HASL против ENIG: как выбрать подходящую отделку поверхности печатной платы для вашего проекта

Введение

Процесс поверхностной обработки печатных плат не только максимизирует паяемость и комплексные эксплуатационные характеристики печатных плат (PCB), но и формирует защитный барьер, предотвращающий окислительную коррозию медных поверхностей. Это дополнительно эффективно продлевает общий срок службы печатных плат и в конечном итоге гарантирует, что готовые изделия полностью соответствуют отраслевым стандартам. В современной промышленности существует множество методов поверхностной обработки, среди которых горячее снятие припоем струёй воздуха (HASL) и химическое нанесение никеля и золота (ENIG) являются двумя основными технологиями, имеющими наиболее широкую сферу применения и наибольшую частоту использования. У каждого из этих двух методов есть свои преимущества и недостатки. В данном руководстве систематически рассматриваются ключевые различия, технические особенности и характеристики применения двух процессов — горячего снятия припоем струёй воздуха (HASL) и химического нанесения никеля и золота (ENIG). В результате вы получите чёткие ориентиры, которые помогут вам точно выбрать наиболее подходящий метод поверхностной обработки печатных плат на основе ваших конкретных требований на этапах проектирования и производства.

Важность поверхностной отделки в проектировании и производстве печатных плат

Поверхностная обработка играет ключевую роль в процессах проектирования и производства печатных плат (ПП). Данный процесс эффективно защищает открытые медные контактные площадки ПП от окисления, предотвращая их прямой контакт с воздухом. Выбор неподходящего метода поверхностной обработки напрямую снижает надежность паяных соединений и негативно влияет на электропроводность. На поверхность печатной платы необходимо нанести равномерное защитное покрытие, чтобы обеспечить формирование высококачественных паяных соединений и продлить общий срок службы платы.

Технология поверхностного монтажа (SMT) является одним из ключевых процессов в производстве электроники. Процессы обработки поверхности служат критической основой, обеспечивающей стабильную работу SMT. Эти процессы создают гладкие и ровные поверхности для пайки в приложениях SMT, гарантируя стабильное и точное размещение микроэлектронных компонентов. Следовательно, выбор подходящего метода обработки поверхности напрямую определяет конечный результат процесса производства печатных плат, оказывая решающее влияние на качество плат, эффективность сборки и надёжность конечного продукта.

Обзор Покрытия поверхности печатных плат : типы и области применения

Существует множество типов процессов обработки поверхности печатных плат, каждый из которых обладает уникальными преимуществами и подходит для конкретных сценариев применения. Поэтому при выборе оптимального процесса необходимо комплексно учитывать различные факторы, включая ограничения по стоимости, сроку хранения, условиям эксплуатации, шагу компонентов и соответствующие нормативные требования.

Наиболее часто используемые методы обработки поверхности включают:

1. HASL (горячее выравнивание припоя горячим воздухом)

• HASL со свинцом : Традиционные процессы, использующие сплавы олова и свинца, постепенно выводятся из употребления, поскольку не соответствуют требованиям безопасности и стандарту RoHS.
• HASL без свинца : В этом процессе используются сплавы олова с медью или олова с серебром и медью, которые являются стандартными компонентами для большинства новых печатных плат.

2. ENIG (химическое нанесение никеля и иммерсионное золочение)

• Этот процесс поверхностной обработки сначала наносит слой химического никелирования, а затем тонкий слой иммерсионного золота. Процесс ENIG создает гладкую, ровную поверхность, что делает его идеальным для технологии поверхностного монтажа (SMT) и компонентов с малым шагом.

3. OSP (Органический защитный состав для паяемости)

• OSP — это процесс поверхностной обработки, который защищает медь путем покрытия ее поверхности органическим соединением до первого процесса пайки. Этот процесс является экономически эффективным, но имеет ограниченную долговечность.

4. Иммерсионное олово

• Иммерсионное олово, также известное как белое оловянное покрытие, позволяет создать тонкую, гладкую и однородную поверхность. Оно идеально подходит для технологии поверхностного монтажа (SMT), однако срок его службы ограничен риском образования оловянных усов.

5. Иммерсионное серебро

• Эта поверхностная обработка аналогична иммерсионному олову, обеспечивает превосходную паяемость и хорошие электрические свойства, но ее поверхность склонна к окислению и потемнению.

6. Твердое золото (электролитическое золото)

• Этот процесс в основном используется для краевых соединителей, таких как "золотые пальцы", и обладает отличной износостойкостью.

7. ENEPIG (безэлектролитное никелирование, безэлектролитное палладиевое покрытие, золочение погружением)

• Это многослойное поверхностное покрытие не только обеспечивает высокую коррозионную стойкость, как у ENIG, но и делает его пригодным для проволочной сварки и пайки.

Подробный анализ покрытия HASL

Горячее оплавление (HASL) остается одним из наиболее широко используемых процессов поверхностной обработки в производстве печатных плат. Оно считается идеальным решением для множества стандартных применений благодаря двойному преимуществу — экономичности и надежности работы. Особая популярность HASL в конструкциях печатных плат средней и низкой сложности требует более детального рассмотрения, чем я займусь далее.

Что такое HASL?

Горячее воздушное выравнивание (HASL) — это процесс поверхностной обработки, применяемый при производстве печатных плат (PCB), основная операция которого заключается в нанесении слоя расплавленного припоя на медные контактные площадки платы. Данный процесс создаёт структурно устойчивую и надёжную основу для пайки на поверхности контактных площадок, обеспечивая тем самым беспрепятственное выполнение последующих операций по пайке. Кроме того, он формирует эффективный защитный слой на медных поверхностях платы, предотвращающий прямой контакт с атмосферным кислородом и, таким образом, эффективно защищает плату от окисления и деградации.

Процесс

• Подготовка печатной платы путём очистки медных поверхностей.
• Плата погружается в расплавленный припой.
• Горячее воздушное выравнивание позволяет сделать поверхность припоя гладкой и обеспечить равномерное покрытие припоем всех оголённых медных участков.
• Плата охлаждается и направляется на финальный контроль.

Типы HASL

• HASL со свинцом : Несмотря на то, что данный процесс остаётся распространённым в некоторых регионах и традиционных приложениях, он не соответствует стандартам RoHS.
• HASL без свинца это предпочтительный процесс поверхностной обработки для современных экологически чистых электронных продуктов и имеет очень широкий спектр применения.

Преимущества и недостатки HASL

Преимущества:

• HASL обеспечивает значительные экономические преимущества по сравнению с другими видами поверхностной обработки, что делает его идеальным для прототипирования и массового производства.
• HASL обеспечивает отличную паяемость для компонентов с выводами и крупных компонентов для поверхностного монтажа.
• Горячее выравнивание воздухом (HASL) идеально подходит для печатных плат, которые не требуют высокой плоскостности или малых зазоров.
• Этот метод поверхностной обработки легко поддается контролю и поддерживает как ручные, так и автоматизированные методы выявления дефектов монтажа.

Недостатки:

• HASL может не обеспечить гладкую, однородную поверхность, необходимую для BGA и устройств с мелким шагом выводов.
• Как при использовании HASL со свинцом, так и безсвинцового HASL, может возникнуть неравномерная толщина покрытия и шероховатость поверхности.
• Для высокочастотных или высокопроизводительных приложений целостность сигнала и плоскостность поверхности имеют критическое значение, и поэтому HASL не является оптимальным процессом поверхностной обработки печатных плат.
• В условиях высоких температур или повышенной влажности долговечность покрытий HASL уступает другим типам поверхностных покрытий.
• HASL с содержанием свинца не соответствует требованиям по охране окружающей среды и поэтому постепенно заменяется бессвинцовыми альтернативными процессами.

Когда использовать HASL

• HASL идеально подходит для недорогих конструкций, в которых используются компоненты с большим шагом и сквозными отверстиями, и которые не требуют совместимости с очень мелким шагом.
• Если конструкция представляет собой прототип или будет собрана вскоре после изготовления, используйте HASL для предотвращения окисления.

HASL и ENIG: различия и сходства

Хотя оба процесса в целом знакомы специалистам, проектировщики печатных плат должны понимать, что фундаментальные различия между HASL и ENIG проявляются по нескольким параметрам:

• Обработка поверхности HASL дешевле, чем ENIG, но гладкость поверхности уступает ENIG.
• Высокая гладкость и коррозионная стойкость ENIG делают его важным материалом для применений, требующих ровной поверхности и длительного срока хранения.
• Выбор между обработками поверхности HASL и ENIG зависит от конструкции печатной платы, процесса сборки и нормативных требований.

В центре внимания — покрытие поверхности ENIG

Что такое ENIG?

ENIG — это процесс обработки поверхности, при котором на медь наносится слой никеля, а затем погружается в золото. Покрытие ENIG ценится за гладкую, плоскую поверхность и совместимость с корпусами с мелким шагом, BGA и HDI-дизайнами.

Процесс ENIG

• Печатная плата проходит очистку и микротравление для обнажения нового слоя меди.
• Химическим осаждением наносится равномерный слой никеля.
• Тонкий слой золота осаждается на никель методом иммерсионного покрытия, что эффективно предотвращает окисление.

Почему ENIG обеспечивает превосходную производительность

• Плоская поверхность ENIG делает его идеальным для технологии поверхностного монтажа и требований к пайке компонентов с мелким шагом.
• Покрытие ENIG обеспечивает excellent resistance to corrosion, гарантируя более длительный срок хранения печатных плат и стабильную работу даже в жестких условиях.
• Покрытие ENIG не только обеспечивает отличную плоскостность сварной поверхности, но также обладает повышенной долговечностью и поддерживает многократную пайку и переделку.
• Поверхность ENIG по умолчанию соответствует требованиям директивы RoHS.
• Хотя покрытие ENIG может стоить дороже, чем горячее выравнивание воздухом (HASL), это вложение оправдано с точки зрения выхода годных изделий, надежности и производительности для многих передовых требований к компонентам.

Преимущества и недостатки ENIG

Преимущества:

• ENIG обеспечивает ровную, гладкую поверхность для пайки, что делает его идеальным для BGA, SMD-компонентов с мелким шагом и HDI-разводки.
• Снижает эффект «стоячего камня» и разрывов соединений при производстве поверхностного монтажа.
• ENIG отличается высокой долговечностью и большей устойчивостью к коррозии и окислению по сравнению с HASL или OSP.
• Он имеет длительный срок хранения и превосходную совместимость с современными процессами пайки.
• Отсутствует риск загрязнения свинцом, и он всегда соответствует стандартам RoHS.

Недостатки:

• ENIG дороже других процессов поверхностной обработки, особенно по сравнению с HASL.
• Если производство не выполняется надежным производителем печатных плат, может возникнуть дефект «черная подушка».
• Из-за хрупкости золотого слоя и сложности процесса его ремонтопригодность может быть хуже, чем у HASL.

Когда использовать ENIG

• Проектировщики печатных плат должны выбирать поверхностную обработку ENIG при работе с компонентами с мелким шагом, корпусами BGA, платами HDI или чувствительными аналоговыми/ВЧ-приложениями, поскольку эти сценарии требуют высокой точности и качества поверхности.
• ENIG является наилучшим выбором, когда требуется длительный срок службы печатной платы, стабильная производительность пайки и соответствие экологическим нормам.
• Выбор подходящей отделки поверхности печатной платы имеет решающее значение для производительности платы и эффективности ее применения. Хотя процесс ENIG может быть дороже по сравнению с HASL, его исключительная долгосрочная надежность делает его предпочтительным выбором в аэрокосмической промышленности, медицинском оборудовании, телекоммуникациях и высокотехнологичной потребительской электронике.

Преимущества ENIG

• Этот процесс обеспечивает чрезвычайно гладкую поверхность и позволяет выполнять высокоточную установку компонентов.
• Этот процесс гарантирует надежность SMT-монтажа и минимизирует риск возникновения дефектов пайки.
• Процессы отделки поверхности ENIG обеспечивают гладкие и однородные поверхности, что имеет важное значение для сохранения целостности сигнала в высокоскоростных цепях и снижения потерь и отражения сигнала.
• Отделка поверхности ENIG также подходит для процессов проволочной сварки и применения краевых разъёмов, требующих золочения.
• Покрытие ENIG отлично подходит для автоматического оптического контроля (AOI), поскольку его гладкая поверхность и отражающие свойства облегчают выявление дефектов пайки.

HASL против ENIG: Подробное сравнение

Выбор между процессами покрытия HASL и ENIG требует всестороннего рассмотрения множества факторов, включая требования к производительности печатной платы, ограничения бюджета проекта, особенности монтажного процесса и сферу применения конечного продукта. Ниже представлен подробный сравнительный анализ этих двух процессов:

Основные различия между HASL и ENIG:

• Технология HASL обычно используется, когда основным критерием является стоимость, а плоскостность менее важна.
• ENIG — это процесс поверхностной обработки, обеспечивающий гладкую, ровную поверхность, подходящую для высокоплотных конструкций.
• Процесс HASL обеспечивает более удобное восстановление, в то время как ENIG обеспечивает лучшее качество пайки для мелких или чувствительных компонентов.
• Хотя ENIG дороже, чем HASL, он, безусловно, является лучшим выбором для многих применений, особенно для тех, которые требуют длительного срока службы и надежности.
• ENIG известен своей совместимостью и превосходными характеристиками, что делает его популярным выбором в современном проектировании и производстве печатных плат для передовых, долговечных или глобально распространяемых продуктов.

Другие варианты поверхностной обработки для проектов печатных плат

Хотя большинство разработчиков обычно выбирают между HASL и ENIG, существует множество других вариантов процессов обработки поверхности печатных плат:

• ОПР этот процесс является экономически выгодным для определённых сборок SMT, особенно подходит для мелкосерийных задач, требующих быстрой сборки.
• Иммерсионное олово этот процесс может удовлетворять требованиям гладкой поверхности и бессвинцовой технологии, но имеет более короткий срок хранения.
• Химическое серебро этот процесс хорошо подходит для высокоскоростных и высокочастотных применений, однако условия его хранения и управления требуют строгого контроля.
• Твёрдое золото (электролитическое) этот процесс часто используется для краевых соединителей благодаря своей устойчивости к износу, однако его основное назначение — не обеспечение паяемости.
• ENEPIG этот процесс добавляет слой палладия к основе ENIG, дополнительно усиливая его преимущества и устраняя риск возникновения чёрных контактных площадок, что делает его идеальным выбором для военной или медицинской аппаратуры.

В определенных особых обстоятельствах эти альтернативные процессы могут быть наилучшим вариантом, и проектировщикам следует проконсультироваться с надежными производителями печатных плат для всесторонней оценки всех возможных вариантов.

Факторы, которые следует учитывать при выборе подходящего покрытия поверхности печатной платы

При выборе подходящего способа обработки поверхности печатной платы необходимо учитывать следующие ключевые параметры:

• Особенности конструкции печатной платы : Оптимальное решение по обработке поверхности печатной платы зависит от трех ключевых технических факторов: шага контактных площадок, технологии сквозных отверстий в площадках и использования компонентов типа BGA с микросферами.
• Процесс сборки : Технология поверхностного монтажа, процесс пайки оплавлением и возможные требования к переделке.
• Соблюдение нормативных требований : Должен ли ваш продукт соответствовать стандартам RoHS, REACH или IPC Level 2/3?
• Объем производства и сроки : Стоимость одной платы и продолжительность хранения плат до сборки.
• Рабочая среда : Влажность, температура, вибрация и возможный ремонт в полевых условиях.
• Ожидаемый срок службы : Срок службы печатных плат, особенно для критически важных промышленных, автомобильных или аэрокосмических систем.
• Ограничения по стоимости : Найдите продукт с наилучшим соотношением цены и качества, не жертвуя необходимым качеством или соответствием требованиям.
• Экспертиза поставщика : Ваши возможности могут быть ограничены производственными возможностями и уровнем контроля процесса (особенно при использовании ENIG).

Советы по выбору подходящего покрытия поверхности для вашего проекта

• Раннее консультирование с производителями : Некоторые производители печатных плат подтвердили свои возможности в применении ENIG, в то время как другие могут порекомендовать HASL, OSP или ENEPIG в зависимости от ваших приоритетов проектирования.
• Оценка результатов прототипа : Были проведены испытания небольшими партиями с использованием процессов поверхностной обработки HASL и ENIG для проверки качества пайки, дефектов внешнего вида и долгосрочного окисления.
• Приоритет — соответствие требованиям и долговечность : Для глобальных проектов в области медицины, автомобилестроения или аэрокосмической промышленности процессы поверхностной обработки ENIG и ENEPIG зачастую являются наилучшим выбором, поскольку их общие характеристики значительно превосходят HASL и OSP.
• Сбалансируйте стоимость и плоскость : Для простых прототипов с низкой плотностью монтажа HASL — это идеальный, экономически эффективный вариант; однако для высоконадежных изделий с мелким шагом выводов или длительным сроком службы дополнительные затраты на ENIG становятся необходимым выбором для обеспечения надежности продукта.
• Учтите хранение и логистику : Если печатная плата должна храниться долгое время перед сборкой, следует избегать использования OSP и HASL; вместо этого выберите процесс ENIG, который обеспечивает долгосрочную защиту от окисления и сохраняет паяемость.
• Запрашивайте сертификаты : В критически важных приложениях необходимо получить сертификаты соответствия, данные испытаний на срок хранения и записи контроля процессов —особенно ENIG (который является основным этапом контроля качества для предотвращения проблем с черными контактами).
• Используйте данные визуального и автоматизированного контроля в крупносерийном производстве следует в полной мере использовать совместимость ENIG с автоматической оптической инспекцией для достижения массового производства.

Тенденции отрасли в области покрытий поверхности печатных плат

• Миниатюризация и доминирование мелкошаговых компонентов поскольку разработчики продолжают стремиться к более высокому уровню интеграции, ENIG и ENEPIG становятся неизбежным выбором для передовых печатных плат благодаря их превосходным характеристикам.
• Экологические нормы и устойчивое развитие содержащий свинец HASL по всему миру ускоренными темпами выводится из употребления. Процессы безсвинцовой обработки поверхностей, такие как ENIG, сейчас стали основными на всех рынках.
• Улучшение автоматизированной инспекции благодаря широкому применению AOI (автоматическая оптическая инспекция) и рентгеновской инспекции паяных соединений, к плоскостности и отражательной способности поверхностей печатных плат предъявляются более высокие требования, что является ещё одной причиной растущей популярности технологии обработки поверхности ENIG.
• Акцент на надёжности, а не только на стоимости по мере того как электронные устройства проникают во все сферы — от транспорта до имплантов, — внимание людей смещается с простой стоимости на срок службы, ремонтопригодность и безопасность для пользователя.

Часто задаваемые вопросы о HASL и ENIG

В: Каковы основные преимущества и недостатки выбора между HASL и ENIG?

О: Процесс HASL является доступным и гибким, но имеет ограничения в отношении компонентов с мелким шагом и срока службы. Процесс ENIG, напротив, обеспечивает ровную, надежную и экологически чистую поверхность, однако он дороже и требует опытных производителей.

В: Когда следует использовать HASL или ENIG?

О: Процесс HASL подходит для прототипирования, мелкосерийного производства и заказов с более высоким бюджетом. Процесс ENIG подходит для высокоплотных продуктов, изделий с длительным сроком хранения или продуктов, соответствующих соответствующим нормативным требованиям.

В: Может ли тип покрытия повлиять на электрические характеристики моей печатной платы?

A: Да, поверхностная обработка влияет на паяемость, потери сигнала, согласование импеданса, окисление и общее качество печатной платы. По сравнению с HASL, ENIG особенно подходит для высокоскоростных и высокоточных схем.

В: Является ли ENIG всегда наилучшей отделкой поверхности печатной платы для каждого проекта?

О: Хотя поверхностная обработка ENIG обеспечивает превосходную плоскостность, устойчивость к коррозии и длительный срок службы, она не требуется для всех проектов печатных плат из-за более высокой стоимости. Для конструкций, использующих только компоненты с большим шагом или простую технологию сквозных отверстий, поверхностная обработка HASL является хорошим выбором благодаря низкой стоимости и простоте переделки. Однако для BGA, HDI или плат, работающих в жестких условиях, поверхностная обработка ENIG является оптимальным решением для обеспечения наилучшего выхода сборки и долгосрочной надежности.

В: Какие наиболее распространенные дефекты связаны с каждой отделкой?

A: Для процесса HASL типичными дефектами являются мостики припоя (из-за неравномерной обработки поверхности) и неодинаковая высота контактных площадок, что осложняет монтаж компонентов с малым шагом. Для процесса ENIG наиболее значительным дефектом является явление «чёрных точек» — разновидность коррозии никеля, которая может препятствовать образованию паяного соединения при недостаточно строгом контроле процесса.

В: Как выбрать наилучшее покрытие поверхности печатной платы для жизненного цикла моего продукта?

О: Оптимальная обработка поверхности печатной платы (PCB) зависит от всего её жизненного цикла: требуется ли международная доставка? Нужно ли длительное хранение? Будет ли плата подвергаться высокой влажности или частым перепадам температур? В этих случаях выбор между HASL и ENIG имеет решающее значение. ENIG обеспечивает надёжную защиту при международной доставке и длительном хранении, тогда как HASL подходит для сборки по требованию и менее ответственных применений.

Заключение: Выбор наилучшего покрытия поверхности печатной платы

Выбор правильного процесса поверхностной обработки печатной платы требует учета различных факторов, таких как технические, экономические и логистические требования. Хотя HASL и ENIG являются двумя наиболее часто используемыми процессами поверхностной обработки для современных печатных плат, их реальные характеристики могут значительно различаться в зависимости от требований проекта.

• HASL (выравнивание припоя горячим воздухом) — это широко используемый процесс поверхностной обработки, подходящий для проектов с низкими требованиями к стоимости, простыми процессами или невысокими требованиями к плоскостности поверхности. Данный процесс совместим с большинством компонентов SMT и сквозных отверстий, что делает его очень хорошим выбором для пользователей, стремящихся снизить производственные затраты.
• ENIG (электролессное никелирование с погружением золота) — это процесс поверхностной обработки, обеспечивающий гладкую поверхность, отличную коррозионную стойкость, соответствие экологическим нормам и превосходную паяемость для сложных проектов проектирования и производства печатных плат (PCB). Хотя ENIG дороже, чем HASL (покрытие горячим оловом с высокой адгезией), его повышенная долговечность, более высокий выход годной продукции и более длительный срок хранения делают его идеальным вариантом поверхностной обработки для высоконадежных, высокоплотных и высокостоимостных печатных плат.

Основные выводы в таблице:

Окончательные рекомендации по выбору подходящей отделки поверхности печатной платы:

• Обратитесь к производителю печатных плат как можно раньше; он поможет вам выбрать метод обработки поверхности, соответствующий технологии и рынку вашего проекта.
• Для продуктов с мелким шагом SMD, HDI или длительным сроком хранения надежность, обеспечиваемая ENIG, просто несравнима с HASL.
• Для прототипирования, производства любительской электроники или печатных плат с большим расстоянием между контактными площадками и простыми требованиями HASL остается одним из самых экономически выгодных вариантов.
• При выборе процесса обработки поверхности печатной платы для вашего применения обязательно выберите решение, которое наилучшим образом отвечает требованиям к производительности продукта, экологической устойчивости и стандартам соответствия.

В быстро развивающейся электронной промышленности выбор правильного процесса поверхностной обработки печатных плат является ключевым навыком, которым должен владеть каждый инженер и специалист по закупкам. Независимо от того, что является приоритетом — производительность, соответствие требованиям, стоимость или долговечность, — понимание преимуществ и недостатков методов поверхностной обработки HASL и ENIG поможет вам принимать правильные решения и в конечном итоге создавать продукцию на основе печатных плат, превосходящую ожидания.