PCB表面處理:噴錫板與化錫板(沉錫板)的差異與應用

PCB表面處理:噴錫板與化錫板(沉錫板)的差異與應用

在電子組裝製造的行業中,銅箔通常被用來作為信號傳遞的主要材質,然而,銅在與空氣接觸後則極容易氧化,這不僅會影響信號傳遞的品質,還可能對焊接帶來負面的影響。因此,在PCB的焊墊上通常會覆蓋一層保護銅箔的表面處理層,以防止氧化。其中,【錫】是常見的表面處理材料之一,因為在電路板組裝(PCBA)的過程中,會使用以【錫】為基礎的焊膏來將電子零件焊接於PCB上,並且在正常情況下,覆蓋錫層的表面處理還能增強焊接時的熔合效果。噴錫板(HASL)及化錫板(Im-Sn)是兩種常見的PCB表面處理塗佈錫的技術,他們在整體表現上也大同小異,但是在細節及運用上則是有所區別的。

(這是一篇心得整理文,內容或許會有些錯誤,歡迎指證)

本文將從以下幾個面向來詳細說明分析噴錫板(HASL)與化錫板/沉錫板(Immersion Tin, Im-Sn)的差異與區別。

1. 噴錫板與化錫板的製程工藝原理

噴錫板的英文名稱為Hot Air Solder Leveling,簡稱HASL,中文實際名稱為「熱風焊錫整平」,它是一種將預製PCB浸入盛有融熔的錫池中,將PCB最外層裸露的銅表面用錫液沾附覆蓋的處理方式,然後會再以熱風形成的風刀來去除多餘的錫液,並整平PCB的表面錫。

化錫板的英文為Immersion Tin,我們一般會簡稱為Im-Sn,中文的實際名稱為浸鍍錫,它是將預製PCB浸入含有錫離子的化學溶液中,讓錫離子還原成錫金屬並沉積在銅焊墊表面,形成一層錫金屬層,所以「化錫板」又稱為「沉錫板」。

這兩種錫層表面處理方式的製程工藝原理不同,導致了它們在實際應用中的優缺點也有所不同。

2. 噴錫板與化錫板的成本和效率

從成本和效率的角度來看,噴錫板(HASL)的成本相對較低,生產效率也較高。因為噴錫板使用熔融錫液和熱風平整,生產製程相對簡單,不需要複雜的設備和條件。

化錫板(沉錫板)相對地需要較高的設備投入和生產成本,其生產效率相對較低。

因此,在選擇噴錫板還是化錫板時,需要根據實際的生產需求和成本預算來進行權衡。

3. 噴錫板與化錫板的性能和可靠性

噴錫板因為採用融熔錫液熱風整平製程,所以,其錫層的厚度相對比較厚,但相對地其平整度也比較差,較不利於細間距零件。

而化錫板因為採用化學沉積,所以錫層較為細緻且平整,所以比較適合細間距零件焊接,但晶粒結構較為鬆散不夠緊實,錫層厚度也可能較薄,可能較不利於第二面焊錫,因為第一次回焊時,第二面也會生成IMC,一旦錫層不足以應付後續的焊錫所需,就會弱化焊接強度。(根據IPC-4554的要求化錫的厚度為:在2.25um²(3600mils²)焊墊上的化錫厚度不得低於1.0um(40u”),而且這個厚度還必需要控制在4個標準差的最小厚度內,典型的化錫層厚度範圍在1.0µm~1.3µm(40~51µ”),而一般IMC生成的厚度則落在1.0~5.0µm之間,很明顯地,當使用化錫板於雙面SMT製程時,其第二面的錫層很有可能會在第一次過回焊時就全部消耗一空形成IMC,而無法與錫膏中的錫形成良好的結構,除非要求特別加厚化錫的厚度,否則第二回焊面的焊錫品質很有機會出問題。)

然而,不論是噴錫板或沉錫板,當他們使用於雙面SMT製程時,因為第二面在第一次回焊時就跟著經歷了一次回焊高溫的洗禮,所以第二面都極容易發生錫層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,特別是噴錫板的錫一般較厚,更容易造成第二面的表面不平整。

另外,第二面(2nd side)可能在第一次回焊(1st reflow)後就開始發生錫氧化狀況(錫層表面形成鈍化錫),或是IMC增厚的影響而吃掉原本的錫層,進而影響到第二面的焊性問題,尤其容易發生在錫層厚度不足的板子上。

綜合上述說明,在性能和可靠性方面,噴錫板和沉錫板各有優勢,整理如下:

  • 焊墊表面平整度化錫板的表面較平整,較適合細間距元件,但第二面回焊時仍需注意是否在第一次回焊後發生變化;噴錫板的錫層則較不平整,可能比較不太適合精細零件焊接。

  • 熱應力影響化錫板為化學沉積錫,表面處理過程並無使用高溫,也未產生高溫,對PCB的熱應力影響較小;噴錫板使用融熔的錫液,使用溫度必須高於錫的熔點( 231.9 °C),一般溫度通常超過260°C,可能因為熱應力而增加PCB的翹曲或分層風險。

  • 錫鬚產生錫鬚的生成是一個複雜的過程,受到多種因素的共同作用。內應力是驅動錫鬚生長的主要原因,它的來源有溫度變化導致金屬膨脹的熱應力、界面間金屬互相擴散的化學應力、以及機械加工過程中產生的殘留應力等。而晶粒結構、錫層厚度與成分、環境因素等則會影響內應力的產生和分布。基本上,晶粒越小,晶界就越多,晶界處更容易產生空隙和缺陷,成為錫鬚生長的起始點。錫層厚度不均勻或過薄,則容易產生應力集中。錫層成分的變化也會影響合金層的形成和擴散速率。這是因為錫層如果薄了,銅與錫之間的界面層也會相對變薄,這將加速擴散作用於銅層與錫層之間,一旦擴散作用使得錫層分布變得不均勻,就可能引起應力集中及內應力推擠出錫鬚。環境溫度、濕度、電場等環境因素也會加速擴散作用,促進錫鬚生長。所以,在一般的情況下,化錫板會比較有生出錫鬚的風險,特別是在高溫高濕環境下,而噴錫板則相對較少發生此問題。這是因為噴錫板已經過一次高溫生成比較厚的IMC層,降低了銅與錫之間的擴散作用,從而降低了內應力的積累,使得錫鬚較不易產生,而化錫板在PCB階段幾乎沒有IMC生成,就算是在高溫焊接後其IMC相對噴錫板來說也比較薄,所以其阻隔銅錫間擴散作用會較差,使得內部應力積累較多,而較容易生成錫鬚。另外一個化錫板比較容易生成錫鬚的原因是,化錫板的錫一般比噴錫板來得純,少了其他元素的影響。也就是說如果可以在錫層中添加某些元素(例如鎳、銅、銀)就可以有效抑制錫鬚的生長,因為這些元素會提前與錫形成化合物,阻礙錫原子的遷移,也會改變錫的原本結晶結構,降低晶界的數量。所以,一但上述的條件改變,化錫板也可能比噴錫板更不易生成錫鬚。

  • 可焊性及壽命化錫板為細緻但較為鬆散的錫金屬晶粒結構,在沒有特殊要求的情況下化錫板會比噴錫板來得薄,暴露於空氣時,更容易增加氧氣的侵蝕,導致錫層氧化,長期儲存後可能因為銅與錫之間的擴散作用使得錫層變得更薄,可能增加底銅氧化的風險,相對比較可能影響可焊性,第二回焊面也可能因為錫層不足而影響焊接強度;而噴錫板因為經歷過高溫及風刀洗禮,錫層表面較為緊密,降低了氧氣攻擊錫層表面的接觸面積,相對提高了抵抗氧化的能力,具有較好的儲存穩定性。但也因為噴錫板已經過高溫洗禮,相對地會生成比較厚的IMC,必須留意是否在焊接強度的可靠性上會有影響。

4. 噴錫板與化錫板的應用範圍

由於噴錫板和化錫板擁有其各自的特點,它們的應用領域也有所不同。噴錫板主要應用於消費性電子產品、通信設備等領域,這些領域對成本和生產效率有較高的要求,另外,噴錫板的的表面平整度相對較差,容易產生錫珠,這在高密度元件的焊接中需要特別留意。而化錫板因為表面較為平整,除了可以應用在高頻通訊(因為錫層較均勻一致,提供較為穩定的導電路徑)、光電航空航太、軍事裝備等領域外,也適合應用在有需要精細焊接的PCB,如BGA或是細間距零件。

綜上所述,噴錫板和化錫板在製程原理、成本和效率、性能和可靠性以及應用領域等方面都存在些微的差異。在選擇噴錫板還是化錫板時,需要根據實際的生產需求、成本預算、應用環境和性能要求進行綜合考慮。


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