電路板表面處理的目的?整理幾種常見PCB finish的優缺點

整理幾種較常見PCB表面處理的優缺點

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。

電路板表面處理(PCB Surface Finished)的主要目的在保護底部銅層不至於氧化以起到良好的焊接效果與電氣導通特性,而且還要可以持續保護焊接後的焊點不再繼續氧化。







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):

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

HASL噴錫板是在銅箔的表面噴上一層錫來保護銅箔,然後用熱風形成風刀來整平錫面,常見的噴錫設備可大分為垂直與水平兩種,各有優缺點。

噴錫板的優點:

  • 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,但是比OSP價錢高。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,尤其第二面回焊時,已經過了一次回焊,表面噴錫可能重新熔融過,造成焊墊的平整度更差,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 bead),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洗禮,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。

延伸閱讀:
無鉛噴錫板(HASL)上錫不良原因(資料收集)

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

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

ENIG則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。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)

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)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。
  • 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:

  • 容易受到酸及濕度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。存放時間如果超過三個月就必須重新表面處理。一般要求打開包裝後需在24小時內用完。
  • OSP為絕緣層,所以測試點(Test Point)必須加印錫膏以去除原來的OSP層才能讓針頭接觸測試點作電性測試。
  • OSP的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,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,但經過時間推移後則會漸漸生成Cu3Sn的劣性IMC,造成信賴度問題,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的長期信賴度問題。

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?

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:

  • 因為是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,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,在焊接的過程中就容易長出錫鬚(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。

    相關閱讀:
    PCB名詞解釋:通孔、盲孔、埋孔
    何謂硬金、軟金、電鍍金、化金、閃金?
    PCB銅箔厚度、線寬與最大負載電流間的關係

     
     
    訪客留言內容(Comments)

    打開包裝後需在24小時內用完。SOP為絕緣層,所以測試點必須加印錫膏以去除原來的SOP層才能用針點測試。
    ———————————
    SOP 應該是 OSP才對
    缺點:價格較高 >>>這句話應該是錯的

    富;
    改過來囉!
    謝謝指正。

    還有選擇性化金 就是OSP板如果有KEY PAD ,KEY PAD要作化金 這成本也比較高

    OSP為絕緣 層,所以測試點必須加印錫膏以去 除原來的OSP層才能接觸針點作電 性測試>>信賴性問題,通常有測點跟SMT元件,都會選擇性化金,如有錯誤,請不吝嗇指教

    富;
    選擇性化金或選擇性OSP的話基本上就失去了OSP較便宜的誘因了,接下來只剩下焊接性,但焊接性又取決於PCB存放的日期與OSP是否在第二面,所以我大部分見到的做法都是在BGA底下作選擇性OSP,其他地方則使用化金。

    還有化銀板

    Paul;
    不知道您有沒有關於「化銀」更進一步的資料,
    個人沒有使用過「化銀」,所以不是很清楚,「銀」基本上不會參與IMC的形成,所以不能使用太厚的銀。

    除化銀外, 還有化錫,同時噴錫可細分有鉛與無鉛噴錫,
    化銀板由於賈凡尼效應問題,線路設計更應注意tear drop設計,另外,組裝後,有silver migration的問題, BGA錫球處容易形成
    Mirco void, 信賴性要求較高的產品, 對化銀的選擇有此一顧忌.

    受益良多,謝謝!

    還有化錫板與電鍍金板
    化錫板也是要注意賈凡尼效應問題
    電鍍金板Cost 很高,一般為高階產品在用
    Au厚度約金手指Au厚度1/10

    Jason;
    謝謝你提供的資訊。

    請問客戶拿的PCB是2012/4產出的噴錫板
    因為已經一年多了
    所以我們這邊只好 上清潔水抛—BGA部分用橡皮擦擦
    遇到已經生產日期過了一年多的噴錫板
    應該拒絕客戶生產為上策嗎
    我剛幫我爸公司的忙
    如何處理才是最好的方式

    nestfirst;
    1. 原則上我不建議使用噴錫板來上BGA。因為平整度有問題。
    2. 一年以上的PCB焊姓,建議先烘烤然後做焊性測試。焊性不良就可以回答客戶有問題,看看能不能送回PCB廠商重新處理。

    請問 OSP板 SMT後 裸銅區域會變深色,
    廠商測試空板十次回流過錫爐,變色但吃錫性正常,
    這樣未來的壽命信賴性會不會有沒有問題?

    廠商表示是因為 OSP藥劑品牌不同導致的結果
    (某家會變色,也有原廠變色測試的PASS報告)

    JIMIWHA;
    我想問題應該不在裸銅區,OSP板的裸銅區如果沒有吃錫,日後一定會有氧化的問題。
    如果擔心焊錫區的焊性有問題,應該要做切片檢查有沒有生成均勻的IMC才是最可靠的驗證。

    請問
    針對PAD有SOP製程,有測試的方法嗎?
    比如Open/short的測試
    或者是可以清楚OSP的方法
    謝謝

    Hank,
    我想你說的應該是OSP(Organic Solderability Preservative)表面處理,這種板子只要印錫膏過回焊爐吃錫就可以了,或是過波焊爐吃錫也可以去除。

    狂人您好,

    上述的各種板材都有其缺點,

    而在產品輕薄短小,零件尺寸及pitch小型化,PCB雙面回焊製程,周溫愈來愈高,壽命要求愈來愈長的趨勢下,更凸顯這些缺點.

    目前業界似乎多以HASL為主,少部分使用化金,
    不知是否有新的,又經濟且無嚴重缺點的板材可用?
    或是HASL有較新的優化版本或可改善其缺點的迴焊/流焊參數?

    Best regards,
    terry

    Terry,
    現在的PCB表面處理依然還是如同你了解的各有優缺點,新鮮的OSP焊錫強度會比較強,但是庫存保存不易,ENIG可較長效保存,但是焊錫強度較差,還可能有黑鎳的問題
    所以有部份人回頭使用HSAL或是化錫板,只要其平整度及厚度可以控制好,焊錫強度也有不錯的表現。

    PCB的孔洞,會有毛邊,除了毛刷是否有用噴砂方式清除,大陸很多柔性砂材供應商網頁,提到尼龍砂用做電路板表面前處理.
    若是網站內已有相關文章,請惠于提示.
    過去SMD製程也會用到尼龍砂,但是沒有在站內翻到相關文章,不確定是製程改變,還是我疏忽了,若方便,也請惠于提示. 非常感謝!

    Paul,
    Sorry!沒有你需要的資訊。

    感謝您一直提供資訊,請問有關PCBA防水防塵處理方法的建議嗎?

    你好,遇到困难求解答:喷锡板在过炉后大锡面会出现锡面污染问题,请问此问题是怎么产生的。万分感谢!

    段杰,
    這樣子問問題是無法給你提供建議的。
    詢問工程問題,請提供足夠的資訊以利有效回答

    工作熊您好,最近遇到個問題一直找不到答案,在flip chip封裝中,以SAC305為bump SnAg為solder,用ENIG表面處理後,reflow後在chip端UBM下的IMC(Ni3Sn4)與bump間產生了tear,把bump改為SnCu0.7或SOP+SnCu0.7後情況有所改善,但仍產生裂縫,這是否是IMC受應力而產生的裂縫呢?或是說和Cu的濃度有關呢?

    emily,
    老實說我沒有辦法回答你的問題,首先我不清楚你的產品做過什麼測試後才讓IMC產生錫裂,也不清楚的Flip-chip是否有點膠(一般都是要點Underfill的)。
    如果你想知道OSP及ENIG對抗拉力的能力可以參考【用數據比較OSP及ENIG表面處理電路板之焊接焊錫焊點強度】一文。

    工作熊您好:
    不好意思,我講的不夠詳細
    在一次reflow後即發生裂縫,underfill之前,是切開後看發現有underfill填入裂縫故認定為在underfill前發生,所有用ENIG表面處理的都有裂縫,只是以SAC305最嚴重,裂掉最多顆,完全不知道怎麼會發生這種情況

    emily,
    會產生錫裂一定是受到應力衝擊,這個假設已經排除了non-wetting及De-Wetting,應力衝擊有幾種可能:
    1.板子在運送過程當中有受到撞擊或應力彎折。
    2.板子在真床測試設備上有遭受到應力彎折。
    將錫膏中的Ag降低可以降低焊錫的脆性增加耐衝擊的能力,從ENIG改用OSP可以增加焊錫強度。
    如果無法解決製程中的應力,就算將錫膏改成SnCu,電路板改成OSP,也只是延緩錫裂發生的時間點而已。

    謝謝您~
    我想再請問為什麼使用ENIG可以增加銲錫強度呢?而ENIG是使用在substrate端,UMB側並沒有,也會影響到和IMC連結的強度嗎?
    因為這個製程使用IT+SAC305時便不會有裂縫產生,所以才會感覺表面處理才是影響的主因?

    寫錯了,從ENIG改用OSP可以增加焊錫強度。

    謝謝您~
    我剛剛讀了您分享的文章,也了解OSP焊接性比ENIG好,但我還是不了解這樣會對UBM端的IMC和solder連結力有影響嗎?

    Emily,
    你還是先解決你的應力問題吧!
    OSP相比ENIG可以強化受到應力時的承受能力,但是會隨著時間劣化。

    謝謝您的回覆
    不好意思,因為這個同樣的製程,使用IT+SAC305就沒有crack,所以才沒有從減少應力去解決


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    4. 工作熊並非某一方面的專家,所以回答的內容或許會有不正確的地方,服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題,前先參考這篇文章【詢問工程問題,請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問,並且請提供足夠的資訊,這樣才能有效回答問題。
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