Progettazione dei PCB surface finish dello strato esterno

Sebbene possa sembrare un passaggio molto avanzato dal punto di vista delle considerazioni generali sullo sviluppo di prodotti,stabilire quale finitura della superficie dello strato esterno del PCB sia quella giusta è un aspetto che deve essere affrontato nelle fasi iniziali del processo di progettazione del PCB. Esiste un gran numero di finiture della superficie dello strato esterno, ognuna con vantaggi e svantaggi specifici. Capire quale sia la più adatta per la vostra progettazione dipende fortemente dall'applicazione finale del prodotto. Questo articolo descriverà le varie classi di superfici disponibili, la loro storia ed evoluzione, i meriti e gli svantaggi di ognuna, il momento nella fabbricazione dei PCB in cui una determinata superficie viene applicata e lo stato attuale delle cose rispetto al punto in cui si trova oggi il settore.

Il ruolo delle finiture della superficie dello strato esterno

Domandarsi "Cosa c'entra la finitura della superficie con la mia progettazione ad alta velocità?" è normale e la risposta più ovvia potrebbe essere "niente", ma, nel corso degli anni, abbiamo visto dozzine se non centinaia o più di progettazioni ad alta velocità di buona fattura fallire a causa di saldature inaffidabili che avrebbero potuto essere imputate all'uso della finitura della superficie sbagliata. Quando avviene questo, l'unica soluzione possibile è buttare via l'intero assemblaggio e iniziare da capo. Ciò può avere un impatto enorme dal punto di vista dei costi e delle scadenze e potrebbe impedire a un prodotto di soddisfare la sua finestra di mercato e di generare entrate anticipate.

L'evoluzione delle finiture della superficie

Lo scopo delle finiture della superficie dello strato esterno, indipendentemente dal tipo e dal momento del processo di fabbricazione generale in cui vengono applicate, è proteggere le aree superficiali in rame dalla corrosione nei punti in cui i omponenti verranno saldati.

I tipi di finiture della superficie disponibili includono:

• Saldatura elettroplaccata
• Stagno elettroplaccato
• HASL
• ENTEC 106^® o altra protezione organica
• ENIG
• ENPIG
• Oro elettroplaccato su nickel elettroplaccato
• Stagno per saldatura a immersione
• Argento per stagnatura a immersione

È importante notare che l'applicazione di queste finiture della superficie dello strato esterno avviene in fasi diverse del processo di fabbricazione del PCB. Inoltre, il momento in cui avviene il processo di applicazione influisce direttamente sulle prestazioni di ogni finitura. Queste due fasi diverse includono:

• Placcatura delle finiture subito dopo la fase di placcatura del rame.

In questo caso, la placcatura ha lo scopo di proteggere dalle incisioni che avvengono al momento di rimuovere il rame indesiderato dagli strati esterni. Le finiture di questa categoria includono la saldatura elettroplaccata, lo stagno elettroplaccato e l'oro elettroplaccato su nickel.

• Applicazione delle finiture dopo che il PCB è stato completamente placcato e gli strati esterni sono stati incisi fino a ottenere il loro motivo finale.

In questo caso, la saldatura placcata o lo stagno placcato vengono usati per proteggere dalle incisioni effettuate sugli strati esterni. Questa placcatura viene rimossa prima dell'applicazione della maschera di saldatura, lasciando esposto il rame nei punti in cui dovranno essere realizzate le connessioni saldate. Queste finiture della superficie dello strato esterno sono composte da materiali anticorrosivi che proteggono i cuscinetti di montaggio del componente fino al completamento della saldatura. Di seguito sono indicati i dettagli relativi al loro uso. Le finiture specifiche di questa categoria comprendono HASL, rivestimenti organici come ENTEC 106, ENIG, ENEPIG, stagno per saldatura a immersione e argento per saldatura a immersione.

Di seguito è spiegata l'evoluzione di queste finiture:

1. La saldatura elettroplaccata è la finitura della superficie originale usata dal settore PCB. Questo tipo di finitura, la più economica, svolge due compiti. Innanzitutto, funziona come un etch resist. Inoltre serve da protezione per le superfici in rame su cui verranno saldati i componenti. Il problema è che la maschera di saldatura che viene applicata su questa finitura della superficie può non svolgere il suo compito quando la saldatura sotto la maschera sulle tracce si fonde durante la saldatura a onda. Ciò causa cortocircuiti tra le tracce. In aggiunta, questa finitura presenta una quantità indesiderata di piombo. Di conseguenza, è stata rimpiazzata dalla finitura seguente.

2. Lo stagno elettroplaccato è salito alla ribalta come il sostituto RoHS della saldatura elettroplaccata. Ciò che rende così attraente questa finitura è il fatto che la maschera di saldatura potrebbe essere applicata direttamente sullo stagno e che potrebbe essere usata come finitura della superficie finale. Questo è stato provato su un gran numero di prodotti, tra cui backplane, con risultati discordanti. Il problema è rappresentato dal fatto che lo stagno puro così come le leghe di stagno sviluppano baffi molto sottili di stagno tra circuiti con tensioni diverse. Più i baffi crescono, più sono la causa di cortocircuiti e perdite. I baffi compaiono solitamente qualche tempo dopo che il PCB è stato assemblato e si trova nelle mani dell'utente, dando luogo a un reso. Per questo motivo, qualsiasi forma di stagno come finitura della superficie non può essere considerata come una scelta affidabile per le implementazioni PCB.

3. La SMBOC (maschera di saldatura su rame nudo) come processo è stata sviluppata per risolvere il problema dei cortocircuiti causati dalle saldature. Qui, la lega per saldatura o lo stagno vengono rimossi dalle tracce prima dell'applicazione della maschera di saldatura. Poiché la maschera di saldatura aderisce perfettamente al rame nudo, risolve il problema dei cortocircuiti. Tuttavia, lascia i cuscinetti di montaggio esposti perché il rame nudo corrode molto rapidamente. Ciò significa che per proteggere i cuscinetti di montaggio in rame occorre utilizzare del materiale anticorrosivo. I materiali anticorrosivi sono indicati sopra e sono spiegati in maniera più dettagliata di seguito.

4. L'uso di oro elettroplaccato su nickel elettroplaccato come finitura della superficie è antico quanto la saldatura elettroplaccata se non di più. I vantaggi offerti da questa finitura sono la facilità di applicazione della placcatura, la protezione ottimale delle superfici in rame e l'aspetto. È, però, la finitura più costosa e per questo motivo viene utilizzata solo su PCB venduti a prezzi elevati. Inoltre, presenta alcuni piccoli rischi. Quando questa finitura viene utilizzata su PCB che hanno fori di piccole dimensioni e rapporto di aspetto elevato si verificano dei problemi con il processo di incisione usato per rimuovere il rame indesiderato dagli strati esterni del PCB. Il nickel e l'oro impediscono l'esportazione del rame nei fori placcati. Se il processo di placcatura usato per depositare il nickel non viene controllato in maniera accurata, il ramo nel centro di un foro placcato non verrà ricoperto e, di conseguenza, verrà esportato. Ciò non rappresenta un problema se il rame viene completamente esportato perché appare come un circuito aperto e la scheda viene eliminata prima di passare ad altre fasi della lavorazione. Il problema emerge quando piccole quantità di rame restano nel foro, consentendo il superamento del test della scheda nuda. Spesso è solo dopo il processo di saldatura che il rame non funziona correttamente e ci si rende conto che il PCB è difettoso. Esistono modi per risolvere questo tipo di errore. Il primo è placcare ulteriormente con rame i fori per consentire il processo di incisione. Il secondo è inserire del materiale fotoimmaginabile nelle vie della parte superiore e inferiore del PCB prima di procedere all'incisione degli strati esterni.

Come detto prima, le finiture seguenti sono applicate dopo che il PCB è stato completamente placcato e che gli strati esterni sono stati incisi con il loro motivo finale e che la maschera di saldatura è stata applicata. Tra le finiture che appartengono a questa categoria sono incluse:

• L'HASL (livellamento della saldatura ad aria calda) è stata la prima finitura sviluppata per i PCB SMOBC e continua a essere la finitura più scelta per questo tipo di PCB. È la finitura meno costosa dopo la saldatura placcata. L'HASL viene applicato immergendo il PCB SMOBC finito in una tinozza di lega per saldare fusa al fine di rivestire tutto il rame esposto. Il PCB viene estratto dal bagno di lega per saldatura mediante un paio di lame d'aria che soffiano via la lega per saldatura in eccesso, lasciando su ogni cuscinetto la quantità di lega sufficiente per fornire la protezione dalla corrosione. Lo svantaggio di questa finitura è rappresentato dal fatto che l'altezza dei cuscinetti di saldatura non è uniforme e che a causa di ciò i QFP e i BGA a passo fine finiscono per avere cortocircuiti o circuiti aperti. In aggiunta, con l'HASL, ogni PCB è soggetto a notevoli shock termici quando viene immerso nella lega fusa. Con PCB spessi che contengono grandi numeri di piccoli fori placcati, ciò può essere la causa di malfunzionamenti dei fori placcati.

• ENTEC 106^® o i rivestimenti organici sono pellicole sottili di sostanze organiche che proteggono i cuscinetti di rame fino al momento della saldatura, in cui vengono utilizzati come flussanti. Un vantaggio offerto dall'ENTEC è la sua economicità rispetto ad alcune delle altre opzioni di finitura della superficie dello strato esterno. Lo svantaggio con questo tipo di rivestimento è che toccando la finitura con le dita si distrugge il rivestimento, rendendo inutilizzabile il PCB finché il rivestimento non viene rimosso e riapplicato. Di conseguenza, ENTEC e altri rivestimenti simili non sono adatti per prototipi soggetti a essere manipolati. Si tratta, comunque, di una finitura adatta per i PCB di produzione.

• L'ENIG (nickel chimico in oro per saldatura a immersione) può essere un buon rivestimento se applicato correttamente. Le parole "chimico" e "immersione" indicano che il nickel e l'oro devono essere depositati sul rame senza usare l'elettricità. La difficoltà è rappresentata dal fatto che questa finitura è applicata mediante due bagni chimici complessi. Se il processo chimico non viene mantenuto correttamente il risultato sarà un black pad. Si tratta di un materiale che provocherà l'indebolimento e il malfunzionamento frequente dei giunti di saldatura dopo che questi ultimi saranno stati sottoposti alle operazioni di saldatura. Sfortunatamente, in questo caso non è possibile correggere il problema e l'intero assemblaggio deve essere eliminato. Un altro svantaggio dell'ENIG è che lo strato d'oro applicato è talmente sottile da non riuscire a fornire una protezione a lungo termine dalla corrosione, cosa che riduce di gran lunga la durata delle schede risultati.

• L'ENEPIG (nickel chimico, palladio chimico, oro per saldatura a immersione) è sul mercato da circa 10 anni ed è stata pubblicizzata come la sostituta più adatta all'ENIG. La realtà dimostra che questa finitura presenta problemi simili in termini di esposizione alla corrosione e black pad. Abbiamo visto casi di entrambi i tipi di errori, pertanto non consigliamo l'uso di questa finitura.

• Lo stagno per saldatura a immersione era sembrato almeno inizialmente una finitura molto interessante. Poiché non contiene piombo soddisfa i requisiti ROHS ed è molto facile da applicare. Ma, come detto sopra, lo stagno causa la formazione di baffi che si trasformano lentamente in cortocircuiti o perdite, motivo per cui non lo consigliamo come finitura della superficie. L'argento per saldatura a immersione è la finitura da scegliere se non potete permettervi l'oro elettroplaccato su nickel elettroplaccato. Ha una lunga durata ed è economico quanto l'ENTEC. L'unico problema è dovuto al fatto che tende ad annerire (ossidazione). Si tratta, tuttavia, di un problema estetico e non prestazionale. In risposta, alcuni OEM hanno iniziato a usare l'ENTEC per tutte le aree che devono essere saldate e quindi a usare l'ENIG sui cuscinetti che saranno esposti dopo l'assemblaggio. In questo modo le schede sono "belle", funzionano come dovrebbero e i clienti sono soddisfatti del loro aspetto.

Riepilogo

Sul mercato esistono tantissime finiture della superficie dello strato esterno. Comprendere le dinamiche,

i vantaggi e gli svantaggi di ognuna è fondamentale per assicurarsi di scegliere quella giusta per la vostra implementazione PCB. Prendere in considerazione questi fattori nelle prime fasi della progettazione garantirà che l'intero processo di sviluppo del vostro prodotto sia scorrevole durante tutte le operazioni di progettazione, fabbricazione e assemblaggio.

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Riferimenti

1. Ritchey, Lee W. and Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volume 2.”
2. Ritchey, Lee W., “Update on PCB Surface Finishes,” Current Source Newsletter, Volume 1, Issue 4, August 2005