Printplaten (PCB's) bieden de nodige onderlinge verbindingen en ondersteuning voor elektronische componenten om als een samenhangend geheel te functioneren in moderne elektronische apparaten. Aangezien de grootte, complexiteit en prestatievereisten van elektronische apparaten blijven krimpen en toenemen, wordt de keuze van de PCB-oppervlaktebehandeling steeds belangrijker. De kwaliteit van het oppervlak beïnvloedt niet alleen de soldeerbaarheid van de componenten, maar ook de betrouwbaarheid, duurzaamheid en algemene prestaties van het apparaat.
Dit artikel geeft een grondige analyse van de factoren die van invloed zijn op de keuze van de optimale PCB-oppervlakteafwerking. Het bespreekt de beschikbare opties voor oppervlaktebehandeling, hun voor- en nadelen en biedt ingenieurs en ontwerpers richtlijnen om weloverwogen beslissingen te kunnen nemen.
Het doel van de PCB-oppervlakteafwerking
De oppervlakteafwerking die op printplaten wordt aangebracht, vervult een aantal belangrijke functies die als volgt kunnen worden samengevat:
- De soldeerbaarheid garanderen. Soldeerbaarheid is een van de primaire functies van een PCB-oppervlakteafwerking. Tijdens het assemblageproces zorgt ze voor een soldeerbaar oppervlak voor de bevestiging van elektronische componenten. Soldeerverbindingen kunnen zich niet nauwkeurig vormen bij afwezigheid van een geschikte oppervlakteafwerking, wat leidt tot defecten zoals soldeerbruggen of slechte verbindingen.
- Oxidatie voorkomen. Koper, het meest voorkomende geleidermateriaal op PCB's, is gevoelig voor oxidatie wanneer het wordt blootgesteld aan zuurstof. Een geschikte oppervlaktebehandeling voorkomt dat kopersporen oxideren door er een beschermende laag overheen te vormen. Inadequate elektrische verbindingen en signaaldegradatie kunnen het gevolg zijn van oxidatie.
- De betrouwbaarheid verbeteren. De oppervlaktestructuur van PCB's speelt een belangrijke rol in hun betrouwbaarheid. Ze beïnvloedt de prestaties van soldeerverbindingen, die essentieel zijn om mechanische spanning, temperatuurschommelingen en omgevingsomstandigheden te weerstaan. Een duurzame oppervlakteafwerking is nodig om de betrouwbaarheid van de PCB op lange termijn te garanderen.
- De draadverbinding vereenvoudigen. In sommige omstandigheden wordt de aansluiting van halfgeleiderapparaten op de printplaat gerealiseerd door middel van draadverbindingen. De kwaliteit en betrouwbaarheid van deze draadverbindingen worden beïnvloed door de gekozen oppervlakteafwerking.
Een apparaat voor het aanbrengen van de oppervlakteafwerking op de PCB is te zien in figuur 1.
Figuur 1: Apparaat voor het aanbrengen van oppervlakteafwerking op de PCB.
Soorten PCB-oppervlakteafwerkingen
De PCB-oppervlakteafwerking is een cruciale interface tussen de elektronische componenten en het PCB-substraat. Het zorgt voor betrouwbaar solderen, voorkomt oxidatie van koperen sporen en beïnvloedt de elektrische prestaties. De keuze van de oppervlakteafwerking beïnvloedt het rendement van de assemblage, de kwaliteit van de soldeerverbinding en de betrouwbaarheid op lange termijn.
De meest gebruikte PCB-oppervlakteafwerkingen vallen in de volgende klassen:
- Organic Solderability Preservatives (OSP): Een dunne organische laag die koper beschermt en direct solderen mogelijk maakt.
- Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG): Een afwerking bestaande uit twee lagen met een nikkel onderlaag en een gouden bovenlaag (figuur 2), die een uitstekende soldeerbaarheid en corrosiebestendigheid biedt.
- Immersion Tin (ImSn): Een kosteneffectieve loodvrije afwerking die een goede soldeerbaarheid biedt, maar een voorzichtige behandeling vereist vanwege de vorming van tinkristallen.
- Electroplated Nickel Gold (Ni/Au): Een robuuste afwerking met uitstekende corrosiebestendigheid en draadverbindingsmogelijkheden.
- Hot Air Solder Leveling (HASL): Een traditionele afwerking waarbij een laag soldeersel over het blootliggende koper wordt aangebracht (figuur 3), geschikt voor eenvoudige printplaten.
- Electroplated Tin: Een loodvrij alternatief voor HASL, dat een betere vlakheid en oppervlaktevlakheid biedt.
- Organic Surface Protectant (OSP): Een milieuvriendelijke afwerking die soldeerbaarheid biedt en beschermt tegen oxidatie.
- Immersion Silver (ImAg): Een afwerking met goede geleidbaarheid en soldeerbaarheid (figuur 4), gevoelig voor opslagomstandigheden en de vorming van zilversulfide.
- Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold (ENEPIG): Een complexe afwerking met hoge betrouwbaarheid, geschikt voor geavanceerde toepassingen.
Figuur 2: PCB behandeld met ENIG-afwerking
Figuur 3: PCB behandeld met HASL-afwerking
Figuur 4: PCB behandeld met ImAg-afwerking
Belangrijkste richtlijnen voor de keuze van de oppervlakteafwerking
Het kiezen van de juiste oppervlakteafwerking voor een printplaat (PCB) is een zeer belangrijke stap die afhankelijk is van een aantal verschillende aspecten, zoals de beoogde toepassing, de soldeermethode (bijvoorbeeld loodvrij of loodhoudend), de omgevingsomstandigheden, de vereisten voor signaalintegriteit, kostenoverwegingen en naleving van de regelgeving.
Hieronder volgt een lijst van de belangrijkste factoren die de keuze van de oppervlakteafwerking beïnvloeden:
- De toepassing en het beoogde gebruik van de printplaat. De fundamentele kenmerken van uw elektronische apparaat en het beoogde doel zijn van het grootste belang. Men moet zich afvragen of de PCB in kwestie geïntegreerd zal worden in een consumentenproduct, een automobielsysteem, een lucht- en ruimtevaarttoepassing met hoge betrouwbaarheid of een medisch apparaat. Diverse toepassingen vertonen verschillende specificaties op het gebied van duurzaamheid, thermische prestaties en omgevingsweerstand.
- Type soldering: loodvrij of loodhoudend. De invoering van loodvrij solderen is ingegeven door regelgevende normen zoals de RoHS-richtlijn (Restriction of Hazardous Substances). Het is absoluut noodzakelijk om de compatibiliteit van de gekozen oppervlakteafwerking met het toegepaste soldeerproces te verifiëren, of het nu loodvrij of loodhoudend is. Ontwerpers moeten ervoor zorgen dat de gekozen oppervlakteafwerking voldoet aan de wettelijke normen (zoals RoHS en REACH), in het bijzonder met betrekking tot het gebruik van stoffen waarvoor beperkingen gelden.
- Duur van de houdbaarheid en vereisten voor opslag. De ontwerper dient rekening te houden met de houdbaarheid van de PCB's en hun opslagomstandigheden. Bepaalde oppervlakteafwerkingen zijn gevoeliger voor de effecten van opslagomstandigheden en kunnen na verloop van tijd slijten, wat een effect kan hebben op hun vermogen om gesoldeerd te worden.
- Aandacht voor het milieu. De keuze van een oppervlakteafwerking kan beïnvloed worden door verschillende omgevingsvariabelen, zoals blootstelling aan vochtigheid, chemicaliën en strenge temperaturen. Het is cruciaal om een afwerking te kiezen die bestand is tegen de verschillende weersomstandigheden waaraan de apparatuur waarschijnlijk zal worden blootgesteld.
- De betrouwbaarheid van soldeerverbindingen. De ontwerper moet het noodzakelijke niveau van betrouwbaarheid van soldeerverbindingen voor de gegeven toepassing beoordelen. Bepaalde oppervlakteafwerkingen zijn beter bestand tegen hittecycli en mechanische stress, waardoor ze uitermate geschikt zijn voor toepassingen die worden blootgesteld aan zware omgevingsomstandigheden.
- Signaalintegriteit en impedantieregeling. Het is mogelijk dat de oppervlakteafwerking een effect heeft op de signaalintegriteit en het impedantiebeheer in hoogfrequente of hogesnelheidstoepassingen. Het is daarom noodzakelijk om een coating te kiezen die kan voldoen aan de specificaties die worden gesteld door de elektrische prestaties van de specifieke schakeling.
- Compatibiliteit met het assemblageproces. Er zijn veel verschillende assemblageprocedures, waaronder reflowsolderen, golfsolderen en draadverbinding. Verschillende oppervlakteafwerkingen hebben verschillende interacties met elk van deze processen. Zorg ervoor dat de afwerking die u kiest kan werken met de procedures die u gebruikt om het product te vervaardigen.
- Kosten en budget. De kosten voor de oppervlakteafwerking omvatten die voor het materiaal, de toepassing en de bijbehorende assemblage. Het is verplicht om een evenwicht te vinden tussen kosten, prestaties en betrouwbaarheid.
Vergelijkende analyse van oppervlakteafwerkingen
Elke van de bovenvermelde oppervlakteafwerkingen heeft zijn eigen voor- en nadelen, evenals verschillende gebruikssituaties die er het meest geschikt voor zijn. Omdat PCB-ontwerpen vaak zeer specifieke vereisten hebben, moeten de ingenieurs en de ontwerpers die verantwoordelijk zijn voor het creëren ervan de geschikte oppervlaktebehandeling met grote zorg selecteren.
Het is noodzakelijk om een goed begrip te hebben van de vele oppervlakteafwerkingen die beschikbaar zijn en van de voor- en nadelen die aan elke ervan verbonden zijn. Hieronder volgt een korte vergelijking en studie van verschillende oppervlaktebehandelingen die vaak worden gebruikt in elektronica.
|
Type oppervlakteafwerking |
Voordelen |
Nadelen |
|
Organic Solderability Preservatives (OSP) |
Eenvoudig proces, economisch, loodvrij en geschikt voor componenten met een fijne pitch (FPT). |
Beperkte houdbaarheid en gevoeligheid voor behandeling kunnen producten ongeschikt maken voor ruwe omgevingen. |
|
Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) |
Superieure soldeerbaarheid, corrosiebestendigheid en vlakheid; geschikt voor componenten met fijne pitch |
In vergelijking met sommige alternatieven is deze procedure complexer en duurder |
|
Immersion Tin (ImSn) |
Loodvrij, met een uniform oppervlak en uitstekende soldeerbaarheid |
Gevoelig voor behandeling, met de vorming van tinkristallen, en ongeschikt voor meerdere reflows |
|
Electroplated Nickel Gold (Ni/Au) |
Robuust, met een uitstekende weerstand tegen corrosie, geschikt voor draadverbinding |
Duurder en niet optimaal voor loodvrij solderen |
|
Hot Air Solder Leveling (HASL) |
Eenvoudig en kosteneffectief proces, geschikt voor doorvoercomponenten |
Niet loodvrij, kan leiden tot ongelijkmatige oppervlakken, niet geschikt voor FPT-componenten |
|
Electroplated Tin |
Loodvrij, kosteneffectief, geschikt voor eenvoudige printplaten |
Duurder en niet optimaal voor loodvrij solderen |
|
Organic Surface Protectant (OSP) |
Loodvrij, milieuvriendelijk en geschikt voor componenten met een fijne pitch |
Beperkte houdbaarheid, gevoelig voor hantering, ongeschikt voor ruwe omgevingen |
|
Immersion Silver (ImAg) |
Uitstekend geleidingsvermogen, geen lood en geschikt voor hoogfrequente toepassingen |
Gevoelig voor opslagomstandigheden en vorming van zilversulfide |
|
Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold (ENEPIG) |
Superieure betrouwbaarheid, geschikt voor geavanceerde toepassingen en loodvrij |
Complexe en dure procedure |
Conclusie
Het kiezen van de optimale PCB-oppervlaktebehandeling is een cruciale stap in de PCB-ontwerpprocedure. Door rekening te houden met de toepassing, compatibiliteit met het soldeerproces betrouwbaarheid, omgevingsbestendigheid, signaalintegriteit, kosten en conformiteit met de regelgeving kunt u de prestaties en betrouwbaarheid van uw elektronische apparaten garanderen. Onthoud dat elke toepassing uniek is, dus een grondige evaluatie van uw specifieke behoeften is nodig om de beste keuze te maken.
In de snel evoluerende elektronica-industrie van vandaag is het ook essentieel om op de hoogte te blijven van nieuwe technologieën en materialen voor oppervlakteafwerking. Bekijk regelmatig uw opties voor oppervlakteafwerking om er zeker van te zijn dat ze in overeenstemming zijn met de meest recente innovaties en industrienormen. Een goed geïnformeerde beslissing over de oppervlaktebehandeling van PCB’s zal uiteindelijk bijdragen tot het succes en de duurzaamheid van uw elektronische producten.
07.11..2023
