Как выбрать покрытие и толщину печатной платы

По завершении стандартного процесса изготовления печатной платы чистая медная поверхность готова к нанесению финишного покрытия. Покрытие применяется для защиты любой медной поверхности печатной платы, которая может быть подвержена воздействию паяльной маски, будь то контактные площадки, переходные отверстия или другие токопроводящие элементы. По умолчанию конструкторы часто выбирают оловянно-свинцовое (SnPb) покрытие, однако для вашей платы более подходящими могут оказаться другие виды покрытия.

В этой статье я расскажу о возможных вариантах покрытия и их преимуществах для вашей печатной платы. Вы можете выбирать из нескольких вариантов и в зависимости от ваших требований к надежности или области применения, возможно, вам потребуется проверить, сможет ли ваш производитель нанести покрытие, предусмотренное конструкцией. Мы рассмотрим эти варианты, а также кратко обсудим, какие потери влечет за собой выбор того или иного покрытия.

Типы покрытия печатных плат

Для покрытия печатных плат используются различные материалы. В следующих разделах собраны популярные материалы, которые следует знать и уметь применять конструкторам. Все производители, с которыми я сталкивался, предлагают полный перечень этих вариантов. Если предполагаемый производитель не предлагает в явном виде какой-то из перечисленных ниже вариантов, вы всегда можете обратиться к нему по электронной почте, чтобы получить список услуг, включая варианты покрытия печатных плат.

Оловянно-свинцовое (SnPb) и иммерсионное оловянное лужение

Такое покрытие поверхности печатной платы, вероятно, окажется самым дешевым вариантом, но оно не соответствует требованиям RoHS из-за использования свинца. Иммерсионное олово — это альтернативный вариант, не содержащий свинца, который можно использовать для плат начального уровня.

Лужение с горячим воздушным выравниванием (HASL, Hot-air Solder Leveling) и бессвинцовое лужение HASL

В прошлом лужение HASL было очень популярным вариантом покрытия, но по сравнению с другими материалами оно не так надежно. Это недорогое покрытие, которое доступно и без содержания свинца, поэтому его можно использовать как вариант покрытия начального уровня.

Иммерсионное золочение по подслою химического никеля (ENIG, Electroless Nickel Immersion Gold)

С учетом недостатков сплава SnPb и иммерсионного олова покрытие ENIG сегодня, пожалуй, наиболее популярно в отрасли. В этом покрытии никель выполняет роль барьерного слоя между медью и тонким поверхностным слоем золота, к которому припаиваются компоненты.

Органическое защитное покрытие (OSP, Organic Solderability Preservative)

Это органическое покрытие на водной основе избирательно связывается с медью, образуя исключительно ровную поверхность. Поскольку это органический материал, он чувствителен к манипуляциям и загрязнениям, хотя процесс его нанесения проще, чем у других покрытий печатных плат. У него также очень низкие потери на высоких частотах.

Иммерсионное серебро

Это, на мой взгляд, оптимальный материал для покрытия печатных плат в высокочастотных системах. Он образует ровный контакт с оголенной медью, поэтому не увеличивает потери в проводниках, как другие виды покрытия печатной платы. Основным его минусом является окисление на пустых платах, поэтому после изготовления его нужно как можно скорее пропаять и упаковать.

Иммерсионное золочение по подслоям химического никеля и химического палладия (ENEPIG)

Это покрытие состоит из слоев меди, никеля, палладия и золота и позволяет присоединять провод непосредственно к покрытию. Поверхностный слой золота очень тонок, как и в случае покрытия ENIG. Как и в покрытии ENIG, слой золота мягок, поэтому в результате чрезмерных механических повреждений или глубоких царапин может обнажиться палладиевый слой.

Твердое золото

Это покрытие по сути представляет собой ENIG, но отличается очень толстым наружным слоем золота, поэтому входит в число самых дорогих видов покрытий для печатных плат. Слой золота образует твердую поверхность, которую можно повредить, но его толщина не позволяет до конца обнажить слой никеля.

Из всех перечисленных выше вариантов ENIG, пожалуй, обладает наилучшим балансом стоимости, долговечности и возможностей применения. ENIG зачастую становится лучшим выбором для большинства низкочастотных аналоговых или цифровых систем, где не всегда используются импульсы с быстрыми фронтами (например, стандарты SPI или I2C), в том числе для систем высокой надежности, которые должны соответствовать классу 3 стандарта IPC. Он также подходит для контактных площадок на корпусах высокой плотности BGA или QFN. Если мы обратимся к представленным выше вариантам покрытий, то увидим, что для них существуют свои идеальные области применения: иммерсионное серебро или OSP лучше всего подойдут для радиочастотных систем, а иммерсионное олово, скорее всего, прекрасно подходит для одноразовых изделий (класса 1), которые просто должны соответствовать требованиям по отсутствию свинца. В более специализированных областях, таких как высокоскоростные цифровые и радиочастотные системы, очень важна толщина, о чем я подробно расскажу ниже.

Как указать материал и толщину покрытия печатной платы

Типичные значения толщины покрытия печатной платы составляют около 4 мкм. Типичная толщина покрытия из иммерсионного серебра и OSP может составлять около 0,4 мкм. Указать тип и толщину покрытия печатной платы очень просто: их нужно включить в указания по изготовлению (см. пример ниже). Если вы изготавливаете прототип и у производителя есть стандартный бланк опроса, вы сможете указать тип покрытия там. В таких бланках вопрос о толщине может отсутствовать, поэтому если вам требуется определенная толщина, не забудьте ее указать. Если вы указали нужные параметры покрытия, ваш изготовитель должен обеспечить надежное нанесение покрытия требуемой толщины.

Почему толщина покрытия имеет значение? Для этого есть две причины. Во-первых, минимальная толщина покрытия определяется стандартом IPC-2221A для каждого класса продукции IPC (см. Таблицу 4.3, копию этого стандарта вы можете скачать с моего сайта по этой ссылке). Если вы хотите, чтобы ваше изделие соответствовало какому-либо стандартному классу продукции IPC, то вам необходимо обеспечить соответствие толщины покрытия его требованиям. Обычно, если задан класс изделия, как это обычно делается в указаниях по изготовлению, то при этом подразумевается минимальная толщина покрытия. Просто проверьте отсутствие противоречий, иначе производитель отправит вам электронное письмо с вопросом о покрытии.

Другая причина, по которой следует обеспокоиться толщиной покрытия печатной платы — это влияние покрытия на потери. На низких частотах вы, скорее всего, не заметите никакого влияния на частоту, поэтому для низкоскоростных цифровых сигналов и радиосистем с частотой ниже ГГц толщина покрытия печатной платы не столь важна. Я делал печатные излучатели WiFi на частоте 5,8 ГГц с покрытием ENIG (не самым удачным для высоких частот), которые перегружали приемник в нашем испытательном стенде, поэтому при правильном проектировании схемы на этих частотах можно использовать большинство покрытий.

Проблема потерь возникает в диапазоне миллиметровых волн, например в радарах малой дальности (24 ГГц), и выше. На этих частотах шероховатость меди становится очень заметным фактором потерь, особенно на таких подложках с низкими радиочастотными потерями, как Rogers. Толщина покрытия определяет степень шероховатости, которую испытывают сигналы при распространении, что проявляется в сопротивлении в результате скин-эффекта. Некоторые результаты, например данные Джона Кунрода (John Coonrod), можно найти в этой статье, в частности набор графиков, показывающих вносимые потери. Как видно, большая площадь грубого покрытия может увеличить потери. Для удобства ниже я воспроизвел один график для микрополосковых линий.

После того, как вы определили, какое покрытие печатной платы требуется для вашей конструкции, и готовы сформулировать требования к изготовлению, вы можете создать документацию с помощью простых в использовании производственных инструментов Altium Designer®. Как только ваш проект будет готов для тщательной проверки и производства, ваша команда сможет обмениваться данными и сотрудничать в режиме реального времени с помощью платформы Altium 365™. Проектные группы могут использовать Altium 365 для обмена производственными данными и требованиями к изготовлению через защищенную облачную платформу.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .