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PCB不同可焊表麵處理及無鉛製程講解

time : 2019-08-12 09:17       作者:蜜柚app官网pcb

一、目前PCB各種常用的可焊表麵處理分別為:
保焊劑(OSP) --Organic Solderability Preservatives
噴錫(HASL)--- Hot Air Solder Levelling
浸銀(Immersion Silver Ag)
浸錫(Immersion Tin Sn)
化鎳浸金(Electroless Nickel Immersion Gold, ENIG) 
2004年因噴錫板已突破設備、材料(Sn-Cu-Ni)的瓶頸,並成功量產,故噴錫已成PCB無鉛表麵處理的首選(目前Sn63/Pb37多層板噴錫市場占有率為90%以上)
 
二、各種常用可焊表麵處理焊接BGA後(約美金100cent銅幣大小的BGA圖一),經拉力試驗所得知強度比較表
處理Finish 拉力Min ?bs 拉力 Avg ?bs 拉力Max ?bs 落差?bs 保焊劑OSP 384 395 404 20 噴錫HASL 376 396 410 34 浸銀Ag 373 389 401 28 浸錫Sn 350 382 404 54 化鎳浸金ENIG 267 375 403 136
上表摘自PC FAB上的資料
約美金100cent銅幣大小的BGA
< 圖一 >

三、各種表麵處理的優點及缺點比較

表麵處理 優點 缺點 保焊劑O.S.P.
(a)焊錫性特佳是各種表麵處理焊錫強度的指標(benchmark);
(b)對過期板子可重新Recoating一次;
(c)平整度佳,適合SMT裝配作業;
(d)可作無鉛製程。
(a)打開包裝袋後須在24小時內焊接完畢,以免焊錫性不良;
(b)在作業時必須戴防靜電手套以防止板子被汙染;
(c)IR Reflow的peak temp為220℃對於無鉛錫膏peak temp要達到240℃時第二麵作業時之焊錫性能否維持目前被打問號“?”,但喜的是目前耐高溫的O.S.P已經出爐, 有待進一步澄清;
(d)因OSP有絕緣特性,因此testing pad一定有加印錫膏作業以利測試順利。在有孔的testing pad更應在鋼板stencil用特殊的開法讓錫膏過完IR後,隻在pad及孔壁邊上而不蓋孔,以減少測試誤判;
(e)無法使用ICT測試,因ICT測試會破壞OSP表麵保護層而造成焊盤氧化。
噴錫板HASL
(a)與OSP一樣其焊錫性也是特性, 也同樣是各種表麵處理焊錫強度指標(Benchmark);
(b)由於錫鉛板測試點與探針接觸良好¸測試比較順利;
(c)目前製程與QC手法無須改變;
(d)由於噴錫多層板在有鉛製程中占90%以上,而且技術較成熟,而無鉛噴錫目前與有鉛噴錫的差異僅是噴錫設備的改良及材料(63/37改Sn-Cu-Ni)更換,故無鉛噴錫仍是無製程的首選。
(a)平整度差find pitch,SMT裝配時容易發生錫量不致性, 容易造成短路或焊錫因錫量不足造成焊接不良情形。
(b)噴錫板在PCB製程時容易造成錫球(Solder Ball)使得S.M.T裝配時發生短路現象發生。
浸銀Ag
(a)平整度佳適合S.M.T裝配作業;
(b)適合無鉛製程;
(c)未來無鉛製程之王座後選板。
(a)焊錫強度不如OSP或HASL;
(b)基本上不得Baking, 如育Baking必須在110℃, 1小時以內完成,以免影響焊錫性;
(c)在空氣中怕氧化更怕氯化及硫化,因此存放及作業場所絕對不能有酸,氯或硫化物,因此作業時希望能比照O.S.P.在打開包裝後24小時焊接完畢(最長也須在3天內完成)以避免因水氣問題要Baking時又被上述條件限製而進退兩難;
(d)包裝材料不得含酸及硫化物。
浸錫
(a)平整度佳適合SMT裝配作業;
(b)可作無鉛製程。
(a)焊錫強度比浸銀還差;
(b)本為無鉛製程明天之星, 但因儲存時及過完IR Reflow後IMC (Intermetallic compound)容易長厚,而造成焊錫性不良;
(c) 基本上不得Baking, 如育Baking 必須在110℃, 1小時以內完成,以免影響焊錫性;
(d) 希望能比照O.S.P.在打開包裝後24小時焊接完畢(最長也須在3天內完成) 以避免因水氣問題要Baking時又被上述條件限製而進退兩難。
化鎳浸金
ENIG
(a)平整度佳適合SMT裝配作業;
(b)由因金導電性特性對於板周圍須要良好的接觸或對於按鍵用的產品如手機類仍是最佳的選擇;
(c)可作無鉛製程。
(a)焊錫強度最差;
(b)容易造成BGA處焊接後之裂痕,其原因為先天焊錫強度很差,裝配線操作空間小,也可能是PCB板本身上鎳容易氧化,操作空間同樣很小,因此PCBA及PCB間常為此問題爭議不斷。
化鎳浸金加保焊劑
ENIG + O.S.P
(a)此為改良型的化鎳浸金作法,其目的是保存在要導電接觸區或按鍵區保留化鎳浸金。但將要焊接的地方或重要焊接地方如BGA處改為O.S.P.作業。如此一來即可保留化鎳浸金的最佳導電又可保持O.S.P.的最佳焊錫強度,目前手機板大部份用此方式作業;
(b)平整度佳適合作SMT裝配作業;
(c) 適合無鉛製程。
(a) 其缺點與保焊劑O.S.P相同;
(b) 由於是兩種表麵處理PCB作業及流程繁多。製程也複雜,成本增加,價錢較貴在所難免。
 
四、一般含鉛製程及無鉛製程IR Reflow比較圖
一般含鉛製程及無鉛製程IR Reflow比較圖Lead free reflow(SnCuNi)
 兩者比較得知
無鉛IR Reflow的 Peak temp比含鉛多了約240℃-225℃=15℃
Peak TEMP的時間多了 20-5=5 Sec 多了四倍
Preheat也多了約(150~180℃)-(140~170℃)=10℃
 
為避免裝配時減少IR Reflow對Z axis expansion的衝擊, 造成孔壁破拉裂,
建議凡板厚超越70mil(1.8m/m)或12層板以上用無鉛製程者一律采用High Tg 170℃)的材料而不是一般FR4 Tg(135℃)的材料。
Z axis expansion Before Tg  5.0*10-5 m/m℃
Z axis expansion After Tg   25.0*10-5  m/m℃