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激光錫焊如何選擇PCB焊盤(pán)涂層材質(zhì)

眾所周知,暴露在空氣中的所有金屬都會(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。奧萊光電下面淺談下PCB焊盤(pán)涂層對(duì)激光錫焊的影響。

PCB焊盤(pán)涂層材質(zhì)對(duì)激光錫焊的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

防氧化和污染: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)表面進(jìn)行涂(鍍)保護(hù)層處理。這種涂層可以有效地保護(hù)銅表面,延長(zhǎng)其可焊性。

涂層的化學(xué)成分:不同的涂層材料對(duì)焊接質(zhì)量有顯著影響。例如,ENIG Ni(P)/Au鍍層是一種常用的可焊性涂層,其化學(xué)成分包括鎳和金,這些元素可以提高鍍層的耐腐蝕性和可焊性。含磷量適中的鍍層(如含磷7%~9%)具有較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。如果涂層結(jié)構(gòu)不夠致密,可能會(huì)導(dǎo)致“黑焊盤(pán)”現(xiàn)象,即涂層表面出現(xiàn)裂縫或空隙,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,如硬度和粘附性,也會(huì)影響焊接質(zhì)量。

PCB焊盤(pán)涂層材質(zhì)對(duì)激光錫焊的影響是多方面的,包括防氧化、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)密度、光學(xué)特性和物理特性等。選擇合適的涂層材料和工藝是確保激光錫焊質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

奧萊光電激光恒溫錫焊實(shí)時(shí)溫度反饋系統(tǒng)圖示

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。對(duì)于ENIG Ni/Au工藝的基本要求是焊接性和焊點(diǎn)的可靠性。化學(xué)鍍層厚度為3~5μm,化學(xué)鍍層Au層(又稱浸Au層、更換Au),厚度為0.025~0.1μm?;瘜W(xué)鍍厚Au層(又稱還原Au層),厚度為0.3~1μm,一般在0.5μm左右。

化學(xué)鍍鎳的P含量對(duì)于鍍層的焊接性和耐腐蝕性至關(guān)重要。通常含有P 7%~9%適合(中磷)。P含量過(guò)低,涂層耐腐蝕性差,易氧化。而且在腐蝕性環(huán)境中,因?yàn)镹i/Au對(duì)原電池的腐蝕作用,會(huì)對(duì)Ni產(chǎn)生影響/Au的Ni表面層被腐蝕,產(chǎn)生Ni黑膜。(NixOy),這對(duì)可焊性和焊點(diǎn)的可靠性極為不利。P含量高,鍍層耐腐蝕性提高,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,虛焊缺陷率往往居高不下;

●ENIG Ni/Au表面的二次互連可靠性與OSP更高、Im-Ag、Im-Sn及HASL-Sn等涂層的可靠性較差;

●因?yàn)镋NIG Ni/Au使用Ni和5%~12%P一起鍍,所以當(dāng)PCBA的工作頻率超過(guò)5GHz時(shí),趨膚效果非常明顯,因?yàn)镹i-P在信號(hào)傳輸中復(fù)合涂層的導(dǎo)電性比銅差,因此信號(hào)傳輸速度較慢;

●Au溶入釬料后與Sn形成的AuSn4金屬間化合物碎片,導(dǎo)致高頻阻抗不能“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,因此Au不能在焊料中均勻擴(kuò)散,因此會(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)程中非常重要的一種可焊性涂層。Sn化學(xué)反應(yīng)(硫酸亞錫或氯化亞錫)獲得的Sn層厚度為0.1~1.5μm之間(經(jīng)過(guò)多次焊接至少浸泡Sn厚度應(yīng)為1.5μm)。這種厚度與鍍液中的亞錫離子濃度、溫度和涂層孔隙度有關(guān)。由于Sn具有較高的接觸電阻,因此在接觸檢測(cè)測(cè)試方面不如浸銀測(cè)試。傳統(tǒng)的Im-Sn工藝,涂層呈灰色,由于表面呈蜂窩狀排列,導(dǎo)致疏孔較多,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)壽命器件影響較大,但對(duì)PCB影響不大;

●存在錫瘟現(xiàn)象,Sn相變點(diǎn)為13.2℃,低于此溫度時(shí)變成粉末狀的灰錫(α錫),使強(qiáng)度喪失;

●在溫度環(huán)境下,SnCu金屬間化合物會(huì)加速與銅層的擴(kuò)散,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,但儲(chǔ)存一段時(shí)間后,或多次再流后,潤(rùn)濕性下降較快,因此后端應(yīng)用工藝較差。

●如表2所示,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)助焊保護(hù)膜(以下簡(jiǎn)稱OSP)。一些環(huán)氮化合物,如苯醌三氮唑(BTA)、咪唑、烷基咪唑、苯醌咪唑等水溶液容易與干凈的銅表面發(fā)生反應(yīng)。這些化合物中的氮雜環(huán)與Cu表面形成復(fù)合物,這種保護(hù)膜防止Cu表面氧化。

2)應(yīng)用特性

●成本低,工藝簡(jiǎn)單;

●焊接加熱時(shí),銅的復(fù)合物迅速分解,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,因此不會(huì)有殘留物污染;

●可以更好地兼容有鉛焊接或無(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;

●OSP厚度(目前大多采用0.2~0.4μm)對(duì)所選助焊劑的匹配性要求較高,不同厚度對(duì)助焊劑的匹配性要求也不同;

●存儲(chǔ)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,則不能選擇。

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。然而,Ag對(duì)S有很高的親和力,大氣中有少量的S(H2)S、所有的SO2或其它硫化物都會(huì)改變顏色,產(chǎn)生Ag2S、Ag2O失去了可焊性。Ag的另一個(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。

沉積在基材銅上的Ag厚0.075~0.225μm,表面光滑,可引線鍵合。

2)應(yīng)用特性

●與Au或Pd相比,其成本相對(duì)便宜;

●具有良好的引線鍵合性,與Sn基釬料合金具有良好的可焊性;

●金屬間化合物在Ag和Sn之間形成(Ag3Sn)沒(méi)有明顯的易碎性;

●在射頻(RF)由于電路中的趨膚效應(yīng),Ag的高電導(dǎo)率特性剛剛發(fā)揮出來(lái);

●和空氣中的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。

如何優(yōu)化PCB焊盤(pán)涂層的密度和結(jié)構(gòu)以提高激光錫焊的效率?

為了優(yōu)化PCB焊盤(pán)涂層的密度和結(jié)構(gòu)以提高激光錫焊的效率,可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮:

涂層選擇:

選擇合適的可焊性涂層是關(guān)鍵。例如,ENIG Ni(P)/Au鍍層具有良好的可焊性和焊點(diǎn)可靠性,這種化學(xué)鍍鎳、金工藝在PCB涂敷阻焊層(綠油)之后進(jìn)行。這種涂層可以提供更高的焊接質(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,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)。

激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化:

優(yōu)化激光焊接工藝參數(shù),如激光功率、焊接速度、離焦量等,是提高焊接質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。通過(guò)調(diào)整這些參數(shù),可以使激光光束更加集中,提高能量密度,從而加快焊接速度并提高焊點(diǎn)的質(zhì)量。

焊盤(pán)單邊最小尺寸:

根據(jù)PCB標(biāo)準(zhǔn)封裝庫(kù),焊盤(pán)單邊最小不小于0.25mm,整個(gè)焊盤(pán)直徑最大不大于元件孔徑的3倍。這有助于確保焊接過(guò)程中焊錫能夠充分填充焊盤(pán),形成牢固的焊點(diǎn)。

奧萊光電激光恒溫錫焊實(shí)時(shí)溫度反饋系統(tǒng),CCD同軸定位系統(tǒng)以及半導(dǎo)體激光器所構(gòu)成;獨(dú)創(chuàng)PID在線溫度調(diào)節(jié)反饋系統(tǒng),能有效的控制恒溫焊錫,有對(duì)焊錫對(duì)象的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度控制等特點(diǎn),確保焊錫良品率與精密度。尤其適用于對(duì)于溫度敏感的高精度焊錫加工,有需要的客戶可以免費(fèi)試樣!

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