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  • 電子百科 | 如何為無鉛PCB選擇合適的表面處理

    作者: 迅得電子
    發布日期: 2019-08-19 00:00:00

    無鉛PCB最初研究生產出來完全是因為了符合歐盟頒布的進口電子商品在環境保護方面的規定,即ROHS,全稱是《關于限制在電子電氣設備中使用某些有害成分的指令》。所以,PCB生產商便開始從生產有鉛電路板逐步轉換到生產無鉛電路板。



    焊點里的鉛元素主要來源于元器件引腳、PCB焊盤和焊料。為了保證焊點里鉛的質量分數符合ROHS規定,電路板選擇的表面處理方式也要符合ROHS規范。如今,很多符合無鉛PCB要求的表面處理方式,其中,最廣泛應用的有化學鎳金(ENIG)、浸錫、浸銀和OSP(有機保焊膜)。



    由于每個表面處理都有各自的優缺點,所以,弄清楚選擇哪種表面處理最適合你的電子產品是非常重要的。因此,本文將從應用領域、成本、儲存期、可焊性等方面分析各表面處理,以便您能夠為無鉛PCB選擇最佳的表面處理方式。



    化學鎳金(ENIG)



    化學鎳金,英文縮寫為ENIG,英文全稱為Electroless Nickel/Immersion Gold。ENIG的結構如下圖:
     

    作為一種符合無鉛PCB要求的表面處理方式,化學鎳金的優勢明顯,包括儲存期長,可焊性強,表面平整。而它的缺點主要在于高成本和黑盤風險。



    黑盤是主要發生在化學鎳金表面的一種缺陷,是鎳層受到了嚴重的腐蝕造成的。由于斷裂的鎳層看起來發灰、發黑,所以叫做“黑盤”。



    黑盤的主要缺陷是它很難去除,而且,很難用肉眼看出來。所以,產品的可靠性受到極大的威脅。



    化學鎳金的缺點包括以下幾點:



    1. 不潤濕


        不潤濕是導致黑盤產生的直接原因。通常情況下,一旦化學鎳金板產生黑盤,那么就無法承受應力效果。一旦產品經過高低溫循環測試、抖動測試和每天的插拔動作,焊點便會發生斷裂,降低產品可靠性。



    2. 容易腐蝕


        化學鎳金的焊點在濕潤環境中更容易受到腐蝕,因為金層很薄,有針孔,不過,金是不會受到腐蝕的,反而是金層下面的鎳會受到腐蝕。



    總結
     

    浸錫(Im-Sn)



    浸錫,英文縮寫為Im-Sn,指的是通過置換反應在干凈的銅表面生成一層錫的過程。由于是置換反應,表面處理的厚度有限制,通常是1μm.



    浸錫的缺點主要包括:



    1. 不耐貯存


        錫層和銅基體即使在常溫環境下也會彼此擴散。在室溫環境下,錫的擴散速度大約在0.144nm/s到0.166nm/s,錫可以在室溫下貯存30天。同時,錫的厚度會減少0.23μm轉變為金屬化合物。回流焊接后,厚度還會再減少0.8μm。如果產品需要錫的貯存期為180天,那么焊接就要進行三次。浸錫的最低厚度必須在1.28μm以上,不過,這很難達到。因為通常的厚度僅為1.15μm。



    2. 變色


        在焊接的過程中,隨著溫度不斷升高,浸錫層顏色會發生變化,是有機污染物或者二氧化錫造成的。通常情況下,二氧化錫越厚,顏色越深。



    3. 不適合精細組裝


        由于焊錫化學藥水對大多數阻焊都有侵蝕作用,所以阻焊不能太小,否則會斷裂。因此,浸錫不適用于精細間距組裝。



    4. 錫須


        錫須對于浸錫如同黑盤對于化學浸金。浸錫的主要缺陷是產生錫須,所以,焊盤之間的間距要保持在0.4mm以上。



    5. 藥水侵蝕


        由于化學藥水的侵蝕,塞孔墨水會發生斷裂,會隱藏一些藥水,在接下來焊接的過程中,這些藥水要被擠出,嚴重降低產品的外表和功能。



    總結
     

    浸銀(Im-Ag)



    浸銀的英文縮寫是Im-Ag,是在藥水的作用下生成一層銀。這層銀并不是純銀,而是帶有有機物質的銀,有機物質的質量分數大約為30%。



    浸銀作為表面處理方式,其缺點有:



    1. 微孔洞


        直徑不足0.05mm的微孔洞總是在銀表面生成。孔洞會嚴重降低焊點的強度,這點在PCB板遭受撞擊的時候尤其明顯。這樣,有的產品甚至能夠產生報廢。



    2. 爬行腐蝕


        爬行腐蝕是浸銀作為表面處理方式的一種主要缺陷。因為阻焊層邊緣暴露的銅和大面積銀表面結合,造成電阻耦合,潮濕環境中就會造成電化學腐蝕。



    3. 銀遷移


        銀遷移通常發生在厚膜電路或內部IC中。



    4. 變色


        浸銀表面暴露在空氣中容易變黃或變黑。產生變色的主要原因是銀表面存在小孔,一旦空氣中的鹵化物和銀孔洞發生反應,就會變色。除此以外,焊接過后,顏色也會發生變化。影響焊接過后發生變色主要有兩個因素:鍍層厚度和暴露時間。實驗已經證明,提升鍍層厚度有助于阻礙變色能力的提升,減少暴露時間也會阻止表面顏色發生變化。



    總結
     

    OSP



    OSP是英語Organic Solderability Preservatives的縮寫,中文譯為有機保焊膜,是通過化學方式在干凈的銅表面產生的有機膜。OSP可以用來防止銅面發生氧化,還能防止熱沖擊和潤濕。



    OSP在焊接后面臨的變化包括:



    變化#1


        高溫回流焊爐內幾乎不會發生揮發,質量的損失小于10%,所以,可以采用最薄的厚度。



    變化#2


        在260℃下,OSP不會分解,在這個過程中,OSP直接從固態轉變為氣態。



    變化#3


        OSP在焊接過程中易與氧氣發生反應。



    變化#4


        一旦OSP進入到焊接爐中,很容易變成鐵銹色,可焊性下降。



    變化#5


        OSP用助焊劑比較難去除,所以,應當使用更加強力的助焊劑。



    總結

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