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電路板表面處理的目的？整理幾種常見PCB finished的優缺點

（前言：這只是一篇關於【電路板表面處裡(Finished)】的整理文，工作熊個人僅從事過電子工廠後段的電路板組裝，而未從事過電路裸板的生產製程，所以 這些見解純粹只是個人看法，如果有些不一樣的聲音或錯誤的地方歡迎留言討論或指正。）

先簡單說明一下什麼是電路板的表面處理，大家應該都知道PCB是由一層銅箔線路+一層絕緣材料這樣一層層疊起來的，如果把銅箔直接暴露在空氣當中，會發生什麼事？沒錯！會發生氧化及腐蝕，所以我們必須要針對銅箔來做一些保護以隔絕銅箔與空氣的接觸。那要怎麼保護呢？不知道大家有沒看過鐵窗需要刷油漆，小時候我們家的鐵窗有好幾年幾乎都是工作熊在漆，鐵窗刷油漆的目的就是為了要隔絕鐵窗與空氣接觸並減緩氧化生鏽的速度。

所以，電路板表面處理（PCB Surface Finish）的主要目的在保護電路板表面的銅箔層不至於與空其直接接觸而氧化，並與焊錫直接或間接形成有效的焊接，達到電氣導通，固定電子零件之目的。

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隨著時代的演進，科技的進步，環保的要求，電子業也隨著時代的巨輪主動或被迫的前進，電路板的科技何嘗不是如此。這裡的幾種電路板表面處理是目前業界較常見的製程，工作熊只能說目前並沒有那一種表面處理是最完美的，所以才會有這麼多種選擇，每一種表面處理也都各有其優缺點，下面工作熊將試著列舉說明：

裸銅板:

「裸銅板」顧名思義就是在電路板的銅箔表面沒有做任何的表面處理保護措施，最外層的線路完全裸露，一旦拆封之後就直接與空氣接觸。

裸銅板優點：

• 成本低、表面平整度高，焊接性良好（注意：是在還沒有氧化前的情況下）。

裸銅板缺點：

• 因為沒有任何保護，所以容易受到酸及濕度影響，不能久放，拆封後需在2小時內用完，因為銅暴露在空氣中容易氧化；無法使用於雙面製程，因為經過第一次回流焊後第二面就已經氧化了。
• 如果有測試點，必須加印錫膏以防止期持續氧化，否則後續將無法與探針接觸良好。

噴錫板(HASL，Hot Air Solder Leveling，熱風焊錫整平):

HASL俗稱噴錫板，是在銅箔的表面噴上一層高溫液態錫來保護銅箔，然後用熱風形成的風刀來整平PCB的表面錫，常見的噴錫設備可大致分為垂直與水平兩種，各有優缺點。

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噴錫板的優點：

• 新鮮的錫可以獲得較佳的潤濕(Wetting)效果，因為鍍層本身就是錫，相對ENIG來說價錢也較低，但是價錢比OSP高。噴錫板的焊接性能也佳，但這通常只有僅針對第一面回焊(1st reflow)，對於第二回焊面就不一定有這個優點。

噴錫板的缺點：

• 不適合用來焊接細間隙腳以及過小的零件，因為噴錫板的表面平整度較差，尤其是第二面回焊時，已經過了一次回焊，表面的噴錫經過第一次回焊後可能重新熔融過，將造成焊墊的平整度變得更差，當然這可以靠錫膏厚度來克服，但不要忘了細間腳不建議太厚的錫膏。
• 在PCBA製程中容易產生錫珠(solder beads)，對細間腳(fine pitch)零件較易造成短路。
• 使用於雙面SMT製程時，因為第二面已經過了第一次高溫回流焊的洗禮，所以極容易發生噴錫重新熔融而產生錫珠或類似水珠受重力影響形成滴落球狀的錫點，容易造成表面更不平整，進而影響焊錫問題。
• 另外，第二回焊面也可能在第一次回焊時就發生錫氧化與IMC增厚影響，吃掉錫層而影響到焊性的問題，尤其容易發生在噴錫厚度較薄的板子上。

延伸閱讀：
無鉛噴錫板(HASL)上錫不良原因(資料收集)

化錫板(Immersion Tin, Im-Sn，浸鍍錫):

化錫板也稱浸錫板與HASL的最大差異是化錫板為利用化學置換的方法在銅箔的表面沉積一層「錫」，所以中文才稱之為化錫板，也因為是化學錫，所以化錫板的錫層表面非常平坦，但卻無法沉積太厚；而HASL則是利用融熔的液態錫來附著於銅箔表面，在錫與銅之間已經生成IMC，平整度較差。

化錫板的優點：

• 表面平整。
• 價格具競爭性。
• 較佳的焊接效果。因為鍍層本身就是錫，但只有僅針對第一面回焊(1st reflow)，對於第二回焊面就不一定有這個優點。

化錫板的缺點：

• 純錫容易發生錫鬚(Tin Whiskers)。
• 雙面回焊製程中，因第二面已經過一次回焊的高溫洗禮，表面錫容易重新融熔產生錫珠或類似水珠受重力影響而形成滴落球狀的錫點，使得第二面的表面不平整，進而影響焊錫問題。
• 第二回焊面也可能在第一次回焊時就發生錫面氧化，或是錫銅IMC增厚影響，吃掉錫層而影響到焊性的問題，尤其化錫的厚度大多較薄。

化金板(ENIG，Electroless Nickel Immersion Gold，無電鍍鎳浸金):

ENIG是利用化學方法在銅箔的表面先塗布上一層「鎳」，然後再塗布上一層「金」，「金」在ENIG電路板的作用只是在保護鎳層不至於與空氣接觸而氧化影響到之後的焊錫品質。

ENIG板的優點：

• 不易氧化，可長時間儲放，表面平整，適合用於焊接細間隙腳以及焊點較小的零件。有按鍵線路電路板的首選(如手機板)。可以重複多次回流焊也不太會降低其焊錫性。可以用來作為COB(Chip On Board)打線的基材，但需有一定的金層厚度。ENIG之所以不易氧化是因為表面金保護了底層鎳，所以金層厚度就很重要了，金層太薄了就無法保護鎳，太厚了又會阻礙鎳錫合金的形成。

ENIG板的缺點：

• 成本較高，焊接強度較差，因為IMC為錫鎳合金。而且使用無電鍍鎳製程，容易有黑墊/黑鉛的問題產生。鎳層會隨著時間氧化，長期的信賴度是個問題。

延伸閱讀：
零件掉落與電路板鍍金厚度的關係
ENIG表面處理是什麼電路板？有何優缺點？
[影片]電路板生產線製程簡介(PCB Production Process)
ENIG表面處理PCB焊墊的兩大潛在問題(黑鎳與富磷層)及預防措施

OSP板(Organic Soldering Preservative，有機保護膜):

OSP是利用化學方式在銅的表面長出一層有機的護銅劑。這層有機護銅劑在高溫下可以很容易地被助焊劑迅速地清除並露出潔淨的銅面與錫膏形成焊接。有機護銅劑的厚度越厚，對於銅箔的保護性就越好，但是相對地也就需要較強活性的助焊劑才能清除它以利焊接進行。

OSP板的優點：

• 價錢便宜。在多種PCB表面處裡中，除了比裸銅板貴一點點之外，就屬OSP最便宜。
• 具有裸銅板焊接的所有優點，新鮮的板子焊接性良好，過期（三個月或六個月）的板子也可以重新再做表面處理，但通常以一次為限，還要看表層線路是否有極細線路或焊墊，因為重新處理會吃掉少許的銅面，如果太細的線路則無法重新處理。
• OSP為銅基地，新鮮的OSP焊錫強度佳，可以承受較大的衝擊應力。新鮮的銅基地所形成的焊錫強度比鎳基地來得優，但是會隨著時間老化。（延伸閱讀：用數據比較OSP及ENIG表面處理電路板之焊接焊錫焊點強度）

OSP板的缺點：

• 容易受到酸及濕氣的攻擊而影響到保護銅面的效果。使用於二次回流焊時，需在一定時間內完成，通常第二次回流焊(reflow)的效果會比較差。另外，OSP板存放時間如果超過三個月或六個月就必須重新做表面處理，詳細的資訊可能要與原板廠聯繫看使用的OSP材質可以耐3個月或6個月的保存期限。一般要求打開包裝後需在24小時內用完。
• OSP薄膜為絕緣層，所以測試點(Test Point)必須加印錫膏以去除原來的OSP薄膜才能讓針頭接觸測試點作電性測試。
• OSP板子無法作為按鍵接觸的表面處理，因為其護銅薄膜無法承受太多次的按鍵摩擦造成露銅，使用一段時間後會發生氧化，造成按鍵接觸不良。
• 另外，OSP板子為銅基地，焊錫後初始會生成Cu₆Sn₅的良性IMC，但經過時間推移老化後則會漸漸生成Cu₃Sn的劣性IMC，造成信賴性問題，所以如果需要長期使用於高溫環境或需要較長使用壽命的產品必須多加考慮OSP的長期信賴性問題。

延伸閱讀：
什麼是OSP(有機保焊膜)表面處理電路板？有何優缺點？

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化銀板(Immersion silver, Im-Ag)、沉銀板、浸銀板

首先，工作熊個人沒有實際使用過化銀板的經驗。所以，以下關於化銀板的資訊就是從我三姑媽及六姑婆那裡聽來並融合自己的想法出來的。看看就好，有專家路過請不吝指教。

化銀板的表面處理製程其實很簡單，它就是使用賈凡尼效應原理，直接用銀(Ag)去置換PCB的表面銅箔(Cu)就可以完成了：

2Ag⁺ + Cu → 2Ag + Cu²⁺

在正常的環境下，銅的電位比較高，所以會丟掉電子，被氧化（Cu –> 2e^– + Cu²⁺）；而銀的電位比較低，則會獲得電子，被還原（2Ag⁺ + 2e^– –> 2Ag）。

化銀板的優點：

• 因為表面銀是置換沈積而來的，所以化銀具有良好的表面平整度，就類似化金，而且「銀」的價格應該比「金」來得便宜。
• 「銀」在焊接中可以改善焊接的潤濕性，一定比率的「銀」也可以增強焊點強度，提高抗疲勞性，通過冷熱衝擊測試。但是「銀」含量如果太高（重量比超過4%)，焊點反而會變脆，這點必須注意。

• 「銀」雖然也會於錫在高熱中起反應形成Ag₃Sn的IMC，但是這層「銀」非常薄，在焊接過程中應該與ENIG中的「金(Au)」扮演保護底銅免於氧化的角色，所以焊接後實際的IMC應該還是錫銅合金。

化銀板的缺點：

就工作熊個人的瞭解，化銀板好像只有在RoHS剛開始實施時流行過一陣子，後面就比較少人使用了。

• 因為焊錫中「銀」的含量如果超過一定比率，在焊接的過程中會容易長出錫鬚(wick)。使用期間也有機會發生電子遷移(Electromigration)長出晶枝(dendrite)造成品質的問題，不利細間距的產品。
• 而且還傳出化銀在IMC層下方容易生成微小氣泡影響產品的可靠度，尤其是BGA零件。
• 化銀板放置於大氣中容易受環境污染硫化影響外觀及焊接品質。一般建議開封後48H內要用完。

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