PCB焊盤(pán)涂層的材質(zhì)對(duì)激光焊錫有哪些影響？2024-07-12
眾所周知，所有暴露在空氣中的金屬都會(huì)被氧化。為了防止PCB銅焊盤(pán)被氧化，焊盤(pán)表面應(yīng)涂有(鍍)保護(hù)層。PCB焊盤(pán)表面處理的材料、工藝和質(zhì)量直接影響焊接工藝和焊接質(zhì)量。此外，PCB焊盤(pán)表面處理的選擇因電子產(chǎn)品、工藝和焊接材料而異。ULILASER將為您分享PCB焊盤(pán)涂層對(duì)激光錫焊的影響。
PCB焊盤(pán)涂層材料對(duì)激光錫焊的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
防止氧化和污染：為了防止PCB銅焊盤(pán)在焊接前被氧化和污染，通常需要在焊盤(pán)表面涂(鍍)保護(hù)層。該涂層能有效保護(hù)銅表面，延長(zhǎng)其可焊性。
涂層化學(xué)成分：不同的涂層材料對(duì)焊接質(zhì)量有顯著影響。舉例來(lái)說(shuō)，ENIG Ni(P)/Au涂層是一種常用的可焊涂層，其化學(xué)成分包括鎳和金，可以提高涂層的耐腐蝕性和可焊性。含磷量適中的涂層(如含磷7%～9%)具有良好的耐腐蝕性和可焊性。
涂層的密度和結(jié)構(gòu)：涂層的密度和結(jié)構(gòu)也會(huì)影響焊接質(zhì)量。若涂層結(jié)構(gòu)不夠致密，可引起“黑色焊盤(pán)”現(xiàn)象，即涂層表面出現(xiàn)裂縫或縫隙，從而影響焊接效果。
涂層的光學(xué)特性:涂層的光學(xué)特性，如吸光率和反射率，也會(huì)影響激光錫焊的效果。材料的電阻系數(shù)和表面狀態(tài)(光潔度)會(huì)影響光束的吸收率，從而影響焊接過(guò)程。
涂層的物理特性：涂層的物理特性，如硬度和附著力，也會(huì)影響焊接質(zhì)量。
PCB焊盤(pán)涂層材料在防氧化、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)密度、光學(xué)特性和物理特性等方面對(duì)激光錫焊都有影響。保證激光錫焊質(zhì)量的關(guān)鍵因素是選擇合適的涂層材料和工藝。
1.ENIG Ni(P)/Au鍍層
1）涂層特性ENIG) Ni(P)/Au(化學(xué)鍍鎳、金)工藝是在PCB上涂上阻焊層(綠油)后進(jìn)行的。ENIG Ni/Au工藝的基本要求是焊接性能和焊點(diǎn)的可靠性?；瘜W(xué)涂層厚度為3～5μm，化學(xué)鍍層Au層(又稱(chēng)浸Au層，更換Au)厚度為0.025～0.1μm。化學(xué)鍍厚Au層(又稱(chēng)還原Au層)，厚度為0.3～1μm，一般在0.5μm左右。
對(duì)鍍層的焊接性和耐腐蝕性而言，化學(xué)鍍鎳的P含量非常重要。通常含有P 7%～9%適合(中磷)。P含量太低，涂層耐腐蝕性差，容易氧化。此外，在腐蝕性環(huán)境中，由于Ni/Au對(duì)原電池的腐蝕作用，Ni表面層會(huì)受到Ni/Au的腐蝕，從而產(chǎn)生Ni黑膜。(NixOy)，這種情況對(duì)焊接性能和焊點(diǎn)的可靠性極為不利。P含量高，鍍層耐腐蝕性能提高，可焊性也能提高。
2.）應(yīng)用特性
●成本高;
●黑盤(pán)問(wèn)題難以根除，虛焊缺陷率常常居高不下；
●ENIG Ni/Au表面的二次連接可靠性高于OSP，Im-Ag、Im-Sn及HASL-Sn等涂層可靠性差；
●由于ENIG Ni使用Ni和5%的Au～由于Ni-P在信號(hào)傳輸中復(fù)合涂層的導(dǎo)電性比銅差，所以當(dāng)PCBA的工作頻率超過(guò)5GHz時(shí)，由于Ni-P在信號(hào)傳輸中的導(dǎo)電性比銅差，因此信號(hào)傳輸速度較慢；
●AuSn4金屬間化合物碎片溶解在釬料中，導(dǎo)致高頻阻抗無(wú)法“復(fù)零”；
●“金脆”是降低焊點(diǎn)可靠性的隱患。一般來(lái)說(shuō)，焊接時(shí)間很短，只能在幾秒鐘內(nèi)完成，所以Au不能在焊料中均勻擴(kuò)散，所以會(huì)在局部形成高濃度層，強(qiáng)度較低。
2.Im-Sn鍍層
1)涂層特性Im-Sn是近年來(lái)非鉛化過(guò)程中非常重要的可焊涂層。Sn層厚度為0.1，由Sn化學(xué)反應(yīng)(硫酸亞錫或氯化亞錫)獲得?！?.5μ在m之間(經(jīng)過(guò)多次焊接，Sn的厚度至少應(yīng)為1.5。μm)。這種厚度與鍍液中亞錫離子的濃度、溫度和涂層孔隙度有關(guān)。由于Sn具有較高的接觸電阻，所以在接觸測(cè)試方面不如浸銀測(cè)試。在傳統(tǒng)的Im-Sn工藝中，涂層是灰色的。由于表面呈蜂窩狀排列，孔隙較多，容易滲透，加速老化。
2)應(yīng)用特性
●比ENIG更昂貴 Ni/Au及Im-Ag、OSP低;
●存在錫晶須問(wèn)題，對(duì)精細(xì)間距和長(zhǎng)壽命設(shè)備影響較大，但對(duì)PCB影響不大；
●存在錫瘟現(xiàn)象，Sn相變點(diǎn)為13.2℃，當(dāng)溫度低于此溫度時(shí)，變成粉狀灰錫。(α錫)，使強(qiáng)度喪失；
●SnCu金屬間化合物在溫度環(huán)境下會(huì)加速銅層的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致SnCu金屬間化合物(IMC)如表1所示，增長(zhǎng)；
●新板具有良好的潤(rùn)濕性能，但儲(chǔ)存一段時(shí)間后，或多次再流后，潤(rùn)濕性能迅速下降，因此后端應(yīng)用工藝較差。
●如表2所示，經(jīng)過(guò)高溫處理后，由于錫層厚度的消耗，儲(chǔ)存時(shí)間會(huì)縮短；
3.OSP涂層
1)涂層特性O(shè)SP是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的Cu表面有機(jī)焊接保護(hù)膜(以下簡(jiǎn)稱(chēng)OSP)。苯酚三氮唑等一些環(huán)氮化合物(BTA)、水溶液，如咪唑、烷基咪唑、苯酚咪唑等，很容易與干凈的銅表面發(fā)生反應(yīng)。這類(lèi)化合物中的氮雜環(huán)與Cu表面形成復(fù)合物，防止Cu表面氧化。
2)應(yīng)用特性
●成本低，工藝簡(jiǎn)單；
●銅的復(fù)合物在焊接加熱過(guò)程中迅速分解，只留下裸銅，因?yàn)镺SP只是一個(gè)分子層，焊接時(shí)會(huì)被稀酸或助焊劑分解，所以不會(huì)有殘留物污染；
●能更好地兼容鉛焊接或無(wú)鉛焊接；
●OSP保護(hù)涂層與助焊劑RMA(中等活性)兼容，但與活性較低的松香基免清洗助焊劑不兼容；
●目前大部分OSP厚度為0.2～0.4μm)對(duì)于所選助焊劑的匹配要求較高，不同厚度對(duì)助焊劑的匹配要求也不同；
●儲(chǔ)存環(huán)境條件要求高，車(chē)間壽命短，如果生產(chǎn)管理不能配合，則無(wú)法選擇。
4.Im-Ag鍍層
1)涂層特性Ag在室溫下具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和焊接性，反射能力強(qiáng)，高頻損耗小，表面?zhèn)鲗?dǎo)能力高。但是，Ag對(duì)S有很高的親和力，大氣中有少量的S(H2)S、所有SO2或其他硫化物都會(huì)改變顏色，產(chǎn)生Ag2S、Ag2O失去了可焊性。另一個(gè)缺點(diǎn)是，在潮濕的環(huán)境中，Ag離子很容易沿絕緣材料的表面和體積方向遷移，從而降低甚至短路材料的絕緣性能。
Ag厚0.075沉積在基材銅上?！?.225μm，表面光滑，可引線鍵合。
2)應(yīng)用特性
●相對(duì)于Au或Pd，其成本相對(duì)便宜；
●具有良好的引線接合性能，與Sn基釬料合金具有良好的焊接性能；
●Ag和Sn之間形成金屬間化合物(Ag3)Sn)易碎性不明顯；
●在射頻(RF)因?yàn)殡娐分械内吥w效應(yīng)，Ag的高電導(dǎo)率特性剛剛發(fā)揮出來(lái)；
●還有空氣中的S、Cl、O接觸時(shí)，分別在表面生成AgS、AgCl、Ag2O，使其表面失去光澤而變暗，影響外觀和可焊性。
為了提高激光錫焊的效率，如何優(yōu)化PCB焊盤(pán)涂層的密度和結(jié)構(gòu)？
為優(yōu)化PCB焊盤(pán)涂層的密度和結(jié)構(gòu)，提高激光錫焊的效率，可從以下幾個(gè)方面考慮：
涂層選擇：
選用合適的可焊涂層是關(guān)鍵。舉例來(lái)說(shuō)，ENIG Ni(P)/Au涂層具有良好的可焊性和焊點(diǎn)可靠性，這種化學(xué)鍍鎳和金工藝是在PCB涂覆阻焊層(綠油)后進(jìn)行的。該涂層可提供更高的焊接質(zhì)量和效率。
焊盤(pán)設(shè)計(jì)：
焊盤(pán)的對(duì)稱(chēng)性對(duì)于保證熔融焊錫表面張力平衡至關(guān)重要。兩端焊盤(pán)必須對(duì)稱(chēng)，以確保焊接過(guò)程中焊錫能夠均勻分布。
焊盤(pán)的形狀和尺寸也需要精心設(shè)計(jì)。例如，孔徑超過(guò)1.2mm或焊盤(pán)直徑超過(guò)3.0mm的焊盤(pán)應(yīng)設(shè)計(jì)為菱形或梅花形焊盤(pán)。這些特殊形狀的焊盤(pán)可以更好地適應(yīng)大尺寸元件，減少焊接過(guò)程中的熱應(yīng)力。
焊盤(pán)間距：
確保元件端頭或引腳與焊盤(pán)恰當(dāng)?shù)拇罱映叽?，避免焊盤(pán)間距過(guò)大或過(guò)小，這會(huì)影響焊接質(zhì)量。合理的焊盤(pán)間距可以確保焊錫在焊接過(guò)程中能夠均勻流動(dòng)，形成良好的焊點(diǎn)。
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