Come scegliere la finitura e lo spessore della placcatura per il tuo PCB

Una volta che la scheda passa attraverso il processo di produzione PCB standard, il rame nudo nel tuo PCB sarà pronto per l'applicazione di una finitura superficiale. La finitura PCB (PCB plating) viene applicata per proteggere qualsiasi tipo di rame nel PCB che verrebbe esposto attraverso la maschera di saldatura, che si tratti di una piazzola, un foro di via o un altro elemento conduttivo. Spesso i progettisti utilizzano di default un tipo di placcatura stagno-piombo (SnPb), ma altre tipologie di finiture PCB potrebbero essere migliori per l'applicazione sulla scheda.

In questo articolo, esaminerò le diverse opzioni di materiale di rivestimento PCB e i relativi vantaggi nel circuito stampato. Esistono diverse opzioni tra cui scegliere e, a seconda dell'affidabilità o delle esigenze applicative, potrebbe essere necessario verificare che il fabbricante sia in grado di applicare la placcatura richiesta nel progetto. Esamineremo queste opzioni oltre a una breve discussione su come la placcatura influisce sulle perdite.

Tipi di finitura PCB - PCB plating types

I materiali di PCB plating sono disponibili in diverse varietà. Nelle sezioni che seguono ho raccolto i materiali più diffusi che i designer dovrebbero conoscere e comprendere. Non ho mai visto un produttore che non offra tutte queste opzioni. Se il produttore interessato non dichiara esplicitamente di offrire una delle opzioni nell'elenco seguente, puoi sempre inviargli un'email per ottenere un elenco delle sue capacità, comprese le opzioni relative ai materiali di placcatura PCB.

Stagno-Piombo (SnPb) e stagno a immersione

Questa finitura superficiale PCB è probabilmente l'opzione più economica, ma non è conforme alla RoHS a causa dell'uso del piombo nella finitura di placcatura. Lo stagno chimico (immersion tin) è un'alternativa senza piombo che può essere utilizzata nelle schede entry-level.

Hot-air Solder Leveling (HASL) e HASL senza piombo

HASL era storicamente una scelta di finitura superficiale per circuiti stampati molto diffusa, ma non è altrettanto affidabile come altri materiali di placcatura. È economico ed è disponibile in un'opzione senza piombo, quindi può essere utilizzato come opzione di placcatura entry-level.

Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG)

Dati gli svantaggi di SnPb e dello stagno per immersione, al momento l'ENIG è senza dubbio la finitura superficiale per PCB più diffusa nel settore. In questo materiale di placcatura il nichel funge da layer di barriera tra il rame e il layer superficiale dorato sottile in cui i componenti saranno saldati.

Organic Solderability Preservative (OSP)

Questa finitura superficiale organica a base d'acqua si lega selettivamente al rame per fornire una finitura superficiale altamente planare. In quanto materiale organico, è sensibile alla manipolazione e ai contaminanti, sebbene il processo di applicazione sia più semplice rispetto ad altri materiali di placcatura PCB. Ha anche una perdita molto bassa alle alte frequenze.

Argento chimico (Immersion Silver)

Questo è il mio materiale di placcatura PCB preferito per le applicazioni ad alta frequenza. Forma un'interfaccia liscia contro il rame nudo, quindi non aggiunge la stessa perdita di conduttore di altre finiture superficiali PCB. L'inconveniente principale è l'ossidazione sulle schede nude, quindi deve essere saldato e imballato il prima possibile dopo la fabbricazione.

Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold (ENEPIG)

Questo materiale di placcatura presenta una struttura a layer di rame-nichel-palladio-oro che può essere legata a filo direttamente alla placcatura. Il layer finale di oro è molto sottile, proprio come nel caso di ENIG. Il layer d'oro è morbido, proprio come in ENIG, quindi un danno meccanico eccessivo o graffi profondi potrebbero esporre il layer di palladio.

Oro duro

Questo materiale di placcatura è essenzialmente ENIG ma con un layer esterno d'oro molto spesso, quindi è tra i materiali di finitura per PCB più costosi. Il layer d'oro fornisce una superficie dura che può essere danneggiata, ma il suo spessore rende difficile esporre completamente il layer di nichel.

Osservazioni sulla scelta della tipologia di finitura per PCB

Tra tutte le opzioni di cui sopra, ENIG è senza dubbio il miglior equilibrio tra durata, costi e campo di applicazione. Per la maggior parte dei sistemi analogici a bassa frequenza o dei sistemi digitali che non sempre funzionano a edge rate veloce (ad esempio, SPI o I2C), ENIG sarà spesso la placcatura più richiesta, anche nei sistemi ad alta affidabilità che devono raggiungere la conformità IPC Classe 3. È adatto anche per piazzole su pacchetti BGA o QFN densi. Se consideriamo i materiali di placcatura alternativi illustrati sopra, notiamo altre applicazioni più ideali: l'argento a immersione o l'OSP sono i migliori per i sistemi RF, mentre lo stagno a immersione va probabilmente bene per i prodotti usa e getta (Classe 1) che necessitano solo della conformità all'assenza di piombo. In applicazioni più specializzate come il digitale ad altissima velocità e RF, lo spessore della placcatura (pcb plating thickness) è molto importante, come dettaglierò di seguito.

Come specificare il materiale e lo spessore della placcatura PCB

I valori comuni dello spessore di placcatura PCB sono intorno ai 100 micro pollici. Per l'argento ad immersione e l'OSP, lo spessore tipico può essere di circa 10 micro pollici. Specificare il tipo e lo spessore della placcatura PCB è semplice: la includi nelle note di fabbricazione (vedi l'esempio seguente). Se stai producendo un prototipo e il produttore ha un modulo di preventivo standard, avrai l'opportunità di specificare il tipo di placcatura nel suo modulo. In questi moduli potrebbero non chiederti lo spessore, quindi assicurati di specificarlo se hai bisogno di uno spessore specifico. Una volta specificato il valore di placcatura richiesto, spetta al fabbricante garantire che la placcatura possa essere depositata in modo affidabile nello spessore richiesto.

Perché lo spessore del materiale di placcatura è così importante? Le ragioni sono due. Anzitutto, lo standard IPC-2221A specifica lo spessore minimo della placcatura per ciascuna delle classi di prodotti IPC. Se desideri che il tuo prodotto sia conforme a una qualsiasi delle classi di prodotti IPC standard, assicurati che lo spessore della placcatura soddisfi le relative specifiche. Normalmente, se si specifica una classe di prodotto come si farebbe normalmente nelle note di fabbricazione, lo spessore minimo della placcatura è implicito. Assicurati solo di non contraddirti, altrimenti il produttore ti invierà un'e-mail chiedendoti la nota di placcatura.

Spessore della placcatura PCB e perdite di frequenza

L'altra ragione per cui preoccuparsi dello spessore della placcatura PCB è l'effetto che ha sulle perdite. A basse frequenze, probabilmente non si noterà alcun effetto sulla frequenza, quindi non dovrai preoccuparti dello spessore della placcatura PCB per segnali digitali a bassa velocità e segnali radio inferiori a 1 Ghz. Ho realizzato emettitori stampati personalizzati funzionanti a 5,8 GHz tramite WiFi con ENIG (che non è il massimo per le alte frequenze) che hanno sopraffatto il ricevitore nella nostra configurazione di prova. La maggior parte delle placcature può quindi essere adatta a queste frequenze se il circuito è progettato correttamente.

Il problema delle perdite si pone alle frequenze mmWave, come i radar a corto raggio (24 GHz) e superiori. A queste frequenze, la rugosità del rame diventa un contributo molto evidente alle perdite, specialmente su substrati RF a bassa perdita come Rogers. Lo spessore della placcatura determinerà la quantità di ruvidità sperimentata dai segnali durante la propagazione, che si manifesterà nella resistenza agli effetti della pelle. Per alcuni risultati di esempio, guarda i risultati di John Coonrod in questo articolo, in particolare il set di grafici che dimostrano la perdita di inserzione. Come si può vedere, maggiori quantità di placcatura grezza possono aumentare le perdite. Per comodità, ho riprodotto un grafico qui sotto per le microstrisce.

Quando hai determinato la placcatura del circuito stampato di cui hai bisogno nella tua progettazione PCB e sei pronto a specificare i requisiti di fabbricazione, puoi creare la documentazione con gli strumenti di produzione facili da usare di Altium Designer®. Una volta che il tuo progetto è pronto per una revisione approfondita di progettazione e produzione, il team può condividere e collaborare in tempo reale attraverso la piattaforma Altium 365™ . I team di progettazione possono utilizzare Altium 365 per condividere i dati di produzione e i requisiti di fabbricazione attraverso una piattaforma cloud sicura.

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