PCB焊盤涂層的材質對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被氧化。為了防止PCB銅焊盤被氧化，焊盤表面應涂有(鍍)保護層。PCB焊盤表面處理的材料、工藝和質量直接影響焊接工藝和焊接質量。此外，PCB焊盤表面處理的選擇因電子產品、工藝和焊接材料而異。ULILASER將為您分享PCB焊盤涂層對激光錫焊的影響。
PCB焊盤涂層材料對激光錫焊的影響主要體現在以下幾個方面：
防止氧化和污染：為了防止PCB銅焊盤在焊接前被氧化和污染，通常需要在焊盤表面涂(鍍)保護層。該涂層能有效保護銅表面，延長其可焊性。
涂層化學成分：不同的涂層材料對焊接質量有顯著影響。舉例來說，ENIG Ni(P)/Au涂層是一種常用的可焊涂層，其化學成分包括鎳和金，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。
涂層的密度和結構：涂層的密度和結構也會影響焊接質量。若涂層結構不夠致密，可引起“黑色焊盤”現象，即涂層表面出現裂縫或縫隙，從而影響焊接效果。
涂層的光學特性:涂層的光學特性，如吸光率和反射率，也會影響激光錫焊的效果。材料的電阻系數和表面狀態(光潔度)會影響光束的吸收率，從而影響焊接過程。
涂層的物理特性：涂層的物理特性，如硬度和附著力，也會影響焊接質量。
PCB焊盤涂層材料在防氧化、化學成分、結構密度、光學特性和物理特性等方面對激光錫焊都有影響。保證激光錫焊質量的關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(化學鍍鎳、金)工藝是在PCB上涂上阻焊層(綠油)后進行的。ENIG Ni/Au工藝的基本要求是焊接性能和焊點的可靠性。化學涂層厚度為3～5μm，化學鍍層Au層(又稱浸Au層，更換Au)厚度為0.025～0.1μm。化學鍍厚Au層(又稱還原Au層)，厚度為0.3～1μm，一般在0.5μm左右。
對鍍層的焊接性和耐腐蝕性而言，化學鍍鎳的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，在腐蝕性環境中，由于Ni/Au對原電池的腐蝕作用，Ni表面層會受到Ni/Au的腐蝕，從而產生Ni黑膜。(NixOy)，這種情況對焊接性能和焊點的可靠性極為不利。P含量高，鍍層耐腐蝕性能提高，可焊性也能提高。
2.）應用特性
●成本高;
●黑盤問題難以根除，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在信號傳輸中復合涂層的導電性比銅差，所以當PCBA的工作頻率超過5GHz時，由于Ni-P在信號傳輸中的導電性比銅差，因此信號傳輸速度較慢；
●AuSn4金屬間化合物碎片溶解在釬料中，導致高頻阻抗無法“復零”；
●“金脆”是降低焊點可靠性的隱患。一般來說，焊接時間很短，只能在幾秒鐘內完成，所以Au不能在焊料中均勻擴散，所以會在局部形成高濃度層，強度較低。
2.Im-Sn鍍層
1)涂層特性Im-Sn是近年來非鉛化過程中非常重要的可焊涂層。Sn層厚度為0.1，由Sn化學反應(硫酸亞錫或氯化亞錫)獲得。～1.5μ在m之間(經過多次焊接，Sn的厚度至少應為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。由于Sn具有較高的接觸電阻，所以在接觸測試方面不如浸銀測試。在傳統的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)應用特性
●比ENIG更昂貴 Ni/Au及Im-Ag、OSP低;
●存在錫晶須問題，對精細間距和長壽命設備影響較大，但對PCB影響不大；
●存在錫瘟現象，Sn相變點為13.2℃，當溫度低于此溫度時，變成粉狀灰錫。(α錫)，使強度喪失；
●SnCu金屬間化合物在溫度環境下會加速銅層的擴散，從而導致SnCu金屬間化合物(IMC)如表1所示，增長；
●新板具有良好的潤濕性能，但儲存一段時間后，或多次再流后，潤濕性能迅速下降，因此后端應用工藝較差。
●如表2所示，經過高溫處理后，由于錫層厚度的消耗，儲存時間會縮短；
3.OSP涂層
1)涂層特性OSP是20世紀90年代出現的Cu表面有機焊接保護膜(以下簡稱OSP)。苯酚三氮唑等一些環氮化合物(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生反應。這類化合物中的氮雜環與Cu表面形成復合物，防止Cu表面氧化。
2)應用特性
●成本低，工藝簡單；
●銅的復合物在焊接加熱過程中迅速分解，只留下裸銅，因為OSP只是一個分子層，焊接時會被稀酸或助焊劑分解，所以不會有殘留物污染；
●能更好地兼容鉛焊接或無鉛焊接；
●OSP保護涂層與助焊劑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)對于所選助焊劑的匹配要求較高，不同厚度對助焊劑的匹配要求也不同；
●儲存環境條件要求高，車間壽命短，如果生產管理不能配合，則無法選擇。
4.Im-Ag鍍層
1)涂層特性Ag在室溫下具有良好的導熱性、導電性和焊接性，反射能力強，高頻損耗小，表面傳導能力高。但是，Ag對S有很高的親和力，大氣中有少量的S(H2)S、所有SO2或其他硫化物都會改變顏色，產生Ag2S、Ag2O失去了可焊性。另一個缺點是，在潮濕的環境中，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。～0.225μm，表面光滑，可引線鍵合。
2)應用特性
●相對于Au或Pd，其成本相對便宜；
●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)因為電路中的趨膚效應，Ag的高電導率特性剛剛發揮出來；
●還有空氣中的S、Cl、O接觸時，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，如何優化PCB焊盤涂層的密度和結構？
為優化PCB焊盤涂層的密度和結構，提高激光錫焊的效率，可從以下幾個方面考慮：
涂層選擇：
選用合適的可焊涂層是關鍵。舉例來說，ENIG Ni(P)/Au涂層具有良好的可焊性和焊點可靠性，這種化學鍍鎳和金工藝是在PCB涂覆阻焊層(綠油)后進行的。該涂層可提供更高的焊接質量和效率。
焊盤設計：
焊盤的對稱性對于保證熔融焊錫表面張力平衡至關重要。兩端焊盤必須對稱，以確保焊接過程中焊錫能夠均勻分布。
焊盤的形狀和尺寸也需要精心設計。例如，孔徑超過1.2mm或焊盤直徑超過3.0mm的焊盤應設計為菱形或梅花形焊盤。這些特殊形狀的焊盤可以更好地適應大尺寸元件，減少焊接過程中的熱應力。
焊盤間距：
確保元件端頭或引腳與焊盤恰當的搭接尺寸，避免焊盤間距過大或過小，這會影響焊接質量。合理的焊盤間距可以確保焊錫在焊接過程中能夠均勻流動，形成良好的焊點。
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