Il rame è stato selezionato come materiale conduttivo per i PCB (Printed Circuit Board) grazie alla sua eccellente conducibilità e alle sue prestazioni fisiche. Tuttavia, la superficie del rame tende a ossidarsi quando è esposta all’aria, formando uno strato di ossido solido e sottile sulla superficie, il che nella maggior parte dei casi porta alla comparsa di difetti nelle giunzioni di saldatura e di conseguenza riduce l’affidabilità del prodotto e ne accorcia la durata di conservazione. Pertanto, è assolutamente necessario adottare misure protettive per impedire l’ossidazione della superficie del rame, che è la ragione originaria della comparsa dei rivestimenti superficiali, i quali devono essere resistenti al calore e saldabili. Fino ad ora, i rivestimenti superficiali per PCB si sono sviluppati rapidamente, generando numerose classificazioni, e la scelta di un tipo adeguato rimane ancora importante. Di conseguenza, questo articolo discuterà le funzioni e le classificazioni dei rivestimenti superficiali per PCB e introdurrà alcuni principi di selezione.
Che cos'è il rivestimento superficiale PCB?
•Importanza del rivestimento superficiale dei PCB
Per evitare che la superficie in rame dei pad sul PCB venga ossidata e contaminata prima della saldabilità, è di fondamentale importanza applicare un rivestimento superficiale (chiamato anche finitura superficiale) sul rame per svolgere una funzione protettiva.
Il rame presenta la seconda migliore conducibilità e le migliori proprietà fisiche (il primo è l’argento), oltre alle sue abbondanti riserve e al basso costo; per questo il rame è stato scelto come materiale conduttore per i PCB. Tuttavia, in quanto metallo attivo, il rame si ossida così facilmente che tende a formarsi uno strato di ossido (ossido di rame o ossido rameoso) sulla superficie, causando difetti nelle giunzioni di saldatura che riducono l’affidabilità del prodotto e ne accorciano la durata di conservazione.
In base alle statistiche, il 70% dei difetti sulle schede PCB deriva dai giunti di saldatura per i seguenti due motivi:
Motivo n. 1L'inquinamento e l'ossidazione che si verificano sui pad del PCB tendono a causare saldature incomplete e giunti di saldatura freddi.
Motivo n. 2: Lo strato di diffusione tende a formarsi a causa della diffusione tra argento e rame, mentre il composto intermetallico (IMC) tende a formarsi tra stagno e rame, rendendo l’interfaccia lasca e fragile.
Pertanto, la superficie di rame pronta per essere saldata dovrebbe adottare uno strato protettivo con funzione di saldabilità o di isolamento, in modo che i difetti possano essere attenuati o evitati.
•Requisito sul rivestimento superficiale del PCB
Il rivestimento superficiale sul pad del PCB deve essere compatibile con il seguente requisito:
a. Resistenza al calore
Alle alte temperature durante la saldatura, la finitura superficiale deve anche essere in grado di impedire l’ossidazione della superficie dei pad del PCB e consentire alla saldatura di entrare in contatto diretto con il rame.
La resistenza al calore del rivestimento organico superficiale si riferisce alle prestazioni in termini di punto di fusione e temperatura di decomposizione termica. Il punto di fusione del rivestimento superficiale dovrebbe essere vicino o inferiore a quello dello stagno, mentre la sua temperatura di decomposizione termica dovrebbe essere molto più alta del punto di fusione e della temperatura di saldatura della lega saldante. In questo modo, non avverrà ossidazione sulla superficie del rame durante la saldatura.
b. Copribilità
Fondamentalmente, il rivestimento superficiale del PCB deve poter coprire completamente la superficie del pad in rame senza ossidarsi o contaminarsi prima e durante la saldatura. Non deve spostarsi, decomporsi o galleggiare sulla superficie dei giunti di saldatura. Pertanto, per garantire che la saldatura fusa possa bagnare completamente il pad, la tensione superficiale del rivestimento fuso deve essere bassa e la temperatura di decomposizione deve essere elevata, in modo da assicurare un’elevata copertura prima e durante la saldatura.
c. Residuo
Il residuo qui si riferisce al residuo lasciato sulla superficie del pad o dei giunti di saldatura dopo l’esecuzione della saldatura. In generale, il residuo è pericoloso e dovrebbe essere eliminato, motivo per cui di solito vengono adottate misure di pulizia dopo la saldatura.
d. Corrosività
La corrosività qui si riferisce alla corrosione causata dal residuo di saldatura sulla superficie della scheda dopo la saldatura, come il materiale del substrato PCB o lo strato metallico.
e. Preoccupazioni ambientali
Al giorno d’oggi, le problematiche ambientali stanno suscitando un’attenzione sempre maggiore da parte dell’industria. Per quanto riguarda il rivestimento superficiale sui PCB, gli effluenti generati durante il processo di rivestimento e dopo la pulizia e la saldatura dovrebbero essere di facile smaltimento e rispettosi dell’ambiente.
Come viene classificato il rivestimento superficiale dei PCB?
•Basato sulla tecnologia di produzione
In base alla tecnologia di produzione, la finitura superficiale del PCB può essere classificata in rivestimento superficiale e rivestimento metallico.
a. Rivestimento superficiale
Il rivestimento superficiale si riferisce al processo di applicazione, con un metodo fisico, di un sottile strato di rivestimento resistente al calore e saldabile sulla superficie di rame. La principale caratteristica del rivestimento superficiale risiede nel fatto che, durante il processo di saldatura, può essere fornita alla saldatura una superficie di rame puro per l’operazione di saldatura. La finitura superficiale, come l’HASL (Hot Air Solderability Level) oOSP (Conservante di Saldabilità Organico)appartiene a questa classificazione.
b. Rivestimento metallico
Il rivestimento metallico si riferisce al processo mediante il quale un rivestimento metallico resistente al calore e saldabile viene generato sulla superficie in rame puro del pad sul PCB tramite placcatura chimica e galvanica, come ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold), ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold), Immersion Gold ecc.
•In base all'effetto dell'applicazione
In base agli effetti di applicazione, la finitura superficiale può essere classificata in tre categorie: flussante per saldatura saldato sul rivestimento sullo strato isolante, flussante per saldatura saldato sul rivestimento metallico sullo strato di diffusione e flussante per saldatura saldato sullo strato isolante del rivestimento metallico.
Categoria#1: Il flussante per saldatura viene saldato sul rivestimento sullo strato isolante.
La principale caratteristica di questo tipo di rivestimento superficiale è che la saldatura fusa scivolerà sulla superficie della saldatura dopo essersi staccata dal rame durante la saldatura ad alta temperatura. Tuttavia, si genererà l’IMC all’interfaccia del giunto di saldatura, il che aumenterà la possibilità di difetti.
Categoria#2: Il flussante per saldatura viene saldato sul rivestimento metallico sullo strato di diffusione.
L’avvento di questo tipo di tecnologia mira a eliminare l’IMC, ma presenta evidenti svantaggi. Da un lato, tende a provocare diffusione; dall’altro, tende a rendere il circuito stampato soggetto a fragilità, il che a sua volta porta alla comparsa di difetti nel circuito.
Categoria#3: Il flussante per saldatura viene saldato sullo strato isolante del rivestimento metallico.
Il principale vantaggio di questo tipo di tecnologia è che la saldatura viene effettuata sulla superficie dello strato isolante del rivestimento metallico invece che direttamente sulla superficie di rame. Pertanto, non si formerà un IMC stabile all’interfaccia e non si verificherà diffusione tra i metalli.
Come selezionare il rivestimento superficiale PCB?
Bisogna prestare grande attenzione al rivestimento superficiale del PCB, poiché è strettamente associato alla saldabilità, all’affidabilità e alla durata di conservazione del PCB. Deve essere selezionato con particolare cura in base alle condizioni e ai campi di applicazione.
A causa delle diverse proprietà ed effetti applicativi dei rivestimenti superficiali, essi devono essere scelti in base ai requisiti di applicazione e ai campi di applicazione specifici duranteProcesso di produzione dei PCBe la complessità e il costo di produzione non possono essere il principale criterio di valutazione.
In generale, per quanto riguarda i prodotti elettronici destinati all’industria civile o all’industria ordinaria, si dovrebbe scegliere un rivestimento superficiale il cui flussante per saldatura venga saldato senza strato isolante, come HASL, OSP ecc.
Per quanto riguarda le applicazioni che mirano ad un’elevata affidabilità e a una lunga durata di conservazione, come l’assistenza medica, i trasporti, l’ambito militare, l’aerospaziale ecc., tuttavia, si dovrebbe selezionare un rivestimento superficiale il cui flussante per saldatura sia saldato sullo strato isolante, comeENIG e ENEPIG.
