związanego z płaskością wywołaną wyrównywaniem gorącym powietrzem;Zanurzenie w cynie nie ma również problemu z dyfuzją między metalami bezprądowymi niklowanymi / złotymi – związki międzymetaliczne miedzi i cyny można mocno łączyć.Blaszanej płytki zanurzeniowej nie należy przechowywać zbyt długo, a montaż należy przeprowadzić zgodnie z kolejnością zanurzania w cynie.
6. Inne procesy obróbki powierzchni
Inne procesy obróbki powierzchni są mniej stosowane.Przyjrzyjmy się procesom platerowania niklem i bezprądowym palladem, które są stosunkowo częściej stosowane.Niklowanie jest twórcą technologii obróbki powierzchni PCB.Pojawił się od czasu pojawienia się PCB i od tego czasu stopniowo ewoluował w inne metody.Polega na pokryciu najpierw warstwą niklu na przewodniku powierzchni PCB, a następnie warstwą złota.Niklowanie ma przede wszystkim zapobiegać dyfuzji złota i miedzi.Istnieją dwa rodzaje złocenia niklowego: złocenie miękkie (czyste złoto, powierzchnia złota nie wygląda jasno) i złocenie twarde (powierzchnia jest gładka i twarda, odporna na zużycie, zawiera kobalt i inne pierwiastki oraz powierzchnia złota wygląda jasno).Miękkie złoto jest używane głównie do wytwarzania złotych drutów podczas pakowania chipów;Twarde złoto jest używane głównie do połączeń elektrycznych w miejscach nielutowanych.Biorąc pod uwagę koszty, przemysł często przeprowadza selektywne powlekanie poprzez transfer obrazu, aby zmniejszyć zużycie złota.
Obecnie w przemyśle stale wzrasta zastosowanie selektywnego złocenia, co wynika głównie z trudności w kontroli procesu bezprądowego niklowania / ługowania złota.W normalnych warunkach spawanie prowadzi do kruchości pozłacanego złota, co skróci żywotność, dlatego należy unikać spawania na pozłacanym złocie;Jednakże, ponieważ złoto w niklowaniu bezprądowym / zanurzeniu w złocie jest bardzo cienkie i spójne, kruchość występuje rzadko.Proces bezprądowego powlekania palladem jest podobny do bezprądowego powlekania niklem.Głównym procesem jest redukcja jonów palladu do palladu na powierzchni katalitycznej za pomocą środka redukującego (takiego jak diwodorofosforyn sodu).Nowo wytworzony pallad może stać się katalizatorem promującym reakcję, dzięki czemu można uzyskać dowolną grubość powłoki palladowej.Zaletami bezprądowego powlekania palladem są dobra niezawodność spawania, stabilność termiczna i płaskość powierzchni.
cztery
Wybór procesu obróbki powierzchni
Wybór procesu obróbki powierzchni zależy głównie od rodzaju finalnie zmontowanych elementów;Proces obróbki powierzchni wpłynie na produkcję, montaż i ostateczne wykorzystanie PCB.Poniżej szczegółowo przedstawimy przypadki użycia pięciu powszechnych procesów obróbki powierzchni.
1. Poziomowanie gorącym powietrzem
Wyrównywanie gorącym powietrzem kiedyś odgrywało wiodącą rolę w procesie obróbki powierzchni PCB.W latach 80. ponad trzy czwarte PCB wykorzystywało technologię poziomowania gorącym powietrzem, ale przemysł ograniczał stosowanie technologii poziomowania gorącym powietrzem w ostatniej dekadzie.Szacuje się, że około 25% - 40% PCB wykorzystuje obecnie technologię poziomowania gorącym powietrzem.Proces wyrównywania gorącym powietrzem jest brudny, śmierdzący i niebezpieczny, więc nigdy nie był ulubionym procesem.Jednak poziomowanie gorącym powietrzem jest doskonałym procesem w przypadku większych elementów i przewodów o większych odstępach.W PCB o dużej gęstości, płaskość poziomowania gorącym powietrzem wpłynie na późniejszy montaż;Dlatego też proces poziomowania gorącym powietrzem nie jest generalnie stosowany w przypadku płyt HDI.Wraz z postępem technologii w przemyśle pojawił się proces niwelacji gorącym powietrzem odpowiedni do montażu QFP i BGA o mniejszych rozstawach, ale rzadko jest on stosowany w praktyce.Obecnie niektóre fabryki stosują powłokę organiczną i bezprądowy proces zanurzania niklu / złota w celu zastąpienia procesu poziomowania gorącym powietrzem;Rozwój technologiczny skłonił również niektóre fabryki do przyjęcia procesów impregnacji cyną i srebrem.Ponadto trend bezołowiowy w ostatnich latach jeszcze bardziej ograniczył stosowanie wyrównywania gorącym powietrzem.Chociaż pojawiło się tak zwane bezołowiowe wyrównywanie gorącym powietrzem, może ono wiązać się z kompatybilnością urządzeń.
2. Powłoka organiczna
Szacuje się, że obecnie około 25% - 30% PCB wykorzystuje technologię powlekania organicznego, a odsetek ten rośnie (prawdopodobnie obecnie powłoka organiczna przewyższyła w pierwszej kolejności poziomowanie gorącym powietrzem).Proces powlekania organicznego może być stosowany na PCB low-tech i high-tech PCB, takich jak jednostronne PCB TV i płytki do pakowania chipów o dużej gęstości.W przypadku BGA szeroko stosowana jest również powłoka organiczna.Jeśli PCB nie ma wymagań funkcjonalnych dotyczących połączenia powierzchni lub okresu przechowywania, powłoka organiczna będzie najbardziej idealnym procesem obróbki powierzchni.
3. Bezprądowe niklowanie / zanurzenie w złocie: bezprądowe niklowanie / zanurzenie w złocie
W przeciwieństwie do powłoki organicznej jest on stosowany głównie na płytach o wymaganiach funkcjonalnych połączenia i długim okresie przechowywania na powierzchni, takich jak kluczowy obszar telefonów komórkowych, obszar połączenia krawędzi obudowy routera i obszar styku elektrycznego elastycznego połączenia chipa procesory.Ze względu na płaskość wyrównywania gorącym powietrzem i usunięcie organicznego topnika powłokowego, w latach 90. szeroko stosowano bezprądowe niklowanie / zanurzanie w złocie;Później, ze względu na pojawienie się czarnego dysku i kruchego stopu niklu i fosforu, ograniczono stosowanie bezprądowego procesu niklowania / zanurzania złota.Jednak obecnie prawie każda zaawansowana technologicznie fabryka PCB ma linie do bezprądowego niklowania / zanurzania złota.Biorąc pod uwagę, że złącze lutowane stanie się kruche podczas usuwania związku międzymetalicznego miedzi i cyny, wiele problemów pojawi się przy stosunkowo kruchym związku międzymetalicznym niklu i cyny.Dlatego prawie wszystkie przenośne produkty elektroniczne (takie jak telefony komórkowe) wykorzystują połączenia lutowane międzymetaliczne miedzi i cyny utworzone przez powłokę organiczną, zanurzenie w srebrze lub zanurzenie w cynie, podczas gdy bezprądowe niklowanie / zanurzenie w złocie służy do tworzenia kluczowych obszarów, obszarów styku i ekranowania EMI obszary.Szacuje się, że obecnie około 10% - 20% PCB wykorzystuje proces bezprądowego niklowania / zanurzania w złocie.
4. Zanurzenie w srebrze
Jest tańszy niż bezprądowe niklowanie / zanurzanie w złocie.Jeśli PCB ma wymagania funkcjonalne połączeń i musi obniżyć koszty, dobrym wyborem jest srebrne zanurzenie;Oprócz dobrej płaskości i kontaktu srebrnej immersji, należy wybrać proces srebrnej immersji.Zanurzenie w kolorze srebrnym jest szeroko stosowane w produktach komunikacyjnych, samochodach, komputerowych urządzeniach peryferyjnych, a także w projektowaniu szybkich sygnałów.Impregnacja srebrem może być również stosowana w sygnałach o wysokiej częstotliwości ze względu na doskonałe właściwości elektryczne, nieporównywalne z innymi rodzajami obróbki powierzchni.EMS zaleca proces zanurzania w srebrze, ponieważ jest łatwy w montażu i zapewnia dobrą kontrolę.Jednak ze względu na defekty, takie jak nalot i dziura po lutowaniu w srebrze, jego wzrost jest powolny (ale nie zmniejszony).Szacuje się, że obecnie około 10% - 15% PCB stosuje proces impregnacji srebrem.
5. Zanurzenie w cynie
Cyna jest wprowadzana do procesu obróbki powierzchni od blisko dekady, a pojawienie się tego procesu jest wynikiem wymagań automatyzacji produkcji.Zanurzenie w cynie nie wprowadza żadnych nowych elementów do złącza lutowniczego, co jest szczególnie przydatne w przypadku płyty komunikacyjnej.Cyna traci lutowność po okresie przechowywania płytki, dlatego do zanurzenia w cynie wymagane są lepsze warunki przechowywania.Ponadto stosowanie procesu zanurzania w cynie jest ograniczone ze względu na obecność czynników rakotwórczych.Szacuje się, że obecnie około 5% - 10% PCB stosuje proces zanurzania w cynie.V Konkluzja przy coraz wyższych wymaganiach klientów, coraz ostrzejszych wymaganiach środowiskowych i coraz większej liczbie procesów obróbki powierzchni, wydaje się nieco myląca i myląca wybór procesu obróbki powierzchni z perspektywami rozwoju i większą wszechstronnością.Nie da się dokładnie przewidzieć, w jakim kierunku pójdzie technologia obróbki powierzchni PCB w przyszłości.W każdym razie w pierwszej kolejności należy spełnić wymagania klienta i chronić środowisko!