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PCB焊盘涂层材料对激光锡焊的影响主要体现在以下几个方面:
防止氧化和污染:为了防止PCB铜焊盘在焊接前被氧化和污染,通常需要在焊盘表面涂(镀)保护层。该涂层能有效保护铜表面,延长其可焊性。
涂层化学成分:不同的涂层材料对焊接质量有显著影响。举例来说,ENIG Ni(P)/Au涂层是一种常用的可焊涂层,其化学成分包括镍和金,可以提高涂层的耐腐蚀性和可焊性。含磷量适中的涂层(如含磷7%~9%)具有良好的耐腐蚀性和可焊性。
涂层的密度和结构:涂层的密度和结构也会影响焊接质量。若涂层结构不够致密,可引起“黑色焊盘”现象,即涂层表面出现裂缝或缝隙,从而影响焊接效果。
涂层的光学特性:涂层的光学特性,如吸光率和反射率,也会影响激光锡焊的效果。材料的电阻系数和表面状态(光洁度)会影响光束的吸收率,从而影响焊接过程。
涂层的物理特性:涂层的物理特性,如硬度和附着力,也会影响焊接质量。
PCB焊盘涂层材料在防氧化、化学成分、结构密度、光学特性和物理特性等方面对激光锡焊都有影响。保证激光锡焊质量的关键因素是选择合适的涂层材料和工艺。
1.ENIG Ni(P)/Au镀层
1)涂层特性ENIG) Ni(P)/Au(化学镀镍、金)工艺是在PCB上涂上阻焊层(绿油)后进行的。ENIG Ni/Au工艺的基本要求是焊接性能和焊点的可靠性。化学涂层厚度为3~5μm,化学镀层Au层(又称浸Au层,更换Au)厚度为0.025~0.1μm。化学镀厚Au层(又称还原Au层),厚度为0.3~1μm,一般在0.5μm左右。
对镀层的焊接性和耐腐蚀性而言,化学镀镍的P含量非常重要。通常含有P 7%~9%适合(中磷)。P含量太低,涂层耐腐蚀性差,容易氧化。此外,在腐蚀性环境中,由于Ni/Au对原电池的腐蚀作用,Ni表面层会受到Ni/Au的腐蚀,从而产生Ni黑膜。(NixOy),这种情况对焊接性能和焊点的可靠性极为不利。P含量高,镀层耐腐蚀性能提高,可焊性也能提高。
2.)应用特性
●成本高;
●黑盘问题难以根除,虚焊缺陷率常常居高不下;
●ENIG Ni/Au表面的二次连接可靠性高于OSP,Im-Ag、Im-Sn及HASL-Sn等涂层可靠性差;
●由于ENIG Ni使用Ni和5%的Au~由于Ni-P在信号传输中复合涂层的导电性比铜差,所以当PCBA的工作频率超过5GHz时,由于Ni-P在信号传输中的导电性比铜差,因此信号传输速度较慢;
●AuSn4金属间化合物碎片溶解在钎料中,导致高频阻抗无法“复零”;
●“金脆”是降低焊点可靠性的隐患。一般来说,焊接时间很短,只能在几秒钟内完成,所以Au不能在焊料中均匀扩散,所以会在局部形成高浓度层,强度较低。
2.Im-Sn镀层
1)涂层特性Im-Sn是近年来非铅化过程中非常重要的可焊涂层。Sn层厚度为0.1,由Sn化学反应(硫酸亚锡或氯化亚锡)获得。~1.5μ在m之间(经过多次焊接,Sn的厚度至少应为1.5。μm)。这种厚度与镀液中亚锡离子的浓度、温度和涂层孔隙度有关。由于Sn具有较高的接触电阻,所以在接触测试方面不如浸银测试。在传统的Im-Sn工艺中,涂层是灰色的。由于表面呈蜂窝状排列,孔隙较多,容易渗透,加速老化。
2)应用特性
●比ENIG更昂贵 Ni/Au及Im-Ag、OSP低;
●存在锡晶须问题,对精细间距和长寿命设备影响较大,但对PCB影响不大;
●存在锡瘟现象,Sn相变点为13.2℃,当温度低于此温度时,变成粉状灰锡。(α锡),使强度丧失;
●SnCu金属间化合物在温度环境下会加速铜层的扩散,从而导致SnCu金属间化合物(IMC)如表1所示,增长;
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●新板具有良好的润湿性能,但储存一段时间后,或多次再流后,润湿性能迅速下降,因此后端应用工艺较差。
●如表2所示,经过高温处理后,由于锡层厚度的消耗,储存时间会缩短;
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3.OSP涂层
1)涂层特性OSP是20世纪90年代出现的Cu表面有机焊接保护膜(以下简称OSP)。苯酚三氮唑等一些环氮化合物(BTA)、水溶液,如咪唑、烷基咪唑、苯酚咪唑等,很容易与干净的铜表面发生反应。这类化合物中的氮杂环与Cu表面形成复合物,防止Cu表面氧化。
2)应用特性
●成本低,工艺简单;
●铜的复合物在焊接加热过程中迅速分解,只留下裸铜,因为OSP只是一个分子层,焊接时会被稀酸或助焊剂分解,所以不会有残留物污染;
●能更好地兼容铅焊接或无铅焊接;
●OSP保护涂层与助焊剂RMA(中等活性)兼容,但与活性较低的松香基免清洗助焊剂不兼容;
●目前大部分OSP厚度为0.2~0.4μm)对于所选助焊剂的匹配要求较高,不同厚度对助焊剂的匹配要求也不同;
●储存环境条件要求高,车间寿命短,如果生产管理不能配合,则无法选择。
4.Im-Ag镀层
1)涂层特性Ag在室温下具有良好的导热性、导电性和焊接性,反射能力强,高频损耗小,表面传导能力高。但是,Ag对S有很高的亲和力,大气中有少量的S(H2)S、所有SO2或其他硫化物都会改变颜色,产生Ag2S、Ag2O失去了可焊性。另一个缺点是,在潮湿的环境中,Ag离子很容易沿绝缘材料的表面和体积方向迁移,从而降低甚至短路材料的绝缘性能。
Ag厚0.075沉积在基材铜上。~0.225μm,表面光滑,可引线键合。
2)应用特性
●相对于Au或Pd,其成本相对便宜;
●具有良好的引线接合性能,与Sn基钎料合金具有良好的焊接性能;
●Ag和Sn之间形成金属间化合物(Ag3)Sn)易碎性不明显;
●在射频(RF)因为电路中的趋肤效应,Ag的高电导率特性刚刚发挥出来;
●还有空气中的S、Cl、O接触时,分别在表面生成AgS、AgCl、Ag2O,使其表面失去光泽而变暗,影响外观和可焊性。
为了提高激光锡焊的效率,如何优化PCB焊盘涂层的密度和结构?
为优化PCB焊盘涂层的密度和结构,提高激光锡焊的效率,可从以下几个方面考虑:
涂层选择:
选用合适的可焊涂层是关键。举例来说,ENIG Ni(P)/Au涂层具有良好的可焊性和焊点可靠性,这种化学镀镍和金工艺是在PCB涂覆阻焊层(绿油)后进行的。该涂层可提供更高的焊接质量和效率。
焊盘设计:
焊盘的对称性对于保证熔融焊锡表面张力平衡至关重要。两端焊盘必须对称,以确保焊接过程中焊锡能够均匀分布。
焊盘的形状和尺寸也需要精心设计。例如,孔径超过1.2mm或焊盘直径超过3.0mm的焊盘应设计为菱形或梅花形焊盘。这些特殊形状的焊盘可以更好地适应大尺寸元件,减少焊接过程中的热应力。
焊盘间距:
确保元件端头或引脚与焊盘恰当的搭接尺寸,避免焊盘间距过大或过小,这会影响焊接质量。合理的焊盘间距可以确保焊锡在焊接过程中能够均匀流动,形成良好的焊点。