Acabado de superficies
¿Qué es el tratamiento de superficies de PCB?
El tratamiento de la superficie de una PCB se refiere a las interconexiones metálicas entre el cobre expuesto y los componentes en las áreas soldables de una placa de circuito impreso (PCB). Una PCB tiene un sustrato de cobre, que puede oxidarse fácilmente sin una capa protectora, de ahí la necesidad de un acabado superficial.
El tratamiento de la superficie de la PCB es uno de los pasos más críticos en la fabricación y el montaje de PCB, y cumple dos funciones principales: una es proteger los circuitos de cobre expuestos y la otra es proporcionar una superficie soldable para que los componentes se adhieran a la PCB. Como se muestra en el diagrama siguiente, el tratamiento de la superficie se encuentra en la capa exterior de la PCB, encima de la capa de cobre, y actúa como un "recubrimiento" para el cobre.
Tipos de tratamiento de superficies de PCB
- Nivelación de soldadura por aire caliente (HASL)
- Estaño de inmersión (ImSn)
- Oro de inmersión en níquel no electrolítico (ENIG)
- Conservante de soldabilidad orgánico (OSP)
- Plata de Inmersión (ImAg)
- Níquel no electrolítico Oro de inmersión en paladio no electrolítico (ENEPIG)
- Oro duro (oro duro electrolítico)
Procesos de tratamiento de superficies de PCB
Nivelación de soldadura por aire caliente (HASL)
El nivelado de soldadura por aire caliente (HASL) es uno de los métodos de tratamiento de superficie más utilizados en la industria. El HASL se divide en dos tipos: soldadura con plomo y soldadura sin plomo. Además, es uno de los tratamientos de superficie para PCB más económicos disponibles.
Para formar un acabado de superficie HASL, la placa de circuito se sumerge en soldadura fundida (estaño/plomo), que cubre todas las superficies de cobre expuestas de la placa. Después de dejar la soldadura fundida, se sopla aire caliente a alta presión sobre la superficie utilizando una cuchilla de aire, nivelando los depósitos de soldadura y eliminando el exceso de soldadura de la superficie de la PCB.
Durante este proceso se deben controlar varios parámetros críticos: temperatura de soldadura, temperatura de la cuchilla de aire, presión de la cuchilla de aire, tiempo de inmersión y velocidad de elevación.
Los puntos clave para la nivelación de PCB con aire caliente son:
- La PCB debe sumergirse en soldadura fundida.
- La cuchilla de aire sopla la soldadura líquida antes de que se solidifique.
- La cuchilla de aire minimiza el menisco de soldadura en la superficie de cobre y evita que se formen puentes de soldadura.
Debido a problemas de rugosidad de la superficie, HASL tiene limitaciones para aplicaciones SMT (tecnología de montaje superficial) y no se puede utilizar para interruptores táctiles.
Si la PCB se somete a altas temperaturas, el cobre puede disolverse, especialmente en placas gruesas o delgadas, lo que dificulta la soldadura.
Ventajas y desventajas de la nivelación de soldadura con aire caliente (HASL)
Ventajas:
- Abundante suministro
- reelaborable
- Excelente vida útil
- Excelente soldabilidad
- Rentabilidad
- Permite ventanas de procesamiento más grandes
- Mayor tiempo de almacenamiento
- Las almohadillas están completamente cubiertas con soldadura antes de soldar.
- Adecuado para soldadura sin plomo
- Una opción madura para el tratamiento de superficies
- Permite la inspección visual y la medición eléctrica.
Desventajas:
- Superficie irregular
- No apto para paso fino
- Con plomo (HASL)
- Choque termal
- Puente de soldadura
- PTH reducida (agujero pasante recubierto)
- Diferencias de grosor/morfología entre almohadillas grandes y pequeñas
- No apto para SMD y BGA con pasos inferiores a 20 milésimas de pulgada.
- No apto para productos HDI
- No apto para unión de cables.
Estaño de inmersión (ImSn)
El estaño de inmersión (ImSn) es un acabado metálico depositado a través de una reacción de desplazamiento químico, aplicado directamente al metal del sustrato de la placa de circuito (es decir, cobre).
El ImSn protege el cobre subyacente de la oxidación durante su vida útil prevista. Dado que toda la soldadura está basada en estaño, la capa de estaño puede adaptarse a cualquier tipo de soldadura.
La adición de aditivos orgánicos a la solución de inmersión en estaño crea una estructura granular en la capa de estaño, superando los problemas relacionados con los bigotes de estaño y la migración de estaño mientras mantiene una buena estabilidad térmica y soldabilidad.
El proceso de inmersión en estaño puede formar un compuesto intermetálico de cobre y estaño plano, proporcionando una buena soldabilidad sin problemas relacionados con la planitud o la difusión del compuesto intermetálico.
Ventajas y desventajas del estaño de inmersión (ImSn)
Ventajas:
- Proporciona una excelente planitud (adecuada para SMT), adecuada para componentes de paso fino/BGA/más pequeños.
- Una tecnología de tratamiento de superficies sin plomo de coste medio.
- Logra una planitud adecuada.
- Mantiene una buena soldabilidad después de múltiples excursiones térmicas.
- Adecuado para líneas de producción horizontales.
- Adecuado para geometría fina y montaje sin plomo.
Desventajas:
- Sensible al procesamiento.
- Vida útil corta; pueden aparecer bigotes de estaño después de 6 meses.
- Corrosivo para la máscara de soldadura.
- No se recomienda su uso con mascarillas removibles.
- No apto para interruptores táctiles.
- Las pruebas eléctricas requieren configuraciones especiales (aterrizaje suave de la sonda).
Oro de inmersión en níquel no electrolítico (ENIG)
El tratamiento superficial ENIG (deposición química de níquel-oro por inmersión) se considera tradicionalmente la mejor opción para superficies planas (de paso fino) y aplicaciones sin plomo.
La ENIG es un proceso de dos pasos en el que se aplica una fina capa de níquel seguida de una fina capa de oro. El níquel actúa como barrera entre el cobre y la superficie de soldadura, mientras que el oro protege al níquel de la oxidación durante el almacenamiento.
El espesor típico de Ni es de aproximadamente 3-6 μm, y el espesor depositado de Au es de aproximadamente 0.05-0.1 μm.
El Ni actúa como una capa de barrera entre la soldadura y el cobre.
El Au evita que el Ni se oxide durante el almacenamiento, lo que extiende su vida útil, mientras que el proceso de enchapado en oro también produce una excelente planitud de la superficie.
El proceso de tratamiento ENIG es el siguiente: limpieza → grabado → catálisis → niquelado químico → dorado → limpieza de residuos.
Si bien este proceso de recubrimiento tiene una larga vida útil y es beneficioso para los orificios pasantes revestidos, es un proceso complejo y costoso, no se puede retrabajar y se sabe que causa pérdidas en los circuitos de señales de RF.
Ventajas y desventajas del oro por inmersión en níquel químico (ENIG)
Ventajas:
- Superficie plana
- Sin plomo
- Adecuado para PTH (orificio pasante enchapado)
- Larga vida de anaquel
Desventajas:
- Costoso
- No reelaborable
- Problemas con la almohadilla negra y el níquel negro
- Pérdidas de señal de RF
- Proceso complejo
Conservante de soldabilidad orgánico (OSP)
Los agentes anticorrosión o OSP (conservantes orgánicos de soldabilidad) generalmente implican la aplicación de una capa protectora muy fina de material sobre el cobre expuesto mediante un proceso de cinta transportadora para proteger la superficie del cobre de la oxidación.
Esta película debe poseer propiedades tales como antioxidación, resistencia al choque térmico y resistencia a la humedad para evitar la oxidación (oxidación o sulfuro, etc.) en condiciones ambientales normales.
Sin embargo, durante la soldadura posterior a alta temperatura, esta película protectora debe ser removida fácilmente por el fundente, permitiendo que la superficie de cobre limpia y expuesta se adhiera inmediatamente con la soldadura fundida, formando una unión de soldadura fuerte en muy poco tiempo.
En otras palabras, el papel del OSP es actuar como barrera entre el cobre y el aire.
El proceso general para OSP es: desengrasado → micrograbado → lavado ácido → lavado con agua pura → recubrimiento orgánico → limpieza.
El OSP utiliza un compuesto orgánico a base de agua que se une selectivamente al cobre, lo que proporciona una capa metálica orgánica que protege el cobre antes de la soldadura. En comparación con otros acabados comunes sin plomo, también es muy respetuoso con el medio ambiente, ya que estos últimos son más tóxicos o consumen más energía.
Ventajas y desventajas del conservante orgánico de soldabilidad (OSP)
Ventajas:
- Superficie plana
- Proceso simple, superficie muy lisa, soldadura sin plomo y SMT
- Reelaborable, apto para líneas de producción horizontales.
- Rentabilidad
- Sostenible.
Desventajas:
- No se puede medir el espesor
- No apto para PTH (orificio pasante enchapado)
- Vida útil corta
- Puede causar problemas de TIC (pruebas en circuito)
- Cobre expuesto durante el montaje final
- Sensible al procesamiento
- No se puede soldar (reelaborar) más de dos veces.
- No apto para técnicas de engarce y unión de cables.
- Incómodo para la medición visual y eléctrica.
- Requiere inyección de óxidos de nitrógeno para SMT
Plata de Inmersión (ImAg)
La plata por inmersión es un tratamiento químico de superficie no electrolítico que se aplica sumergiendo la placa de circuito impreso de cobre en un baño de iones de plata. Es ideal para placas de circuitos con protección EMI y también se utiliza para contactos de cúpula y unión de cables. El espesor medio de la superficie de la plata es de 5 a 18 micropulgadas.
Teniendo en cuenta cuestiones medioambientales modernas como RoHS y WEEE, la plata de inmersión es más respetuosa con el medio ambiente que HASL y ENIG. También es popular porque su coste es inferior al de ENIG.
Incluso los PCB procesados mediante inmersión en plata pueden proporcionar un buen rendimiento eléctrico y mantener una buena soldabilidad cuando se exponen a altas temperaturas, humedad y ambientes contaminados, aunque pueden perder su brillo.
La inmersión en plata es una reacción de desplazamiento que deposita una capa de plata pura directamente sobre el cobre.
A veces, la plata de inmersión se combina con recubrimientos OSP para evitar que la plata reaccione con los sulfuros del medio ambiente.
Las aplicaciones comunes incluyen requisitos planos, que pueden incluir:
- Interruptores de membrana
- blindaje EMI
- Unión de alambre de aluminio
- Trazas muy finas
Ventajas y desventajas de la plata de inmersión (ImAg)
Ventajas:
- Alta soldabilidad.
- Buena planitud de la superficie.
- Bajo costo y sin plomo (cumple con los estándares RoHS).
- Adecuado para la unión de cables de aluminio.
Desventajas:
- Altos requisitos de almacenamiento.
- Propenso a la contaminación.
- Ventana de montaje corta después de sacarlo del embalaje.
- Es difícil realizar pruebas eléctricas.
Níquel no electrolítico Oro de inmersión en paladio no electrolítico (ENEPIG)
El acabado superficial de ENEPIG consiste en una estructura de capas de cobre-níquel-paladio-oro, lo que permite la unión directa del cable al revestimiento. La última capa de oro es muy fina, similar a la de ENIG. La capa de oro es una capa de protección, mientras que la capa de paladio evita la oxidación de la capa de níquel, lo que aumenta la soldabilidad.
La principal ventaja de ENEPIG es que es adecuado tanto para aplicaciones de montaje en superficie como de unión de cables.
Ventajas y desventajas del níquel químico, paladio químico y oro por inmersión (ENEPIG)
Ventajas:
- Buena soldabilidad.
- Previene la oxidación de la capa de níquel.
- Adecuado para aplicaciones de montaje superficial y unión de cables.
Desventajas:
- Más caro que los acabados tradicionales.
- Procesamiento más complejo.
Oro duro (oro duro electrolítico)
El oro duro es un proceso de enchapado electrolítico de oro que deposita una capa de oro más gruesa (aproximadamente de 2 a 6 μm) que la que se encuentra en otros acabados superficiales. El enchapado se realiza utilizando una base de níquel, lo que es un proceso costoso.
El enchapado en oro duro ofrece una excelente resistencia al desgaste, lo que lo hace adecuado para aplicaciones con un alto rendimiento físico y mecánico. Se utiliza principalmente para conectores, contactos de interruptores y otras aplicaciones de alta confiabilidad, pero no es adecuado para la soldadura de PCB.
