Linee guida per la selezione della migliore finitura superficiale dei PCB

Nei moderni dispositivi elettronici, i circuiti stampati (PCB) forniscono le interconnessioni e il supporto necessari ai componenti elettronici per funzionare come un'entità coesa. Poiché le dimensioni dei dispositivi elettronici continuano a ridursi, mentre la complessità e le prestazioni continuano ad aumentare, la scelta del trattamento superficiale dei PCB diventa sempre più cruciale. La qualità della superficie influisce non solo sulla saldabilità dei componenti, ma anche sull'affidabilità, la durata e le prestazioni complessive del dispositivo.

Questo articolo fornisce un'analisi approfondita dei fattori che influenzano la scelta della finitura superficiale ottimale del PCB. Verranno discusse le opzioni di trattamento superficiale disponibili e i loro vantaggi e svantaggi, fornendo a ingegneri e progettisti linee guida per aiutarli a prendere decisioni ponderate.

Lo scopo della finitura superficiale dei PCB

Il rivestimento di finitura superficiale applicato ai circuiti stampati svolge alcune importanti funzioni che possono essere riassunte come segue:

• Assicurare la saldabilità. La saldabilità è una delle funzioni principali della finitura superficiale di un PCB. Durante il processo di assemblaggio, la finitura fornisce una superficie saldabile per il fissaggio dei componenti elettronici. In assenza di una finitura superficiale adeguata, le giunzioni a saldare potrebbero non formarsi con precisione, causando difetti come ponti di saldatura o connessioni scadenti;
• Prevenire l'ossidazione. Il rame, il materiale conduttore più diffuso nei PCB, è suscettibile di ossidazione se esposto all'ossigeno presente nell’aria. Un trattamento superficiale adeguato impedisce alle tracce di rame di ossidarsi formando uno strato protettivo. L'ossidazione può causare connessioni elettriche inadeguate e degrado del segnale;
• Migliorare l'affidabilità. La struttura della superficie dei PCB svolge un ruolo significativo per garantire la loro affidabilità. Essa può infatti compromettere le prestazioni dei giunti di saldatura, essenziali per resistere alle tensioni meccaniche, alle fluttuazioni di temperatura e alle condizioni ambientali. Per garantire l'affidabilità a lungo termine del PCB è necessaria una finitura superficiale che duri nel tempo;
• Semplificare il wire bonding. In alcune circostanze, il collegamento dei dispositivi a semiconduttore al PCB viene effettuato mediante wire bonding. La qualità e l'affidabilità di questi collegamenti tramite fili di dimensioni ridottissime possono essere influenzate dalla finitura superficiale scelta.

In Figura 1 è visibile un’apparecchiatura predisposta per l’applicazione della finitura superficiale sul PCB.

Figura 1: Apparecchiatura per l’applicazione della finitura superficiale sul PCB

Tipi di finiture superficiali dei PCB

La finitura superficiale del PCB rappresenta un'interfaccia cruciale tra i componenti elettronici e il substrato del PCB. Essa assicura una saldatura affidabile, previene l'ossidazione delle tracce di rame e influenza le prestazioni elettriche. La scelta della finitura superficiale influisce sulla resa dell'assemblaggio, sulla qualità dei giunti di saldatura e sull'affidabilità a lungo termine.

Le finiture superficiali dei PCB più comunemente utilizzate rientrano nelle seguenti classi:

• Organic Solderability Preservatives (OSP): Sono composti da un sottile strato organico che protegge il rame e consente la saldatura diretta;
• Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG): Si tratta di una finitura a due strati con sottosmalto in nichel e finitura in oro (Figura 2), che garantisce un'eccellente saldabilità e resistenza alla corrosione;
• Immersion Tin (ImSn): È una finitura economica senza piombo che offre una buona saldabilità ma richiede una manipolazione attenta a causa della possibile formazione di baffi di stagno;
• Electroplated Nickel Gold (Ni/Au): È una finitura robusta con un'eccellente resistenza alla corrosione e adatta al wire bonding;
• Hot Air Solder Leveling (HASL): Si tratta di una finitura tradizionale che prevede l'applicazione di uno strato di saldatura sul rame esposto (Figura 3); è adatta a schede con complessità non elevata;
• Electroplated Tin: È un'alternativa all'HASL priva di piombo, capace di offrire una migliore planarità e una superficie più regolare;
• Organic Surface Protectant (OSP): Finitura ecologica che garantisce la saldabilità e protegge dall'ossidazione;
• Immersion Silver (ImAg): Si tratta di una finitura con buona conduttività e saldabilità (Figura 4), sensibile alle condizioni di stoccaggio e alla formazione di solfuro d'argento;
• Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold (ENEPIG): Finitura piuttosto complessa caratterizzata da un’elevata affidabilità e adatta ad applicazioni avanzate.

Figura 2: PCB trattato con finitura ENIG

Figura 3: PCB trattato con finitura HASL

Figura 4: PCB trattato con finitura ImAg

Linee guida per la scelta della finitura superficiale

La scelta della finitura superficiale più adatta a un circuito stampato (PCB) è una fase molto importante che dipende da una serie di diversi fattori, come il tipo di applicazione, il metodo di saldatura (ad esempio, senza piombo o a base di piombo), le condizioni ambientali, i requisiti di integrità del segnale, le considerazioni sui costi e la conformità alle normative applicabili.

Di seguito sono elencati i principali fattori che influenzano la scelta della finitura superficiale:

• Applicazione ed utilizzo previsto del circuito stampato. Le caratteristiche fondamentali del dispositivo elettronico e la sua destinazione d'uso sono di estrema importanza. Si deve considerare se il circuito stampato in esame sarà integrato in un prodotto di consumo, in un sistema automobilistico, in un'applicazione aerospaziale ad alta affidabilità o in un dispositivo medico. Le diverse applicazioni presentano specifiche diverse in termini di durata, prestazioni termiche e resistenza ambientale.
• Tipo di saldatura: senza piombo o a base di piombo. L'adozione di saldature prive di piombo è stata sollecitata da standard normativi come la direttiva RoHS (Restriction of Hazardous Substances). È indispensabile verificare la compatibilità della finitura superficiale scelta con il processo di saldatura impiegato, sia esso senza piombo o a base di piombo. I progettisti devono assicurarsi che la finitura superficiale scelta sia conforme agli standard normativi (come RoHS e REACH), in particolare per quanto riguarda l'uso di sostanze soggette a restrizioni.
• Durata e requisiti per lo stoccaggio. Il progettista deve tenere conto della durata di conservazione dei PCB e delle condizioni di stoccaggio. Alcune finiture superficiali sono più sensibili agli effetti delle condizioni di stoccaggio e possono deteriorarsi nel tempo, il che può influire sulla loro capacità di essere saldate.
• Considerazioni ambientali. La scelta della finitura superficiale può essere influenzata da diverse variabili ambientali, tra cui l'esposizione all'umidità, alle sostanze chimiche e alle temperature elevate. È fondamentale scegliere una finitura che sia in grado di resistere alle diverse condizioni atmosferiche a cui l'apparecchiatura sarà con buona probabilità sottoposta.
• Affidabilità dei punti di saldatura. Il progettista deve valutare il livello di affidabilità dei punti di saldatura necessari per una determinata applicazione. Alcune finiture superficiali presentano una maggiore resistenza ai cicli termici e alle sollecitazioni meccaniche, rendendole particolarmente adatte ad applicazioni sottoposte a condizioni ambientali severe.
• Integrità del segnale e controllo dell'impedenza. È possibile che la finitura superficiale abbia un effetto sull'integrità del segnale e sulla gestione dell'impedenza nelle applicazioni ad alta frequenza o ad alta velocità. È quindi necessario scegliere un rivestimento in grado di soddisfare le specifiche stabilite dalle prestazioni elettriche del circuito specifico.
• Compatibilità con il processo di assemblaggio. Esistono diverse procedure di assemblaggio, tra cui la saldatura a riflusso, la saldatura a onda e il wire bonding. Le diverse finiture superficiali hanno interazioni diverse con ciascuno di questi processi. Assicuratevi che la finitura scelta possa funzionare con le procedure utilizzate per la fabbricazione del prodotto.
• Costi e budget. Le spese per la finitura superficiale comprendono quelle per il materiale, l'applicazione e il relativo assemblaggio. È fondamentale trovare un equilibrio tra costi, prestazioni e affidabilità.

Analisi comparativa delle finiture superficiali

Ciascuna delle diverse finiture superficiali sopra menzionate presenta una serie di vantaggi e svantaggi, oltre a differenti casi d'uso a cui si possono meglio adattare. Poiché i progetti dei circuiti stampati hanno spesso requisiti molto particolari, gli ingegneri e i progettisti responsabili della loro realizzazione devono scegliere con grande attenzione il trattamento superficiale più adatto.

È necessario avere una solida conoscenza delle numerose finiture superficiali disponibili, nonché dei vantaggi e degli svantaggi associati a ciascuna di esse. Di seguito viene presentato un breve confronto, o analisi comparativa, dei vari trattamenti superficiali che vengono spesso utilizzati nell'elettronica.

Conclusioni

La scelta del trattamento superficiale ottimale per il PCB è una fase cruciale della procedura di progettazione del circuito stampato. Considerando l'applicazione, la compatibilità del processo di saldatura, l'affidabilità, la resistenza ambientale, l'integrità del segnale, il costo e la conformità alle normative, è possibile garantire le prestazioni e l'affidabilità dei dispositivi elettronici. Tenete presente che ogni applicazione è unica, quindi è necessaria una valutazione approfondita delle vostre esigenze specifiche per fare la scelta migliore.

Nell'industria elettronica di oggi, in rapida evoluzione, è anche essenziale rimanere al passo con le tecnologie e i materiali di finitura superficiale emergenti. Valutate regolarmente le opzioni di finitura superficiale per assicurarvi che siano in linea con le innovazioni e gli standard industriali più recenti. Una decisione ben informata sul trattamento superficiale dei PCB contribuirà in ultima analisi al successo e alla durata dei vostri prodotti elettronici.

08.11.2023