Projektowanie płytek drukowanych i wykończenia warstwy zewnętrznej PCB

Chociaż mogłoby się zdawać, że określenie, jakie wykończenie powierzchni zewnętrznej warstwy będzie właściwe, stanowi bardzo odległy etap z punktu widzenia całości procesu, jest to coś, czym trzeba się zająć na samym początku projektowania płytki PCB. Dostępne są rozmaite wykończenia powierzchni zewnętrznych warstw, a każde z nich ma swoje zalety i wady. To, które z nich będzie najlepsze dla danego projektu, zależy w dużym stopniu od końcowego zastosowania produktu. Ten artykuł opisuje różne dostępne klasy powierzchni, ich historię i rozwój, mocne i słabe strony każdej z nich, gdzie podczas produkcji płytki PCB dana powierzchnia jest nakładana, a także bieżący stan rzeczy w odniesieniu do obecnej sytuacji w branży.

Rola wykończeń powierzchni zewnętrznych warstw

Pytanie „Co wykończenie powierzchni ma wspólnego z projektem high-speed design?” jest zasadne. Może

się zdawać, że odpowiedź brzmiałaby „nic”, jednak na przestrzeni lat widzieliśmy, jak dziesiątki, jeśli nie setki

lub więcej elegancko wykonanych obwodów o dużych prędkościach zawodziło ze względu na zawodność połączeń lutowanych, o co można obwiniać nieprawidłowe wykończenie powierzchni. Gdy to się stanie, jedynym rozwiązaniem jest wyrzucenie całego urządzenia i rozpoczęcie od nowa. Może to skutkować ogromnymi kosztami oraz zakłóceniami harmonogramu i może spowodować, że produkt nie trafi na rynek w odpowiednim czasie i nie przyniesie spodziewanych przychodów.

Ewolucja wykończeń powierzchni

Zadaniem każdego wykończenia powierzchni warstwy zewnętrznej – niezależnie od typu i miejsca jego nałożenia w ogólnym procesie produkcji – jest zabezpieczenie obszarów miedzianej powierzchni przed korozją w tych miejscach, gdzie zostaną przylutowane podzespoły.

Dostępne są między innymi następujące typy wykończeń powierzchni:

• Galwanizowane lutowie
• Galwanizowana cyna
• HASL
• ENTEC 106^® lub inne zabezpieczenie organiczne
• ENIG
• ENPIG
• Galwanizowane złoto na galwanizowanym niklu
• Cyna imersyjna
• Srebro imersyjne

Koniecznie trzeba zauważyć, że nakładanie tych wykończeń powierzchni warstwy zewnętrznej odbywa się na różnych etapach procesu produkcji płytki PCB Ponadto bezpośredni wpływ na działanie poszczególnych wykończeń ma to, gdzie jest realizowany proces nakładania. Te dwie różne fazy to:

• Nakładanie wykończenia zaraz po etapie powlekania miedzią.

W tym przypadku powłoka służy jako zabezpieczenie przed trawieniem, gdy trzeba usunąć zbędną miedź z zewnętrznych warstw. Wykończenia w tej kategorii obejmują galwanizowane lutowie, galwanizowaną cynę oraz galwanizowane złoto na niklu.

• Nakładanie wykończenia po całkowitym powleczeniu płytki PCB i ostatecznym wytrawieniu zewnętrznych warstw.

W tym przypadku jako zabezpieczenie podczas trawienia zewnętrznych warstw stosuje się galwanizowane lutowie lub galwanizowaną cynę. Powłoka zostaje usunięta przed nałożeniem maski lutowniczej, pozostawiając odsłoniętą miedź w miejscach, gdzie zostaną wykonane luty. Te wykończenia powierzchni warstw zewnętrznych zawierają materiały antykorozyjne, aby chronić pady montażowe podzespołów do zakończenia lutowania. Poniżej znajdują się uwagi dotyczące ich stosowania. Konkretne wykończenia w tej kategorii obejmują HASL, powłoki organiczne takie jak ENTEC 106, ENIG, ENEPIG, cynę imersyjną i srebro imersyjne.

Ewolucja tych wykończeń przebiegała następująco:

1. Galwanizowane lutowie to pierwsze wykończenie powierzchni stosowane w branży PCB. Jest to najtańsze wykończenie i realizuje dwa zadania jednocześnie. Po pierwsze służy jako zabezpieczenie przed trawieniem. Chroni również miedziane powierzchnie, do których zostaną przylutowane podzespoły. Problem polega na tym, że maska lutownicza nakładana na to wykończenie powierzchni może zawieść, gdy lutowie na ścieżkach pod maską roztopi się podczas lutowania falowego. To może prowadzić do zwarć między ścieżkami. Ponadto to wykończenie zawiera niepożądaną ilość ołowiu. Z tego względu zostało zastąpione następnym wykończeniem.
2. Galwanizowana cyna wkroczyła na scenę jako zgodny z wymogami RoHS zamiennik dla galwanizowanego lutowia. Zaletą tego wykończenia jest to, że maskę lutowniczą można było nakładać bezpośrednio na cynę i można je było stosować jako finalne wykończenie powierzchni. Rozwiązanie wypróbowano w wielu produktach, w tym na płytach typu backplane, ale rezultaty były mieszane. Problem polega na tym, że cyna w czystej postaci, tak samo stopy cyny, tworzy bardzo cieniutkie połączenia nitkowe między obwodami o różnych napięciach. W miarę rozrastania się tych połączeń mogą one prowadzić do zwierania obwodów oraz powstawania ścieżek upływu prądu. Te cieniutkie połączenia pojawiają się zwykle jakiś czas po zmontowaniu układu, gdy urządzenie trafi już do użytkownika, co prowadzi do zwrotów produktu. Z tego powodu wszelkie formy cynowego wykończenia powierzchni nie stanowią niezawodnego wyboru do produkcji płytek PCB.
3. SMOBC (maska lutownicza na nieosłoniętej miedzi) to proces, który opracowano w celu wyeliminowania problemu ze zwarciami powodowanymi przez lutowie. W tym przypadku przed nałożeniem maski lutowniczej następuje usunięcie lutowia lub cyny ze ścieżek. Ponieważ maska lutownicza bardzo dobrze przywiera do odsłoniętej miedzi, nie ma problemu ze zwarciami powodowanymi przez lutowie. Jednakże niektóre pady montażowe pozostają odsłonięte, a nieosłonięta miedź koroduje bardzo szybko. To oznacza konieczność zastosowania jakiegoś materiału przeciwkorozyjnego, żeby zabezpieczyć miedziane pady montażowe. Te materiały wskazano powyżej, a więcej informacji na ich temat znajduje się w dalszej części artykułu.
4. Galwanizowane złoto na galwanizowanym niklu jako wykończenie powierzchni to rozwiązanie równie stare, o ile nie starsze, jak galwanizowanie lutowie. Zaletą tego wykończenia jest łatwość nakładania, zapewnianie doskonałej ochrony miedzianych powierzchni oraz świetny wygląd. Jednak jest to najdroższe wykończenie, dlatego stosuje się je tylko na płytkach PCB o wysokiej cenie. Niemniej jednak istnieją niewielkie ryzyka. W przypadku zastosowania tego wykończenia na płytkach PCB z otworami o małym/dużym współczynniku kształtu mogą się pojawić problemy związane z procesem trawienia używanym do usunięcia zbędnej miedzi z zewnętrznych warstw płytki PCB. Nikiel i złoto chronią miedź w metalizowanych otworach przelotowych przed wytrawieniem. Proces stosowany do naniesienia niklu musi być bardzo dobrze kontrolowany, inaczej miedź pośrodku metalizowanego otworu nie zostanie pokryta, wskutek czego ulegnie usunięciu podczas trawienia. Nie ma problemu, jeśli miedź zostanie całkowicie wytrawiona, ponieważ widać to jako przerwę w obwodzie i można wyrzucić płytkę zanim zostanie skierowana do dalszej obróbki. Wyzwanie stanowią niewielkie ilości miedzi pozostałe w otworze, które są wystarczające, żeby wynik testu płytki bez podzespołów był pozytywny. Jednakże po procesie lutowania miedź często ulega uszkodzeniu, co skutkuje wyprodukowaniem złej płytki PCB. Istnieją sposoby zapobiegania tego typu uszkodzeniom miedzi. Pierwszy polega na naniesieniu dodatkowej warstwy miedzi w otworach na potrzeby procesu trawienia. Drugi polega na zakryciu przelotek od góry i od spodu płytki PCB materiałem fotograficznym przed wytrawieniem zewnętrznych warstw.

Jak już wspomniano, poniższe wykończenia nakłada się po całkowitym powleczeniu płytki PCB oraz ostatecznym wytrawieniu zewnętrznych warstw i nałożeniu maski lutowniczej. Wykończenia należące do

tej kategorii to:

• HASL (wyrównywanie lutowia gorącym powietrzem) było pierwszym wykończeniem opracowanym dla płytek PCB z maską lutowniczą SMOBC i nadal jest to główne wykończenie tych płytek. Jest to najtańsze wykończenie zaraz po galwanizowanym lutowiu. HASL nakłada się poprzez zanurzenie płytki z maską SMOBC w zbiorniku z roztopionym lutowiem w celu pokrycia całej odsłoniętej miedzi. Płytka PCB zostaje wyciągnięta z kąpieli lutowniczej przez dwa noże powietrzne, które zdmuchują nadmiar lutowia, pozostawiając taką jego ilość na każdym padzie, aby zapewnić zabezpieczenie przed korozją. Wadą takiego wykończenia jest to, że wysokość padów lutowniczych nie jest równomierna, więc gniazda QFP i BGA o małym rozstawie wyprowadzeń mogą mieć ostatecznie przerwy w obwodzie lub zwarcia spowodowane lutowiem. Ponadto w procesie HASL każda płytka PCB jest poddawana szokowi termicznemu, gdy zostaje zanurzona w roztopionym lutowiu. W przypadku grubych płytek PCB z dużą liczbą małych metalizowanych otworów przelotowych może to spowodować uszkodzenia niektórych takich otworów.
• ENTEC 106^® lub powłoki organiczne to cienkie warstwy substancji organicznych, które zabezpieczają miedziane pady do czasu lutowania, podczas którego służą jako topniki lutownicze. Zaletą ENTEC jest niska cena w porównaniu do niektórych innych dostępnych opcji wykończeń powierzchni warstw zewnętrznych. Wadą tego typu powłok jest to, że dotknięcie palcami niszczy powłokę, przez co płytka PCB staje się bezużyteczna, o ile powłoka nie zostanie usunięta i nałożona ponownie. W związku z tym ENTEC i inne podobne powłoki nie są odpowiednie dla produktów prototypowych, które prawdopodobnie będą dotykane. Niemniej jednak jest to odpowiednie wykończenie przy produkcji płytek PCB.
• ENIG (złoto imersyjne na warstwie niklu nałożonej bezprądowo) może stanowić dobrą powłokę, o ile proces nakładania zostanie zrealizowany prawidłowo. Określenia „bezprądowo” oraz „imersyjne” oznaczają, że proces nakładania niklu i złota na miedź musi przebiegać bez użycia prądu elektrycznego. Trudność polega na tym, że to wykończenie nakłada się przy użyciu dwóch złożonych kąpieli chemicznych. Jeśli procesy chemiczne nie przebiegną prawidłowo, w rezultacie otrzymamy czarne pady. Jest to materiał, który powoduje, że połączenia lutowane są słabe i często ulegają uszkodzeniu w procesie lutowania. Niestety nie ma skutecznego rozwiązania tego problemu i całe układy trzeba będzie wyrzucić. Inną wadą ENIG jest to, że nałożona warstwa złota jest bardzo cienka i nie zapewnia długotrwałego zabezpieczenia przeciwkorozyjnego, wskutek czego płytki nie nadają się do długiego magazynowania.
• ENEPIG (złoto imersyjne na warstwach niklu i paladu nałożonych bezprądowo) to wykończenie stosowane od ok. 10 lat, które reklamuje się jako odpowiedni zamiennik dla ENIG. Dowody wskazują na to, że w przypadku tego wykończenia występują podobne problemy z narażeniem na korozje i czarnymi padami. Ponieważ stwierdzono występowanie obu tych typów usterek, nie jest to rekomendowane rozwiązanie.
• Cyna imersyjna początkowo zdawała się być bardzo interesującym wykończeniem. Ponieważ nie zawiera ołowiu, spełnia wymogi RoHS i bardzo łatwo się ją nakłada. Jednak jak już wspomniano, cyna tworzy cienkie połączenia nitkowe, które z czasem prowadzą do zwierania obwodów oraz powstawania ścieżek upływu prądu, dlatego nie jest to rekomendowane rozwiązanie. Srebro imersyjne to dobry wybór, jeśli nie możemy sobie pozwolić na galwanizowane złoto na galwanizowanym niklu. To wykończenie umożliwia długie magazynowanie i jest równie niedrogie jak ENTEC. Jedynym problemem jest to, że czernieje (matowieje). Jednak jest to kwestia kosmetyczna, a nie jakościowa. W reakcji na to niektórzy producenci OEM zaczęli stosować ENTEC wszędzie tam, gdzie zostanie wykonane lutowanie, a następnie ENIG na padach, które pozostaną nieosłonięte po montażu. Dzięki temu płytki wyglądają „ślicznie”, działają zgodnie z oczekiwaniami, a klientom podoba się ich wygląd.

Podsumowanie

Branża ma do dyspozycji szereg wykończeń powierzchni zewnętrznych warstw. Rozumienie dynamiki, zalet i wad poszczególnych opcji to nieodzowne warunki prawidłowego dobrania wykończenia dla konkretnej implementacji płytki PCB. Uwzględnienie tych czynników na wczesnym etapie projektowania pozwoli na bezproblemowe realizowanie całego procesu rozwoju produktu poprzez wszystkie fazy projektowania, produkcji i montażu.

Czy chcesz dowiedzieć się więcej na temat tego, jak Altium może Ci pomóc przy kolejnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem Altium lub zapoznaj się z podręcznikiem projektowania płytek PCB dla szybkich obwodów, który zawiera wszystkie niezbędne informacje. Aby bardziej zagłębić się w tematykę tego artykułu, można również zapoznać się z materiałami wyszczególnionymi poniżej.

Odsyłacze

1. Ritchey, Lee W. i 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, Tom 1, Wydanie 4, sierpień 2005