ویژگی ها، کاربردها و روند توسعه فرآیند تصفیه سطح PCB

با بهبود مستمر نیازهای انسان برای محیط زندگی، مشکلات زیست محیطی درگیر در فرآیند تولید PCB به ویژه برجسته است.در حال حاضر، سرب و برم داغ ترین موضوعات هستند.بدون سرب و بدون هالوژن بر توسعه PCB در بسیاری از جنبه ها تأثیر می گذارد.اگرچه در حال حاضر تغییرات در فرآیند تصفیه سطح PCB زیاد نیست، که امری دور به نظر می رسد، اما باید توجه داشت که تغییرات آهسته طولانی مدت تغییرات بزرگی را به همراه خواهد داشت.با افزایش تماس ها برای حفاظت از محیط زیست، روند تصفیه سطح PCB مطمئناً در آینده به طور چشمگیری تغییر خواهد کرد.

هدف از عملیات سطحی
اساسی ترین هدف از عملیات سطح اطمینان از لحیم کاری خوب یا عملکرد الکتریکی است.از آنجایی که مس در طبیعت تمایل دارد به شکل اکسید در هوا وجود داشته باشد، بعید است که برای مدت طولانی به عنوان مس اصلی باقی بماند، بنابراین باید به روش های دیگری درمان شود.اگرچه در مونتاژ بعدی می توان از شار قوی برای حذف بیشتر اکسیدهای مس استفاده کرد، خود شار قوی به راحتی حذف نمی شود، بنابراین صنعت به طور کلی از شار قوی استفاده نمی کند.

فرآیند معمول درمان سطحی
در حال حاضر، فرآیندهای تصفیه سطح PCB زیادی وجود دارد که رایج ترین آنها تسطیح با هوای گرم، پوشش ارگانیک، آبکاری نیکل الکترولس / غوطه وری طلا، غوطه وری نقره و غوطه وری قلع است که در زیر یک به یک معرفی می شود.

1. تسطیح هوای گرم
تسطیح با هوای گرم که به عنوان تسطیح لحیم با هوای گرم نیز شناخته می شود، فرآیندی است که از لحیم کاری قلع مذاب روی سطح PCB و تراز کردن (دمیدن) آن با هوای فشرده گرم شده برای تشکیل یک لایه پوششی مقاوم در برابر اکسیداسیون مس و لحیم کاری خوب است. .پس از تسطیح هوای گرم، لحیم کاری و مس ترکیب بین فلزی قلع مس را در محل اتصال تشکیل می دهند.ضخامت لحیم کاری که از سطح مس محافظت می کند حدود 1-2 میلی متر است.PCB باید در لحیم مذاب در هنگام تراز کردن هوای گرم غوطه ور شود.چاقوی هوا قبل از اینکه لحیم جامد شود، لحیم مایع را منفجر می کند.چاقوی باد می تواند منیسک لحیم کاری روی سطح مس را به حداقل برساند و از پل زدن لحیم جلوگیری کند.تسطیح هوای گرم به دو نوع عمودی و افقی تقسیم می شود.به طور کلی، نوع افقی بهتر است، عمدتاً به این دلیل که پوشش تسطیح افقی هوای گرم یکنواخت تر است و می تواند تولید خودکار را انجام دهد.فرآیند کلی فرآیند تراز کردن هوای گرم عبارت است از: میکرو اچینگ ← پیش گرمایش ← پوشش فلاکس ← پاشش قلع ← تمیز کردن.

2. پوشش ارگانیک
فرآیند پوشش آلی با سایر فرآیندهای تصفیه سطح متفاوت است زیرا به عنوان یک لایه مانع بین مس و هوا عمل می کند.فرآیند پوشش ارگانیک ساده و هزینه کم است که باعث می شود به طور گسترده در صنعت استفاده شود.مولکول های اولیه پوشش آلی ایمیدازول و بنزوتریازول هستند که نقش ضد زنگ دارند.آخرین مولکول عمدتاً بنزیمیدازول است که مسی است که گروه عاملی نیتروژن را به PCB پیوند شیمیایی می دهد.در فرآیند جوشکاری بعدی، اگر تنها یک لایه پوشش آلی روی سطح مس وجود داشته باشد، باید لایه های زیادی وجود داشته باشد.به همین دلیل است که معمولاً مس مایع به مخزن مواد شیمیایی اضافه می شود.پس از پوشش لایه اول، لایه پوشش مس را جذب می کند.سپس مولکول های پوشش آلی لایه دوم با مس ترکیب می شوند تا 20 یا حتی صدها مولکول پوشش آلی روی سطح مس متمرکز شوند که می تواند لحیم کاری مجدد را تضمین کند.این آزمایش نشان می دهد که آخرین فرآیند پوشش آلی می تواند عملکرد خوبی را در بسیاری از فرآیندهای جوشکاری بدون سرب حفظ کند.فرآیند کلی فرآیند پوشش آلی چربی زدایی → میکرو اچینگ → ترشی → تمیز کردن آب خالص → پوشش آلی → تمیز کردن است و کنترل فرآیند آسان تر از سایر فرآیندهای تصفیه سطح است.

3. آبکاری نیکل الکترولس / غوطه وری طلا: آبکاری نیکل الکترولس / فرآیند غوطه وری طلا
برخلاف پوشش آلی، آبکاری نیکل الکترولس / غوطه وری طلا به نظر می رسد زره ضخیم را روی PCB قرار می دهد.علاوه بر این، فرآیند آبکاری نیکل الکترولس / غوطه وری طلا مانند پوشش آلی به عنوان لایه مانع ضد زنگ نیست که می تواند در استفاده طولانی مدت از PCB مفید باشد و عملکرد الکتریکی خوبی را به دست آورد.بنابراین، آبکاری نیکل الکترولس / غوطه وری طلا به این صورت است که یک لایه ضخیم از آلیاژ طلای نیکل با خواص الکتریکی خوب روی سطح مس پیچیده می شود، که می تواند PCB را برای مدت طولانی محافظت کند.علاوه بر این، تحملی نسبت به محیط دارد که سایر فرآیندهای تصفیه سطحی ندارند.دلیل آبکاری نیکل این است که طلا و مس یکدیگر را پخش می کنند و لایه نیکل می تواند از انتشار بین طلا و مس جلوگیری کند.اگر لایه نیکل وجود نداشته باشد، طلا در عرض چند ساعت در مس پخش می شود.یکی دیگر از مزایای آبکاری نیکل الکترولس / غوطه وری طلا، استحکام نیکل است.فقط نیکل با ضخامت 5 میکرون می تواند انبساط در جهت Z را در دمای بالا محدود کند.علاوه بر این، آبکاری نیکل الکترولس / غوطه وری طلا نیز می تواند از انحلال مس جلوگیری کند، که برای مونتاژ بدون سرب مفید خواهد بود.فرآیند کلی آبکاری نیکل الکترولس / فرآیند لیچینگ طلا عبارت است از: تمیز کردن اسید → میکرو اچینگ → پیش آغشته سازی → فعال سازی → آبکاری نیکل الکترولس → شستشوی شیمیایی طلا.عمدتاً 6 مخزن شیمیایی وجود دارد که شامل نزدیک به 100 ماده شیمیایی است، بنابراین کنترل فرآیند نسبتاً دشوار است.

4. غوطه وری نقره فرآیند غوطه وری نقره
بین پوشش آلی و غوطه وری نیکل / طلا بدون الکترولس، فرآیند نسبتا ساده و سریع است.به پیچیدگی آبکاری نیکل الکترولس / غوطه وری طلا نیست، و همچنین یک زره ضخیم برای PCB نیست، اما همچنان می تواند عملکرد الکتریکی خوبی را ارائه دهد.نقره برادر کوچک طلاست.حتی زمانی که نقره در معرض گرما، رطوبت و آلودگی قرار می گیرد، همچنان می تواند لحیم کاری خوبی داشته باشد، اما درخشش خود را از دست می دهد.غوطه وری نقره استحکام فیزیکی خوبی مانند آبکاری نیکل الکترولس / غوطه وری طلا را ندارد زیرا هیچ نیکلی در زیر لایه نقره وجود ندارد.علاوه بر این، اشباع نقره خاصیت ذخیره سازی خوبی دارد و زمانی که چند سال پس از آغشته شدن نقره در مونتاژ قرار گیرد، مشکل عمده ای وجود نخواهد داشت.غوطه وری نقره یک واکنش جابجایی است که تقریباً یک پوشش نقره خالص است.گاهی اوقات، برخی از مواد آلی در فرآیند غوطه وری نقره گنجانده می شود، عمدتا برای جلوگیری از خوردگی نقره و حذف مهاجرت نقره.به طور کلی اندازه گیری این لایه نازک از مواد آلی دشوار است و تجزیه و تحلیل نشان می دهد که وزن ارگانیسم کمتر از 1٪ است.

5. غوطه وری قلع
از آنجایی که همه لحیم ها بر پایه قلع هستند، لایه قلع می تواند با هر نوع لحیم کاری مطابقت داشته باشد.از این منظر، فرآیند غوطه وری قلع چشم انداز توسعه زیادی دارد.با این حال، در گذشته، PCB پس از فرآیند غوطه وری قلع، سبیل های قلع ظاهر می شد، و مهاجرت سبیل های قلع و قلع در طول فرآیند جوشکاری مشکلات قابلیت اطمینان را به همراه داشت، بنابراین استفاده از فرآیند غوطه وری قلع محدود شد.بعداً افزودنی‌های آلی به محلول غوطه‌وری قلع اضافه شد که می‌تواند ساختار لایه قلع را ساختار دانه‌ای به خود بگیرد، بر مشکلات قبلی غلبه کند و همچنین پایداری حرارتی و لحیم‌کاری خوبی داشته باشد.فرآیند غوطه ور کردن قلع می تواند یک ترکیب بین فلزی مسطح قلع را تشکیل دهد که باعث می شود غوطه وری قلع همان لحیم کاری خوبی را به عنوان تسطیح در هوای داغ بدون سردرد صافی ناشی از تسطیح هوای داغ داشته باشد.غوطه وری قلع همچنین هیچ مشکل انتشار بین فلزات آبکاری نیکل الکترولس / فلزات غوطه وری طلا ندارد - ترکیبات بین فلزی قلع مس را می توان به طور محکم با هم ترکیب کرد.صفحه غوطه وری قلع را نباید برای مدت طولانی نگهداری کرد و مونتاژ باید طبق ترتیب غوطه وری قلع انجام شود.

6. سایر فرآیندهای تصفیه سطح
سایر فرآیندهای تصفیه سطح کمتر اعمال می شوند.بیایید به فرآیندهای آبکاری طلای نیکل و آبکاری پالادیوم الکترولس که نسبتاً کاربرد بیشتری دارند نگاه کنیم.آبکاری طلای نیکل مبتکر فناوری تصفیه سطح PCB است.از زمان ظهور PCB ظاهر شد و از آن زمان به تدریج به روش های دیگر تبدیل شد.این است که ابتدا یک لایه نیکل روی هادی سطح PCB و سپس یک لایه طلا قرار دهید.آبکاری نیکل عمدتاً برای جلوگیری از انتشار بین طلا و مس است.دو نوع روکش طلای نیکل وجود دارد: آبکاری طلای نرم (طلای خالص، سطح طلا روشن به نظر نمی رسد) و آبکاری طلای سخت (سطح صاف و سخت، مقاوم در برابر سایش، حاوی کبالت و عناصر دیگر، و سطح طلا) روشن به نظر می رسد).طلای نرم عمدتاً برای ساخت سیم های طلا در هنگام بسته بندی تراشه استفاده می شود.طلای سخت عمدتاً برای اتصال الکتریکی در مکان های غیر لحیم کاری استفاده می شود.با در نظر گرفتن هزینه، صنعت اغلب برای کاهش استفاده از طلا، آبکاری انتخابی را با انتقال تصویر انجام می دهد.

در حال حاضر، استفاده از آبکاری طلای انتخابی در صنعت همچنان در حال افزایش است که عمدتاً به دلیل دشواری در کنترل فرآیند آبکاری نیکل الکترولس / آبشویی طلا است.در شرایط عادی، جوشکاری منجر به شکنندگی طلای آبکاری شده می شود که عمر مفید آن را کوتاه می کند، بنابراین لازم است از جوشکاری روی طلای آبکاری شده خودداری شود.با این حال، از آنجایی که طلا در آبکاری نیکل الکترولس / غوطه ور شدن طلا بسیار نازک و ثابت است، تردی به ندرت رخ می دهد.فرآیند آبکاری پالادیوم الکترولس شبیه به آبکاری نیکل الکترولس است.فرآیند اصلی کاهش یون های پالادیوم به پالادیوم روی سطح کاتالیزوری از طریق یک عامل احیا کننده (مانند هیپوفسفیت دی هیدروژن سدیم) است.پالادیوم تازه تولید شده می تواند به یک کاتالیزور برای ترویج واکنش تبدیل شود، به طوری که هر ضخامت پوشش پالادیوم را می توان به دست آورد.از مزایای آبکاری پالادیوم الکترولس می توان به قابلیت اطمینان جوش خوب، پایداری حرارتی و صافی سطح اشاره کرد.

چهار
انتخاب فرآیند تصفیه سطح
انتخاب فرآیند تصفیه سطح عمدتاً به نوع اجزای نهایی مونتاژ شده بستگی دارد.فرآیند تصفیه سطح بر تولید، مونتاژ و استفاده نهایی PCB تأثیر می گذارد.موارد زیر به طور خاص موارد استفاده از پنج فرآیند معمول تصفیه سطح را معرفی می کند.
1. تسطیح هوای گرم
تسطیح هوای گرم زمانی نقش اصلی را در فرآیند تصفیه سطح PCB ایفا می کرد.در دهه 1980، بیش از سه چهارم PCBها از فناوری تراز هوای گرم استفاده می کردند، اما صنعت در دهه گذشته استفاده از فناوری تسطیح هوای گرم را کاهش داده است.تخمین زده می شود که اکنون حدود 25 تا 40 درصد PCB ها از فناوری تراز هوای گرم استفاده می کنند.فرآیند تسطیح هوای گرم کثیف، بدبو و خطرناک است، بنابراین هرگز یک فرآیند مورد علاقه نبوده است.با این حال، تسطیح هوای گرم یک فرآیند عالی برای قطعات بزرگتر و سیم هایی با فاصله بیشتر است.در PCB با چگالی بالا، صاف بودن سطح هوای گرم بر مونتاژ بعدی تأثیر می گذارد.بنابراین، فرآیند تراز هوای گرم به طور کلی برای برد HDI استفاده نمی شود.با پیشرفت تکنولوژی، فرآیند تسطیح هوای گرم مناسب برای مونتاژ QFP و BGA با فاصله کمتر در صنعت ظاهر شده است، اما به ندرت در عمل استفاده می شود.در حال حاضر، برخی از کارخانه ها از پوشش آلی و فرآیند غوطه وری الکترولس نیکل / طلا برای جایگزینی فرآیند تسطیح هوای گرم استفاده می کنند.توسعه فناوری همچنین برخی از کارخانه ها را به اتخاذ فرآیندهای اشباع قلع و نقره سوق داده است.علاوه بر این، روند بدون سرب در سال های اخیر استفاده از تسطیح هوای گرم را محدودتر کرده است.اگرچه به اصطلاح تسطیح هوای گرم بدون سرب ظاهر شده است، ممکن است شامل سازگاری تجهیزات باشد.
2. پوشش ارگانیک
تخمین زده می شود که در حال حاضر، حدود 25٪ - 30٪ PCB ها از فناوری پوشش آلی استفاده می کنند، و این نسبت در حال افزایش است (احتمالاً پوشش آلی در وهله اول از تراز کردن هوای گرم پیشی گرفته است).فرآیند پوشش ارگانیک را می توان بر روی PCBهای با تکنولوژی پایین و PCBهای با تکنولوژی بالا، مانند PCBهای یک طرفه تلویزیون و بردهای بسته بندی تراشه با چگالی بالا استفاده کرد.برای BGA، پوشش آلی نیز به طور گسترده استفاده می شود.اگر PCB هیچ نیاز کاربردی برای اتصال سطح یا دوره ذخیره سازی نداشته باشد، پوشش ارگانیک ایده آل ترین فرآیند تصفیه سطح خواهد بود.
3. آبکاری نیکل الکترولس / غوطه وری طلا: آبکاری نیکل الکترولس / فرآیند غوطه وری طلا
برخلاف پوشش ارگانیک، عمدتاً بر روی تخته‌هایی با الزامات عملکردی اتصال و عمر ذخیره‌سازی طولانی روی سطح، مانند ناحیه کلید تلفن‌های همراه، ناحیه اتصال لبه پوسته روتر و ناحیه تماس الکتریکی اتصال الاستیک تراشه استفاده می‌شود. پردازنده هابا توجه به صاف بودن تسطیح هوای گرم و حذف شار پوشش آلی، آبکاری نیکل الکترولس / غوطه وری طلا به طور گسترده ای در دهه 1990 مورد استفاده قرار گرفت.بعداً به دلیل ظهور دیسک سیاه و آلیاژ فسفر نیکل شکننده، استفاده از فرآیند آبکاری نیکل الکترولس / فرو بردن طلا کاهش یافت.با این حال، در حال حاضر، تقریباً هر کارخانه PCB با تکنولوژی بالا دارای خطوط آبکاری نیکل الکترولس / فرو بردن طلا است.با توجه به اینکه اتصال لحیم کاری هنگام برداشتن ترکیب بین فلزی قلع مس شکننده می شود، مشکلات زیادی در ترکیب بین فلزی نسبتاً شکننده قلع نیکل رخ خواهد داد.بنابراین، تقریباً تمام محصولات الکترونیکی قابل حمل (مانند تلفن‌های همراه) از اتصالات لحیم ترکیبی بین فلزی قلع مسی استفاده می‌کنند که با پوشش ارگانیک، غوطه‌وری نقره یا غوطه‌وری قلع تشکیل شده‌اند، در حالی که از آبکاری نیکل الکترولس / غوطه‌وری طلا برای تشکیل مناطق کلیدی، نواحی تماس و محافظ EMI استفاده می‌شود. مناطق.تخمین زده می شود که در حال حاضر، حدود 10٪ - 20٪ PCB ها از فرآیند آبکاری نیکل الکترولس / غوطه وری طلا استفاده می کنند.
4. غوطه وری نقره
ارزان تر از آبکاری نیکل الکترولس / غوطه وری طلا است.اگر PCB الزامات عملکردی اتصال را دارد و نیاز به کاهش هزینه دارد، غوطه وری نقره انتخاب خوبی است.علاوه بر صافی و تماس خوب غوطه وری نقره، فرآیند غوطه وری نقره باید انتخاب شود.غوطه وری نقره به طور گسترده ای در محصولات ارتباطی، خودروها، لوازم جانبی کامپیوتر و همچنین در طراحی سیگنال با سرعت بالا استفاده می شود.اشباع نقره همچنین می تواند در سیگنال های با فرکانس بالا استفاده شود زیرا خواص الکتریکی عالی آن با سایر عملیات های سطحی مشابه نیست.EMS فرآیند غوطه وری نقره را توصیه می کند زیرا مونتاژ آن آسان است و قابلیت بازرسی خوبی دارد.با این حال، به دلیل نقص هایی مانند کدر شدن و سوراخ لحیم کاری در غوطه وری نقره، رشد آن کند است (اما کاهش نمی یابد).تخمین زده می شود که در حال حاضر حدود 10 تا 15 درصد PCB ها از فرآیند اشباع نقره استفاده می کنند.
5. غوطه وری قلع
قلع نزدیک به یک دهه است که وارد فرآیند تصفیه سطح شده است و ظهور این فرآیند نتیجه الزامات اتوماسیون تولید است.غوطه ور شدن قلع هیچ عنصر جدیدی را به محل اتصال لحیم کاری وارد نمی کند، که به ویژه برای صفحه پشتی ارتباطی مناسب است.قلع قابلیت لحیم کاری را بیش از مدت زمان نگهداری تخته از دست می دهد، بنابراین شرایط نگهداری بهتر برای غوطه وری قلع مورد نیاز است.علاوه بر این، استفاده از فرآیند غوطه وری قلع به دلیل وجود مواد سرطان زا محدود شده است.تخمین زده می شود که در حال حاضر حدود 5 تا 10 درصد PCB ها از فرآیند غوطه وری قلع استفاده می کنند.V نتیجه گیری با توجه به نیازهای بیشتر و بالاتر مشتریان، الزامات زیست محیطی سخت گیرانه و فرآیندهای تصفیه سطحی بیشتر و بیشتر، به نظر می رسد انتخاب فرآیند تصفیه سطحی با چشم انداز توسعه و تطبیق پذیری بیشتر کمی گیج کننده و گیج کننده است.نمی توان دقیقاً پیش بینی کرد که فناوری تصفیه سطح PCB در آینده به کجا خواهد رفت.در هر صورت باید ابتدا نیازهای مشتری و حفاظت از محیط زیست انجام شود!