HASL проти ENIG: як вибрати правильне покриття друкованої плати для вашого проекту

Вступ

Процес поверхневого оздоблення друкованих плат не лише максимізує здатність до паяння та комплексні експлуатаційні характеристики друкованих плат (PCB), але й утворює захисний бар'єр, що запобігає окисному корозійному руйнуванню мідних поверхонь. Це також ефективно подовжує загальний термін служби друкованих плат і гарантує, що готові вироби відповідають усім відповідним промисловим стандартам. У сучасній галузі існує багато різновидів процесів поверхневого оздоблення, серед яких найпоширенішими та найчастіше використовуваними є гаряче паяльне вирівнювання повітрям (HASL) та хімічне нанесення золота на нікелеву основу (ENIG). Кожен із цих двох методів має свої переваги та недоліки. У цьому посібнику системно розглянуто ключові відмінності, технічні характеристики та особливості застосування технологій HASL та ENIG. В результаті ви отримаєте чіткі рекомендації, які допоможуть точно обрати найбільш підходящий метод поверхневого оздоблення друкованих плат залежно від ваших конкретних вимог на етапах проектування та виготовлення.

Важливість поверхневих покриттів у проектуванні та виготовленні друкованих плат

Покриття поверхні відіграє критичну роль у процесах проектування та виробництва друкованих плат (PCB). Цей процес ефективно захищає оголені мідні площадки на друкованих платах від окиснення, запобігаючи їх безпосередньому контакту з повітрям. Вибір неправильного методу обробки поверхні безпосередньо погіршує надійність паяних з'єднань і негативно впливає на електропровідність. На поверхню друкованої плати необхідно нанести рівномірне захисне покриття, щоб забезпечити утворення високоякісних паяних з'єднань і продовжити загальний термін служби плати.

Технологія поверхневого монтажу (SMT) є одним із основних процесів у виробництві електроніки. Процеси обробки поверхні служать критичною основою, яка забезпечує стабільну роботу SMT. Ці процеси створюють гладкі та рівні поверхні для паяння у застосунках SMT, гарантуючи стабільне та точне розміщення мікроелектронних компонентів. Тому вибір відповідного методу обробки поверхні безпосередньо визначає кінцевий результат процесу виготовлення друкованих плат, суттєво впливаючи на якість плат, ефективність монтажу та остаткову надійність продукту.

Огляд Покриття поверхні друкованих плат : Типи та сфери застосування

Існує багато типів процесів обробки поверхні друкованих плат, кожен з яких має унікальні переваги та конкретні сфери застосування. Тому під час вибору оптимального процесу необхідно всебічно врахувати кілька факторів, зокрема обмеження щодо вартості, терміну зберігання, умов експлуатації, відстані між компонентами та відповідність нормативним вимогам.

Найпоширеніші методи обробки поверхні включають:

1. HASL (гаряче луження повітрям)

• HASL зі свинцем : традиційні процеси, що використовують сплави олова та свинцю, поступово виводяться з експлуатації, оскільки не відповідають вимогам безпеки та стандарту RoHS.
• HASL без свинцю : цей процес використовує сплав міді та олова або сплав срібла, міді та олова, які є стандартними компонентами для більшості нових друкованих плат.

2. ENIG (хімічне нанесення нікелю та іммерсійне золото)

• Цей процес обробки поверхні спочатку наносить шар безструмового нікелювання, а потім тонкий шар золочення зануренням. Процес ENIG створює гладку, рівну поверхню, що робить його ідеальним для технології поверхневого монтажу (SMT) та компонентів з малим кроком.

3. OSP (Органічний засіб збереження зварюваності)

• OSP — це процес обробки поверхні, який захищає мідь, покриваючи її поверхню органічною сполукою перед першим паянням. Цей процес є економічним, але має обмежену довговічність.

4. Занурення олова

• Занурення олова, також відоме як біле олов'яне покриття, може створити дрібну, гладку та однорідну поверхню. Воно ідеально підходить для технології поверхневого монтажу (SMT), але його термін служби обмежений ризиком утворення олов'яних вусиків.

5. Занурення срібла

• Ця обробка поверхні подібна до занурення олова, забезпечуючи чудову зварюваність і гарні електричні властивості, але її поверхня схильна до окиснення та потемніння.

6. Тверде золото (електролітичне золото)

• Цей процес використовується переважно для крайових з'єднувачів, таких як "золоті пальці", і має високу стійкість до зносу.

7. ENEPIG (хімічне нікелювання, хімічне паладіювання та занурення золота)

• Ця багатошарова поверхнева обробка забезпечує не лише високу стійкість до корозії, як ENIG, але й робить її придатною для дротового зварювання та паяння.

Детальний огляд поверхневої обробки HASL

Гаряче повітряне вирівнювання (HASL) залишається одним із найпоширеніших процесів поверхневої обробки в виробництві друкованих плат. Цей метод вважається ідеальним рішенням для багатьох стандартних застосувань завдяки поєднанню вигідної вартості та надійної продуктивності. Особлива популярність HASL у проектах друкованих плат середньої та низької складності потребує детального розгляду, чому я й присвятю наступний розділ.

Що таке HASL?

Гаряче повітряне вирівнювання (HASL) — це процес обробки поверхні, що використовується у виробництві друкованих плат (PCB), основна операція якого полягає у нанесенні шару розплавленого припою на мідні контактні площадки плати. Цей процес створює структурно стабільну та надійну основу для паяння на поверхні площадок, забезпечуючи тим самим безперебійне виконання подальших операцій з паяння. Крім того, він утворює ефективний захисний шар на мідних поверхнях плати, який блокує прямий контакт із киснем атмосфери, таким чином ефективно запобігаючи окисненню та погіршенню характеристик друкованої плати.

Процес

• Підготовка друкованої плати шляхом очищення мідних поверхонь.
• Плата занурюється в розплавлений припій.
• Гаряче повітряне вирівнювання може зробити поверхню припою рівною та забезпечити рівномірне покриття припоєм оголеного мідного шару.
• Плату охолоджують і направляють на фінальний огляд.

Типи HASL

• HASL зі свинцем : Хоча цей процес досі поширений у деяких регіонах та традиційних застосуваннях, він не відповідає стандартам RoHS.
• HASL без свинцю це найбільш вживаний процес обробки поверхні для сучасних екологічно чистих електронних продуктів і має дуже широке застосування.

Переваги та недоліки HASL

Переваги:

• HASL пропонує значні переваги у вартості порівняно з іншими видами обробки поверхні, що робить його ідеальним для прототипування та масового виробництва.
• HASL забезпечує відмінну зварюваність для компонентів зі стрічковими виводами та великих SMT-компонентів.
• Гаряче повітряне вирівнювання (HASL) ідеально підходить для друкованих плат, які не потребують високої плоскості або щільного розташування елементів.
• Цей метод обробки поверхні легко контролювати і підтримує як ручні, так і автоматизовані методи виявлення дефектів монтажу.

Недоліки:

• HASL може не забезпечити гладку, рівномірну поверхню, необхідну для BGA та поверхневих монтажних пристроїв з дрібним кроком.
• Як при використанні HASL зі свинцем, так і безсвинцевого HASL, виникає нерівномірна товщина покриття та шорсткість поверхні.
• Для високочастотних або високопродуктивних застосунків цілісність сигналу та плоскість поверхні мають критичне значення, і HASL не є оптимальним процесом обробки поверхні друкованих плат.
• У середовищах з високою температурою або вологістю довговічність покриттів HASL гірша порівняно з іншими типами поверхневих покриттів.
• HASL з вмістом свинцю не відповідає вимогам щодо охорони навколишнього середовища і тому поступово витісняється безсвинцевими альтернативними процесами.

Коли використовувати HASL

• HASL ідеально підходить для економічних проектів, які використовують компоненти з великим кроком виводів і отворами, і не потребують сумісності з дуже малим кроком.
• Якщо конструкція є прототипом або буде зібрана невдовзі після виробництва, використовуйте HASL, щоб запобігти окисненню.

HASL та ENIG: відмінності та подібності

Хоча обидва процеси загалом знайомі фахівцям, розробники друкованих плат повинні усвідомлювати, що фундаментальні відмінності між HASL та ENIG проявляються в багатьох аспектах:

• Обробка поверхні HASL є дешевшою, ніж ENIG, але рівність поверхні не така гарна, як у ENIG.
• Відмінна рівність і корозійна стійкість ENIG роблять його важливим матеріалом для застосувань, що вимагають рівних поверхонь і тривалого терміну зберігання.
• Вибір між обробкою поверхні HASL та ENIG залежить від розташування друкованої плати, процесу складання та нормативних вимог.

Увага до оздоблення поверхні ENIG

Що таке ENIG?

ENIG — це процес обробки поверхні, при якому на мідь наноситься шар нікелю, а потім занурюється у золото. Обробку поверхні ENIG високо цінують завдяки рівній, плоскій поверхні та сумісності з корпусами з малим кроком, BGA та HDI-конструкціями.

Процес ENIG

• Друкована плата проходить очищення та мікротравлення, щоб відкрити новий шар міді.
• Хімічне нанесення нікелевого покриття використовується для утворення рівномірного шару нікелю.
• Тонкий шар золота наноситься на нікель за допомогою процесу іммерсійного нанесення покриття, що ефективно запобігає окисненню.

Чому ENIG пропонує вищі експлуатаційні характеристики

• Плоска поверхня ENIG робить його ідеальним для технології поверхневого монтажу та вимог до паяння компонентів з дрібним кроком.
• Покриття ENIG забезпечує виняткову стійкість до корозії, що гарантує довший термін зберігання друкованих плат і стабільну роботу навіть у важких умовах.
• Покриття ENIG не лише забезпечує відмінну плоскість паяної поверхні, але й відрізняється високою довговічністю та підтримує багаторазове паяння та переділання.
• Покриття ENIG за замовчуванням відповідає вимогам директиви RoHS.
• Хоча покриття ENIG може коштувати дорожче, ніж гаряче вирівнювання повітрям (HASL), ці витрати виправдані з точки зору виходу придатної продукції, надійності та продуктивності для багатьох сучасних вимог до компонентів.

Переваги та недоліки ENIG

Переваги:

• ENIG забезпечує плоску, гладку паяну поверхню, що робить його ідеальним для BGA, SMD з дрібним кроком і HDI-розташувань.
• Мінімізує ефект могильного каменя та розімкнуті шви в процесі виробництва поверхневого монтажу.
• ENIG дуже міцний і стійкіший до корозії та окиснення, ніж HASL або OSP.
• Він має довгий термін зберігання та відмінну сумісність із сучасними процесами зварювання.
• Відсутній ризик забруднення свинцем, і він завжди відповідає стандартам RoHS.

Недоліки:

• ENIG є дорожчим, ніж інші процеси обробки поверхні, особливо порівняно з HASL.
• Якщо плату виготовляє не надійний виробник, може виникнути дефект «чорна подушка».
• Через крихкість шару золота та складність процесу, можливість повторної обробки може бути гіршою, ніж у HASL.

Коли використовувати ENIG

• Розробники ПЛІ повинні вказувати обробку поверхні ENIG при роботі з компонентами з дрібним кроком, корпусами BGA, платами HDI або чутливими аналоговими/RF-застосуваннями, оскільки ці сценарії проектування вимагають високих показників та точності поверхні.
• ENIG є найкращим вибором, коли потрібен довгий термін служби ПЛІ, стабільна якість паяння та відповідність екологічним нормам.
• Вибір відповідного способу обробки поверхні друкованої плати має важливе значення для її продуктивності та ефективності застосування. Хоча ENIG може бути дорожчим у порівнянні з HASL, його виняткова довготривала надійність робить цей процес найбільш вживаним у таких галузях, як аерокосмічна промисловість, медичне обладнання, телекомунікації та високоякісна побутова електроніка.

Переваги ENIG

• Цей процес забезпечує надзвичайно гладку поверхню та дозволяє досягти високоточної позиціонування.
• Цей процес забезпечує надійність SMT-монтажу та мінімізує ризик виникнення дефектів паяння.
• Процеси обробки поверхні ENIG забезпечують гладку, однорідну поверхню, що має вирішальне значення для збереження цілісності сигналу в швидкісних колах і зменшення втрат та відбиття сигналу.
• Обробка поверхні ENIG також підходить для процесів дротового зварювання та застосування крайових з'єднувачів, які потребують покриття золотом.
• Обробка поверхні ENIG високо сумісна з автоматичним оптичним контролем (AOI), оскільки її гладкість і відбивна здатність полегшують виявлення дефектів зварювання.

HASL проти ENIG: Детальне порівняння

Вибір між процесами обробки поверхні HASL та ENIG вимагає всебічного врахування багатьох факторів, включаючи вимоги до продуктивності друкованих плат, бюджетні обмеження проекту, фактичні процеси складання та галузі застосування кінцевого продукту. Нижче наведено детальний порівняльний аналіз цих двох процесів:

Основні відмінності між HASL та ENIG:

• Технологія HASL зазвичай використовується, коли головним критерієм є вартість, а плоскість менш важлива.
• ENIG — це процес поверхневої обробки, який забезпечує гладку, рівну поверхню, придатну для високощільних конструкцій.
• Процес HASL пропонує кращі умови для повторної обробки, тоді як ENIG забезпечує кращу якість паяння для дрібних або чутливих компонентів.
• Хоча ENIG і дорожче, ніж HASL, однаково це найкращий вибір для багатьох застосувань, особливо тих, що вимагають довгого терміну служби та надійності.
• ENIG відомий своєю відповідністю стандартам та вищою продуктивністю, завдяки чому став популярним вибором у сучасному проектуванні та виробництві друкованих плат для передових, довговічних або глобально розповсюджених продуктів.

Інші варіанти обробки поверхні для проектів друкованих плат

Хоча більшість розробників зазвичай обирають між HASL та ENIG, насправді існує ще багато інших варіантів обробки поверхні друкованих плат:

• OSP : Цей процес є економічно вигідним для певних SMT-збірок, особливо підходить для малих партій, що потребують швидкої збірки.
• Хімічне осадження олова : Цей процес може задовольняти вимоги до рівної поверхні та безвмісного процесу, але має менший термін придатності.
• Хімічне срібло : Цей процес добре підходить для високошвидкісних та високочастотних застосувань, але вимагає суворого контролю умов зберігання та управління.
• Тверде золото (електролітичне) : Цей процес часто використовується для крайових з’єднувачів завдяки стійкості до зносу, але його основне призначення — не забезпечення зварюваності.
• ENEPIG : Цей процес додає шар паладію до основи ENIG, ще більше посилюючи його переваги та усуваючи ризик виникнення чорних контактів, що робить його ідеальним вибором для військового або медичного обладнання.

У певних особливих обставинах ці альтернативні процеси можуть бути найкращим варіантом, і проектувальники мають проконсультуватися з надійними виробниками друкованих плат, щоб повністю оцінити всі можливі варіанти.

Фактори, які слід враховувати при виборі правильного типу поверхневого покриття друкованої плати

При виборі підходящого процесу обробки поверхні друкованої плати слід враховувати такі ключові параметри:

• Особливості конструкції друкованої плати : Оптимальне рішення для обробки поверхні друкованої плати залежить від трьох ключових технічних факторів: відстані між контактними площадками, процесу отворів у площадках та використання компонентів типу BGA з мікрокульками.
• Процес складання : Технологія поверхневого монтажу, процес паяння оплавленням та потенційні вимоги до повторної обробки.
• Підпорядкованість регуляціям : Чи має ваш продукт відповідати стандартам RoHS, REACH або IPC Level 2/3?
• Обсяг виробництва та терміни : Вартість однієї плати та строк зберігання плат перед складанням.
• Робоче середовище : Вологість, температура, вібрація та можливість ремонту в експлуатації.
• Очікувана тривалість життя : Термін служби друкованих плат, особливо для критичних промислових, автомобільних або авіаційних систем.
• Обмеження вартості : Знайдіть продукт із найкращим співвідношенням вартості та якості, не поступаючись необхідною якістю або відповідністю вимогам.
• Експертність постачальника : Ваш вибір може бути обмежений виробничими можливостями та рівнем контролю процесу (особливо для ENIG).

Поради щодо вибору правильного типу поверхневого шару для вашого проекту

• Консультуйтеся на ранніх етапах з виробниками : Деякі виробники друкованих плат довели свої можливості у використанні ENIG, тоді як інші можуть рекомендувати HASL, OSP або ENEPIG залежно від ваших проектних пріоритетів.
• Оцінка результатів прототипування : Було проведено пробне виробництво малих партій із використанням процесів поверхневої обробки HASL та ENIG для перевірки якості паяння, наявності дефектів зовнішнього вигляду та тривалого оксидування.
• Забезпечення відповідності та довговічності : Для глобальних, медичних, автомобільних або авіаційно-космічних проектів процеси обробки поверхні ENIG та ENEPIG часто є найкращим вибором, оскільки їх загальна продуктивність значно краща порівняно з HASL та OSP.
• Поєднання вартості та рівності : Для простих прототипів із низькою щільністю HASL — це ідеальний економічний варіант; однак для високоякісних продуктів із дрібним кроком або тривалим терміном служби додаткові витрати на ENIG стають необхідним кроком для забезпечення надійності продукту.
• Враховуйте зберігання та логістику : Якщо друковану плату потрібно зберігати протягом тривалого часу перед монтажем, уникайте використання OSP та HASL; замість цього оберіть процес ENIG, який забезпечує тривале захист від окиснення та гарантує здатність до паяння.
• Запитуйте сертифікати : У критичних застосуваннях необхідно отримати сертифікати відповідності, дані про термін придатності та записи контролю процесу —особливо ENIG (це є основним етапом контролю якості для запобігання проблемі чорного паду).
• Використовуйте візуальні та автоматизовані дані інспектування : У масовому виробництві слід повною мірою використовувати сумісність ENIG з автоматичним оптичним контролем для досягнення масового виробництва.

Тенденції галузі у сфері поверхневих покриттів для друкованих плат

• Мініатюризація та домінування дрібного кроку : Оскільки розробники продовжують прагнути до більш високого рівня інтеграції, ENIG та ENEPIG стають неминучим вибором для сучасних друкованих плат завдяки їхньому високому рівню продуктивності.
• Екологічні норми та стале розвитку : Технологія HASL із вмістом свинцю поступово виводиться з експлуатації прискореними темпами на глобальному рівні. Процеси безсвинцевої обробки поверхні, зокрема ENIG, зараз стали основним стандартом на всіх ринках.
• Покращення автоматизованого контролю : З широким застосуванням АОК (автоматичний оптичний контроль) та рентгенівського контролю паяних з'єднань, посилилися вимоги до рівності та відбивної здатності поверхонь друкованих плат, що є ще однією причиною зростання популярності технології поверхневої обробки ENIG.
• Акцент на надійності, а не лише на вартості оскільки електронні пристрої проникають у всі сфери, від транспорту до імплантатів, увага людей зміщується з простої вартості на термін служби, ремонтопридатність та безпеку користувача.

Поширені запитання щодо HASL та ENIG

Питання: Які основні переваги та недоліки вибору між HASL та ENIG?

Відповідь: Процес HASL є доступним за ціною та гнучким, але має обмеження щодо компонентів з дрібним кроком і терміну служби. Процес ENIG, навпаки, забезпечує рівну, надійну та екологічно чисту поверхню, але є дорожчим і вимагає досвідчених виробників.

Питання: Коли слід використовувати HASL або ENIG?

Відповідь: Процес HASL підходить для прототипування, дрібносерійного виробництва та замовлень з вищим бюджетом. Процес ENIG підходить для високощільних продуктів, продуктів із довгим терміном зберігання або продуктів, які відповідають відповідним нормативам.

Питання: Чи може виділення поверхні впливати на електричні характеристики моєї друкованої плати?

A: Так, обробка поверхні впливає на здатність до паяння, втрати сигналу, узгодження імпедансу, окиснення та загальну якість друкованої плати. У порівнянні з HASL, ENIG особливо підходить для високошвидкісних та високоточних кіл.

Питання: Чи завжди ENIG є найкращим покриттям поверхні друкованих плат для кожного проекту?

A: Хоча обробка поверхні ENIG забезпечує відмінну плоскість, стійкість до корозії та довгий термін служби, вона не є необхідною для всіх проектів друкованих плат через її вищу вартість. Для конструкцій, у яких використовуються лише великі компоненти або проста технологія отворів, обробка поверхні HASL є гарним варіантом завдяки нижчій вартості та простоті повторного монтажу. Однак для BGA, HDI чи плат, що працюють в жорстких умовах, обробка поверхні ENIG є оптимальним рішенням для забезпечення найкращого виходу складання та довготривалої надійності.

Питання: Які найпоширеніші дефекти пов'язані з кожним типом покриття?

A: Для процесу HASL типовими дефектами є мостики з припою (через неоднорідну обробку поверхні) та неоднакова висота контактних майданчиків, що ускладнює монтаж компонентів із дрібним кроком. Для процесу ENIG найсерйознішим дефектом є явище «чорної плями» — різновид корозії нікелю, який може перешкоджати утворенню паяних з'єднань за недостатньо суворого контролю процесу.

Питання: Як обрати найкраще покриття поверхні друкованої плати для життєвого циклу мого продукту?

Відповідь: Оптимальна обробка поверхні друкованої плати (ДП) залежить від усього її життєвого циклу: чи потрібна міжнародна доставка ДП? Чи потрібне тривале зберігання? Чи буде вона піддаватися високій вологості або частим коливанням температури? У цих випадках вибір між HASL та ENIG має велике значення. ENIG забезпечує надійний захист під час міжнародних перевезень і тривалого зберігання, тоді як HASL підходить для складання за потребою та менш вимогливих застосувань.

Висновок: Вибір найкращого покриття поверхні друкованої плати

Вибір правильного процесу обробки поверхні друкованої плати вимагає зважування різних факторів, таких як технічні, економічні та логістичні вимоги. Хоча HASL і ENIG є двома найпоширенішими процесами обробки поверхні для сучасних друкованих плат, їхня реальна продуктивність може значно відрізнятися залежно від вимог проекту.

• HASL (гаряче вирівнювання припою струменем повітря) — це широко використовуваний процес обробки поверхні, придатний для проектів із низькими вимогами до вартості, простими процесами або невисокими вимогами до плоскості поверхні. Цей процес сумісний з більшістю компонентів SMT і крізних отворів, що робить його дуже гарним варіантом для користувачів, які прагнуть знизити витрати на виробництво.
• ENIG (електролізне нікелювання з іммерсійним золотом) — це процес обробки поверхні, який забезпечує рівну поверхню, відмінний опір корозії, відповідність екологічним вимогам та чудову зварюваність для складних завдань проектування та виробництва друкованих плат (PCB). Хоча ENIG є дорожчим за високопрілипальну срібну обробку (HASL), його більша довговічність, вищий вихід продукції та тривалий термін зберігання роблять його ідеальним способом обробки поверхні для високонадійних, високощільних та високовартісних друкованих плат.

Таблиця основних висновків:

Останні поради щодо вибору правильного виду поверхневого покриття друкованої плати:

• Звертайтеся до виробника друкованих плат якомога раніше; вони допоможуть вам обрати метод поверхневої обробки, який найкраще підходить для технології вашого проекту та ринку.
• Для продуктів, що потребують SMD з дрібним кроком, HDI або тривалого терміну зберігання, надійність, яку забезпечує ENIG, просто не має собі рівних порівняно з HASL.
• Для прототипування, виробництва електроніки аматорами чи друкованих плат із великим проміжком між падами та простими вимогами, HASL залишається одним із найбільш економічних варіантів.
• Під час вибору процесу поверхневої обробки друкованої плати для вашого застосування обов’язково оберіть рішення, яке найкраще відповідає вимогам до продуктивності продукту, експлуатації в різних умовах та стандартам відповідності.

У швидко розвиваючійся електронній індустрії вибір правильного процесу обробки поверхні друкованих плат є ключовим навиком, яким має володіти кожен інженер і фахівець з закупівель. Незалежно від того, чи пріоритетом є продуктивність, відповідність вимогам, вартість чи довговічність, розуміння переваг і недоліків поверхневих покриттів HASL та ENIG допоможе приймати точні рішення та зрештою створювати продукти на основі друкованих плат, які перевершують очікування.