HASL срещу ENIG: Как да изберете подходящата повърхностна обработка на PCB за вашия проект

Въведение

Процесът за повърхностно финиране на печатни платки не само максимизира лепливостта и комплексните характеристики на печатните платки (PCB), но също така формира защитен барие, който предпазва медните повърхности на PCB от окислителна корозия. Това допълнително ефективно удължава общия срок на служба на печатните платки и в крайна сметка гарантира, че доставените продукти PCB напълно отговарят на съответните стандарти, установени от индустрията. В настоящата индустрия съществуват множество процеси за повърхностно финиране, сред които изравняването с топлинен въздушен припой (HASL) и електролитно никелово имерсионно злато (ENIG) са двата основни технологични метода с най-широкото приложение и най-висока честота на използване. И двата процеса притежават свои предимства и недостатъци. Това ръководство ще изследва системно основните различия, техническите характеристики и приложните особености между двата процеса – изравняване с топлинен въздушен припой (HASL) и електролитно никелово имерсионно злато (ENIG). Целта е да ви предостави ясна референтна основа, която ще ви помогне точно да изберете най-подходящия процес за повърхностно финиране на PCB, базиран на вашите конкретни изисквания в етапите на проектиране и производство на PCB.

Значението на повърхностните финиши в проектирането и производството на печатни платки

Повърхностната обработка има критична роля в процесите на проектиране и производство на печатни платки (PCB). Този процес ефективно предпазва оголените медни площи на PCB от окисляване, като предотвратява директния им контакт с въздуха. Изборът на неподходящ метод за повърхностна обработка директно ще компрометира надеждността на лекуващите връзки и неблагоприятно ще повлияе на електрическата проводимост. Върху повърхността на PCB трябва да се нанесе равномерно защитно покритие, за да се осигури образуването на висококачествени лекуващи връзки и да се удължи общият живот на платката.

Технологията за повърхностно монтиране (SMT) е един от основните процеси в производството на електроника. Процесите за обработка на повърхности служат като критична основа, осигуряваща стабилна SMT работа. Те създават гладки и равни повърхности за лепене при SMT приложения, което гарантира стабилно и прецизно поставяне на микроелектронни компоненти. Поради това изборът на подходящ метод за обработка на повърхността директно определя крайния резултат от процеса на производство на PCB и оказва решаващо влияние върху качеството на платката, ефективността на монтажа и крайната надеждност на продукта.

Преглед на Покрития за повърхности на PCB : Типове и приложения

Съществуват много видове процеси за повърхностна обработка на PCB, като всеки притежава уникални предимства и специфично подходящи области на приложение. Поради това при избора на оптималния процес трябва да се вземат предвид множество фактори, включително ограничения по бюджет, срок на годност, работна среда, разстояние между компонентите и съответните регулаторни изисквания.

Най-често използваните методи за повърхностна обработка включват:

1. HASL (Hot Air Solder Leveling)

• HASL с олово : Традиционни процеси, използващи сплави от калай и олово, които постепенно се изваждат от употреба, тъй като не отговарят на изискванията за безопасност и стандарта RoHS.
• HASL без олово : Този процес използва сплав от калай-медь или калай-сребро-медь, които са стандартни компоненти за повечето нови платки.

2. ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold)

• Този процес за повърхностна обработка първо нанася слой безтоково никелово покритие, последван от тънък слой имерсионно злато. Процесът ENIG създава гладка, равна повърхност, което го прави идеален за технологията за монтаж на повърхности (SMT) и компоненти с малък разстояние между изводите.

3. OSP (Органически консервант за лепене)

• OSP е процес за повърхностна обработка, който предпазва медта, като покрива повърхността ѝ с органично съединение преди първото лепене. Този процес е икономически ефективен, но има ограничена издръжливост.

4. Имерсионно калай

• Имерсионното калай, известно още като бяло калайово покритие, може да създаде фини, гладки и равномерни повърхности. То е идеално за технологията за монтаж на повърхности (SMT), но неговият живот е ограничен поради риска от образуване на калайови нишки.

5. Имерсионно сребро

• Тази повърхностна обработка е подобна на имерсионното калай и осигурява отлична лепимост и добри електрически свойства, но повърхността ѝ е склонна към окисляване и промяна на цвета.

6. Твърдо злато (електролитно злато)

• Този процес се използва предимно за краеви конектори като "златни пръсти" и има отлична устойчивост на износване.

7. ENEPIG (безтокоен никел, безтокоен паладий, потопно злато)

• Тази многослойна повърхностна обработка осигурява не само отлична корозионна устойчивост като при ENIG, но също така я прави подходяща за свързване с жички и запояване.

Подробен преглед на HASL повърхностната обработка

Нивелирането с горещ въздух (HASL) остава един от най-широко използваните процеси за повърхностна обработка в производството на печатни платки. Счита се за идеално решение за множество стандартни приложения поради двойните си предимства – икономическа ефективност и надеждна производителност. Особено голямата популярност на HASL при печатни платки със средна до ниска сложност изисква по-задълбочено разглеждане, което ще представя в следващия раздел.

Какво е HASL?

Изравняване с топъл въздух (HASL) е процес за повърхностна обработка, използван при производството на печатни платки (PCB), чиято основна операция включва нанасяне на слой разтопен припой върху медните площи на PCB. Този процес осигурява структурно стабилна и надеждна основа за лепене върху повърхността на плохата, което гарантира гладко изпълнение на последващите операции по лепене. Освен това се създава ефективен защитен слой върху медните повърхности на платката, който предотвратява директния контакт с атмосферния кислород и по този начин ефективно предпазва от окисляване и деградация на платката.

Процес

• Подготвя PCB чрез почистване на медните повърхности.
• Платката се потапя в разтопен припой.
• Изравняването с топъл въздух може да направи повърхността на припоя гладка и да осигури равномерно покритие с припой на оголените медни слоеве.
• Платката се охлажда и се изпраща за окончателна проверка.

Типове HASL

• HASL с олово : Въпреки че този процес все още е разпространен в някои региони и при традиционни приложения, той не отговаря на стандарта RoHS.
• HASL без олово : Това е предпочитаният процес за повърхностна обработка на съвременни екологично чисти електронни продукти и има много широко приложение.

Предимства и недостатъци на HASL

Предимства:

• HASL предлага значителни предимства в отношение на разходите в сравнение с други методи за повърхностна обработка, което го прави идеален за прототипи и масово производство.
• HASL осигурява отлична лепливост за компоненти с преходни отвори и големи SMT компоненти.
• Изглаждане с топлинен въздух (HASL) е идеално за печатни платки, които не изискват висока равнинност или плътно разположение.
• Този метод за повърхностна обработка е лесен за инспекция и поддържа както ръчни, така и автоматизирани методи за идентифициране на дефекти при монтажа.

Недостатъци:

• HASL може да не осигури гладката, равномерна повърхност, необходима за BGA и компоненти с фини разстояния между изводите.
• Независимо дали се използва HASL с олово или без олово, резултатът ще бъде неравномерна дебелина на покритието и шероховатост на повърхността.
• За приложения с висока честота или висока производителност целостта на сигнала и равнинността на повърхността са от решаващо значение и HASL не е оптималният процес за обработка на повърхността на PCB.
• В среди с висока температура или влажност, издръжливостта на HASL покритията е по-ниска в сравнение с други видове повърхностни покрития.
• HASL с олово не отговаря на изискванията за опазване на околната среда и затова се извежда от употреба чрез алтернативни безоловни процеси.

Кога да се използва HASL

• HASL е идеален за проекти, чувствителни към разходите, които използват компоненти с голям разстояние между изводите и чрезходови компоненти, и не изискват съвместимост с много малки разстояния между изводите.
• Ако проектът е прототип или ще бъде монтиран скоро след производството, използвайте HASL, за да се предотврати оксидацията.

HASL и ENIG: Разлики и прилики

Макар че двата процеса обикновено са добре познати на специалистите, проектиращите PCB трябва да осъзнават, че фундаменталните разлики между HASL и ENIG се проявяват в няколко аспекта:

• Повърхностната обработка HASL е по-евтина от ENIG, но гладкостта на повърхността не е толкова добра, колкото при ENIG.
• Изключителната гладкост и корозионна устойчивост на ENIG го правят важен материал за приложения, изискващи гладки повърхности и дълъг срок на складиране.
• Изборът между повърхностни обработки HASL и ENIG зависи от разположението на платката, процеса на монтаж и регулаторните изисквания.

Фокус върху ENIG повърхностно покритие

Какво е ENIG?

ENIG е процес на повърхностна обработка, при който се нанася слой никел върху мед, след което се потапя в злато. Повърхностната обработка ENIG е предпочитана поради гладката и равна повърхност и съвместимостта си с финоположени пакети, BGA и HDI проекти.

Процесът ENIG

• ППС подлежи на почистване и микротравене, за да се открие нов меден слой.
• Чрез химично никелиране се формира равномерен слой никел.
• Тънък слой злато се нанася върху никела чрез имерсионно галванизиране, което ефективно предпазва от окисляване.

Защо ENIG осигурява по-висока производителност

• Плоската повърхност на ENIG го прави идеален за технологии за монтаж на повърхността и изискванията за леене на компоненти с малка стъпка.
• Повърхностната обработка с ENIG предлага отлична устойчивост на корозия, осигурявайки по-дълъг срок на складиране на платките и запазвайки стабилна производителност дори в сурови среди.
• Повърхностната обработка с ENIG не само гарантира отлично равнина на повърхността за леене, но също така демонстрира превъзходна издръжливост и поддържа множество цикли на леене и преработка.
• Повърхността на ENIG по подразбиране отговаря на изискванията на RoHS.
• Въпреки че повърхностната обработка с ENIG може да струва повече от термично изравняване с въздух (HASL), инвестициите си заслужават според добивността, надеждността и производителността при много изисквания за напреднали компоненти.

Предимства и недостатъци на ENIG

Предимства:

• ENIG осигурява плоска, гладка повърхност за леене, което го прави идеален за BGA, SMD с малка стъпка и HDI разположения.
• Минимизиране на ефекта 'гробница' и отворени фуги при производството чрез монтаж на повърхността.
• ENIG е изключително издръжлив и по-устойчив на корозия и окисление в сравнение с HASL или OSP.
• Той има дълъг срок на годност и отлична съвместимост с модерните процеси за заваряване.
• Няма риск от замърсяване с олово и винаги отговаря на стандарта RoHS.

Недостатъци:

• ENIG е по-скъп от другите процеси за повърхностна обработка, особено в сравнение с HASL.
• Ако не се обработва от проверен производител на PCB, може да възникне дефектът „черно петно“.
• Поради крехкостта на златния слой и сложността на процеса, възможността за преработка може да не е толкова добра, колкото при HASL.

Кога да се използва ENIG

• Проектирането на PCB трябва да предвижда повърхностна обработка с ENIG при работа с компоненти с малък разстояние между изводите, BGA пакети, HDI платки или чувствителни аналогови/RF приложения, тъй като тези проектирани сценарии изискват висококачествена повърхностна производителност и прецизност.
• ENIG е най-добрият избор, когато се нуждаете от дълъг живот на PCB, стабилна производителност при леене и съответствие с екологичните изисквания.
• Изборът на подходяща повърхностна обработка на PCB е от решаващо значение за производителността на платката и ефективността при приложението. Въпреки че ENIG може да включва по-високи разходи в сравнение с HASL, изключителната му дългосрочна надеждност го прави предпочитан процес в аерокосмическата промишленост, медицинското оборудване, телекомуникациите и висококласната потребителска електроника.

Предимства на ENIG

• Този процес осигурява изключително гладка повърхност и позволява много прецизно позициониране.
• Този процес гарантира надеждността на SMT монтажа и минимизира риска от дефекти при леенето.
• Повърхностните процеси за обработка ENIG осигуряват гладки, равномерни повърхности, които са от съществено значение за запазване цялостността на сигнала във високоскоростни вериги и за намаляване на загубите и отраженията на сигнала.
• ENIG повърхностната обработка е подходяща и за процеси на свързване с жички (wire bonding) и приложения за крайни конектори, изискващи златно покритие.
• Повърхностната обработка ENIG е високо съвместима с автоматична оптична инспекция (AOI), тъй като гладкостта и отразяващата способност на повърхността улесняват идентифицирането на дефекти при заварките.

HASL спрямо ENIG: Подробно сравнение

Изборът между процесите за повърхностна обработка HASL и ENIG изисква задълбочено разглеждане на множество фактори, включително изискванията за производителност на PCB, ограничения в бюджета на проекта, реалните сглобявани процеси и областите на приложение на крайния продукт. По-долу ще бъде представен детайлен сравнителен анализ на тези два процеса:

Основни разлики между HASL и ENIG:

• Технологията HASL обикновено се използва, когато основен критерий е цената, а равнинността е по-маловажна.
• ENIG е процес за повърхностна обработка, който осигурява гладка, равна повърхност, подходяща за високоплътни конструкции.
• Процесът HASL предлага по-голямо удобство при преработка, докато ENIG осигурява по-добро запояване за малки или чувствителни компоненти.
• Въпреки че ENIG е по-скъп от HASL, без съмнение е най-добрият избор за много приложения, особено за такива, които изискват дълъг живот и висока надеждност.
• ENIG е известен със своята съвместимост и превъзходни характеристики, което го прави популярен избор в съвременното проектиране и производство на ППП за напреднали, дълготрайни или глобално разпространени продукти.

Други опции за повърхностна обработка за проекти с ППП

Докато повечето проектиранти обикновено избират между HASL и ENIG, има всъщност много други опции за процесите на повърхностна обработка на PCB:

• OSP : Този процес е икономически ефективен за определени SMT сглобки, особено подходящ за малки серии, изискващи бързо сглобяване.
• Имерсионно калай : Този процес може да отговаря на изискванията за гладка повърхност и безоловен процес, но има по-кратък срок на годност.
• Потапяне в сребро : Този процес е добре подходящ за високоскоростни, високочестотни приложения, но условията за съхранение и управление изискват строг контрол.
• Твърдо злато (електролитно) : Този процес често се използва за краеви конектори поради устойчивостта му на абразия, но основната му цел не е осигуряването на способност за запояване.
• ENEPIG : Този процес добавя слой паладий към базата на ENIG, допълнително подобрявайки предимствата му и премахвайки риска от черни платки, което го прави идеален избор за военна или медицинска апаратура.

В определени специални случаи тези алтернативни процеси могат да бъдат най-добрият вариант и проектиращите трябва да консултират надеждни производители на PCB, за да оценят напълно всички възможни опции.

Фактори, които трябва да се имат предвид при избора на подходящо покритие за повърхността на PCB

Следните ключови параметри трябва да бъдат взети предвид при избора на подходящ процес за обработка на повърхността на платката:

• Характеристики на проекта на PCB : Оптималното решение за обработка на повърхността на PCB зависи от три ключови технически фактора: разстояние между контактните площи, процес на преходно отворче в контактната площ и използването на компоненти от тип BGA с микросфери.
• Процес на сглобяване : Технология за монтаж на повърхността, процес на лепене чрез рефлукс и потенциални изисквания за преработка.
• Съответствие на регулаторните изисквания : Трябва ли продуктът ви да отговаря на стандарти RoHS, REACH или IPC Level 2/3?
• Обем на производството и график : Себестойност на платка и колко дълго ще се съхраняват платките преди монтаж.
• Работна среда : Влага, температура, вибрации и възможни поправки на терен.
• Очаквано 生命周期 : Срокът на служба на печатните платки, особено за критични индустриални, автомобилни или аерокосмически системи.
• Ограничения по разходи : Намерете продукта с най-добро съотношение цена-производителност, без да жертвате необходимото качество или съответствие.
• Експертност на доставчика : Вашите опции могат да бъдат ограничени от производствените възможности и нивото на контрол на процеса (особено при ENIG).

Съвети за избор на подходяща повърхностна обработка за вашия проект

• Консултирайте се навреме с производителите : Някои производители на PCB са доказали своите възможности с ENIG, докато други могат да препоръчат HASL, OSP или ENEPIG в зависимост от вашите проектирани приоритети.
• Оценка на резултатите от прототипа : Проведени са проби в малки серии с процесите за повърхностна обработка HASL и ENIG, за да се провери качеството на заварката, дефектите във външния вид и дългосрочното окисляване.
• Приоритет на съответствието и дълговечността : За глобални, медицински, автомобилни или аерокосмически проекти процесите за повърхностна обработка ENIG и ENEPIG често са най-добрият избор, тъй като общото им представяне е значително по-добро от HASL и OSP.
• Баланс между цена и равнинност : За прости, нископлътни прототипи HASL е идеална и икономична опция; въпреки това, за високостойностни продукти с фини разстояния между изводите или за дълговечни продукти, допълнителната инвестиция в ENIG става задължителен избор за осигуряване на надеждността на продукта.
• Имайте предвид складирането и логистиката : Ако платката трябва да бъде съхранявана дълго време преди монтаж, избягвайте използването на OSP и HASL; вместо това изберете процеса ENIG, който осигурява дългосрочна защита срещу окисляване и гарантира запояемост.
• Изисквайте сертификати : При критични приложения е задължително да се получат сертификати за съответствие, данни за срок на годност и документи за контрол на процеса —особено ENIG (което е основна стъпка за контрол на качеството при предотвратяването на проблеми с черни падове).
• Използвайте визуални и автоматизирани данни от инспекция : В големия мащаб на производството, съвместимостта на ENIG с автоматична оптична инспекция трябва да се използва напълно, за да се постигне масово производство.

Тенденции в индустрията за повърхностни покрития на PCB

• Миниатюризация и доминиране на фините стъпки : Докато проектирането продължава да търси все по-високо ниво на интеграция, ENIG и ENEPIG стават неизбежен избор за най-новите платки поради тяхната превъзходна производителност.
• Екологични регулации и устойчивост : HASL със съдържание на олово се отстранява с ускорен темп глобално. ENIG и други безоловни процеси за повърхностна обработка вече са станали основни във всички пазари.
• Подобрения в автоматизираната инспекция : Поради широко разпространеното прилагане на AOI (Автоматична оптична инспекция) и рентгенова инспекция на спойки, са поставени по-високи изисквания към равнинността и отразяващата способност на повърхностите на PCB, което е още една причина за нарастващата популярност на технологията за повърхностна обработка ENIG.
• Фокус върху надеждността, а не само върху цената тъй като електронните устройства проникват във всички сфери – от транспорта до импланти – фокусът на хората се премества от простата цена към продължителността на живот, поддръжката и безопасността за потребителя.

Често задавани въпроси относно HASL и ENIG

В: Какви са основните предимства и недостатъци при избора между HASL и ENIG?

О: Процесът HASL е достъпен и гъвкав, но има ограничения по отношение на компоненти с малък разстояние между изводите и продължителност на живот. Процесът ENIG от своя страна осигурява равна, надеждна и екологично чиста повърхност, но е по-скъп и изисква опитни производители.

В: Кога трябва да използвам HASL или ENIG?

О: Процесът HASL е подходящ за прототипи, сериен производство в малки количества и поръчки с по-висок бюджет. Процесът ENIG е подходящ за продукти с висока плътност, продукти с дълъг срок на годност или продукти, които отговарят на съответните правила и разпоредби.

В: Може ли видът на повърхностното покритие да повлияе на електрическите параметри на моята PCB?

A: Да, повърхностната обработка влияе върху способността за лепене, загубата на сигнал, съгласуването на импеданса, окисляването и общото качество на печатната платка. В сравнение с HASL, ENIG е особено подходяща за високоскоростни и високоточни вериги.

В: Винаги ли ENIG е най-добрата повърхностна обработка за всяка PCB проекция?

A: Въпреки че повърхностната обработка ENIG предлага отлична равнинност, устойчивост на корозия и дълъг живот, тя не е необходима за всички PCB проекти поради по-високата си цена. За проекти, използващи само компоненти с голям разстояние между изводите или прости технологии с преходни отвори, HASL повърхностната обработка е добър избор поради ниската си цена и лесното поправяне. Въпреки това, за BGA, HDI или платки, работещи в сурови условия, ENIG повърхностната обработка е оптималното решение за осигуряване на максимален добив при монтажа и дългосрочна надеждност.

В: Какви са най-често срещаните дефекти, свързани с всяка обработка?

A: При процеса HASL често срещани дефекти включват спойки между проводници (поради неравномерна повърхностна обработка) и нееднаква височина на контактните площи, което затруднява монтажа на компоненти с малък разстояние между изводите. При процеса ENIG най-значимият дефект е явлението „черно петно“ – вид корозия на никела, която може да затрудни образуването на спойка, ако процесът не се контролира стриктно.

В: Как да избера най-подходящата повърхностна обработка за печатна платка според жизнения цикъл на продукта?

A: Оптималната повърхностна обработка за печатна платка зависи от целия ѝ жизнен цикъл: Има ли нужда от международно транспортиране? Изисква ли се дългосрочно съхранение? Ще бъде ли изложена на висока влажност или чести температурни колебания? В тези случаи изборът между HASL и ENIG е от решаващо значение. ENIG осигурява надеждна защита при международно транспортиране и дългосрочно съхранение, докато HASL е подходящ за монтаж по заявка и по-малко изискващи приложения.

Заключение: Избор на най-добрата повърхностна обработка за печатна платка

Изборът на подходящ процес за повърхностна обработка на PCB изисква оценка на различни фактори, като технически, икономически и логистични изисквания. Въпреки че HASL и ENIG са два от най-често използваните процеса за повърхностна обработка при съвременните PCB, тяхната реална производителност може значително да варира в зависимост от изискванията на проекта.

• HASL (изравняване с топъл въздух на оловен спой) е широко използван процес за повърхностна обработка, подходящ за проекти с ниски изисквания за цена, прости процеси или ниски изисквания към равнинността на повърхността. Този процес е съвместим с повечето SMT и компоненти с преки отвори, което го прави много добър избор за потребители, търсещи намаляване на производствените разходи.
• ENIG (електролитно никелово имерсионно злато) е процес за повърхностна обработка, който осигурява гладка повърхност, отлична устойчивост на корозия, съответствие с екологичните изисквания и превъзходна запояемост за изискващи проекти за проектиране и производство на печатни платки (PCB). Въпреки че ENIG е по-скъп от високоадхезивно сребро (HASL), по-голямата му издръжливост, по-висок добив при производството и по-дълъг срок на складиране го правят идеална повърхностна обработка за високонадеждни, високоплътни и високостойностни PCB.

Таблица с ключови изводи:

Последни съвети за избор на подходяща повърхностна обработка на PCB:

• Консултирайте се с производителя на печатни платки възможно най-рано; те ще ви насочат към избора на метод за повърхностна обработка, подходящ за технологията и пазара на вашия проект.
• За продукти, изискващи финоположени SMD, HDI или дълъг срок на годност, надеждността, предлагана от ENIG, просто не може да бъде надмината от HASL.
• За прототипиране, любителска електроника или печатни платки с голямо разстояние между падовете и прости изисквания, HASL остава един от най-икономичните варианти.
• Когато избирате процес за повърхностна обработка на PCB за вашето приложение, уверете се, че сте избрали решението, което най-добре отговаря на изискванията за производителност на продукта, адаптивност към околната среда и стандарти за съответствие.

В бързо развиващата се електронна индустрия изборът на правилния процес за повърхностна обработка на PCB е основно умение, което всеки инженер и професионалист в закупуването трябва да овладеят. Независимо дали приоритет имат производителността, съответствието, разходите или дългосрочната издръжливост, разбирането на предимствата и недостатъците на повърхностните обработки HASL и ENIG може да ви помогне да вземете точни решения и в крайна сметка да произвеждате PCB продукти, които надминават очакванията.