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如何选择PCB的表面处理工艺？

2023.12.28

什么是PCB表面处理工艺？

PCB上没有阻焊层覆盖的铜表面，如元器件的焊盘、金手指、机械孔等。如果没有保护涂层，铜表面很容易被氧化，从而影响PCB可焊接区域的裸铜和元件之间的焊接。

如下图所示，表面处理位于PCB的最外层，位于铜层之上，起到铜表面“涂层”的作用。

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表面处理主要功能是保护裸露的铜表面不被氧化必发，从而在焊接时提供可焊表面进行焊接。

PCB表面处理工艺分类

PCB表面处理工艺分为以下几类：

热风焊料整平（HASL）
沉锡（浸锡) （ImSn）
化学镍金（沉金） (ENIG)
有机可焊性防腐剂 (OSP)
沉银（化学银） (ImAg)
化学镀镍化学镀钯浸金 (ENEPIG)
电镀镍金（电解金）Electrolytic Nickel/Gold

热风焊料整平（HASL）

热风焊料整平 Hot Air Solder Level (HASL)，俗称喷锡，分为无铅喷锡和有铅喷锡，是最常用也是价格相对便宜的表面处理工艺。

PCB的保存寿命可达12个月，工艺温度250℃，表面处理的厚度范围1-40um。

喷锡工艺，会将必发板浸入熔融焊料（锡/铅）中，让焊料覆盖PCB上裸露的铜表面。PCB离开熔化的焊料时，高压热空气通过气刀吹过表面，使焊料沉积平整并去除多余的焊料。

喷锡工艺的过程需要掌握：焊接温度、风刀风温、风刀压力、浸焊时间、提升速度等。保证PCB完全浸入熔化的焊料中，风刀可以在焊料凝固前将焊料吹起，风刀压力能够最大限度减少铜表面的弯月面并不会出现焊料桥接。

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沉锡（浸锡) （ImSn）

沉锡（浸锡）Immersion Tin (ImSn) 是一种通过化学置换反应沉积的金属饰面，直接施加在必发板的基础金属（即铜）上，能够满足小间距元器件对于PCB表面平整度的要求。

沉锡能保护底层铜在3-6个月的保质期内不被氧化，由于所有焊料都是锡基的，沉锡层可以匹配任何类型的焊料。在锡浸液中加入有机添加剂后，锡层结构呈颗粒状结构，克服了锡须和锡迁移带来的问题，同时还具有良好的热稳定性和可焊性。

沉锡工艺温度50℃，表面处理厚度在0.8-1.2um。特别适合通过压接进行连接的PCB，比如通信背板。

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化学镍金（沉金） (ENIG)

化学镍金（化学镀镍浸金）（沉金）Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG)，能够满足小间距器件（BGA和μBGA）对于表面平整度和无铅加工对PCB的要求。

ENIG由两层金属涂层组成，镍通过化学工艺沉积在铜表面，然后通过置换反应涂上金原子。镍的厚度为3~6μm，金的厚度为0.05~0.1μm。镍充当铜的屏障，是元器件实际焊接到的表面，金的作用是在储存过程中防止镍氧化，保质期能达到一年左右，而且可以保证出色的表面平整度。

沉金工艺在高密度板、常规硬板和软板上都有广泛的应用，可靠性高，支持使用铝线做引线键合。广泛应用于消费、通信/计算、航空航天和医疗等行业。

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有机可焊性防腐剂 (OSP)

有机可焊性防腐剂 organic solderability preservatives (OSP) ，是在暴露的铜上涂上一层非常薄的材料保护层，从而保护铜表面免受氧化。

有机膜具有抗氧化、抗热震、防潮等特性，可以保护铜表面在正常环境下不被氧化或硫化等。在后高温焊接环节，有机膜会很容易被助焊剂快速去除，使裸露的干净铜面立即与熔化的焊锡结合，在极短的时间内形成牢固的焊点。

OSP是一种水基有机化合物，可选择性地与铜结合，在焊接前保护铜面。与其他无铅表面处理工艺相比，非常环保，因为其他表面处理工艺会有毒性或能耗更高。

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沉银（化学银） (ImAg)

沉银（化学银）Immersion silver (ImAg)，是通过将 PCB浸入银离子槽中通过置换反应，直接给铜镀上一层纯银。银具有稳定的化学性质。经过浸银工艺加工的PCB即使暴露在热、潮湿和污染的环境中，即便表面会失去光泽，仍能保持良好的电气性和可焊性。

有时为以防止银与环境中的硫化物发生反应，沉银会与OSP涂层结合使用。对于大多数应用，沉银可以取代沉金。如果PCB中不希望引入磁性材料（镍）时，可以选择使用沉银。

沉银的表面厚度是0.12～0.40μm，保质期是6至12个月，沉银工艺对于加工过程中表面的清洁度敏感，需要保证整个生产过程不会带来沉银表面污染。沉银工艺适合需要EMI屏蔽的PCB，薄膜开关和铝线键合等应用。

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化学镀镍化学镀钯浸金 (ENEPIG)

化学镀镍化学镀钯浸金（ENEPIG）与ENIG相比，ENEPIG在镍和金之间多了一层钯，进一步保护镍层免受腐蚀，防止ENIG表面处理可能出现的黑垫，因而表面光洁度更有优势。镍的沉积厚度约为3~6μm，钯的厚度约为0.1~0.5μm，金的厚度为0.02~0.1μm。虽然金层厚度比ENIG薄，但价格更贵。

铜-镍-钯-金的层结构，可直接引线键合到镀层。最后一层金层非常�。苋恚鹊幕邓鹕嘶蛏疃然劭赡芑岜┞额俨�。

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电镀镍金（电解金）Electrolytic Nickel/Gold

电镀镍金分为“硬金”和“软金”。

硬金纯度较低（99.6%），常用于金手指（PCB边缘连接器）、PCB触点或其他硬磨损区域。金的厚度可以根据要求而变化。

软金更纯净（99.9%），通常用于引线键合。

硬电解金

硬金是一种含有钴、镍或铁络合物的金合金。镀金和铜之间使用低应力镍。硬金适合用于使用频繁且极有可能磨损的组件，例如：载板、金手指、按键PAD。

硬金表面处理的厚度会因应用而异，IPC 最大可焊厚度建议为17.8μin，IPC1类和2类应用建议25μin金和 100μin镍，IPC3类应用建议50μin金和100μin镍。

软电解金

主要用于需要引线键合与高可焊性要求的PCB，与硬金相比，软金焊接的接头更牢固。

软电解金表面处理

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如何选择PCB表面处理工艺？

PCB表面处理工艺会直接影响产量、返工数量、现场故障率、测试能力、废品率。为了最终产品的质量和性能，必须选择满足设计需求的表面处理工艺。在工程中可以从以下角度考虑：

焊盘平整度

焊盘平整度直接影响PCBA的焊接质量，尤其是板子上如果有比较大的BGA或者间距更小的μBGA时，需要焊盘表面的保护层薄而均匀时可以选择ENIG、ENEPIG 和OSP。

可焊性和润湿性

可焊性始终是PCB的是一个关键因素，在满足其他要求的前提下，优选选择可焊性高的表面处理工艺，从而保证回流焊的良率。

焊接次数

PCB要焊接或者返工多少次？OSP的表面处理工艺不适合两次以上的返工。这个时候也会选择复合的表面处理工艺，如沉金+OSP，目前智能手机等高端电子产品会选择这种处理工艺。

RoHS合规性

PCBA里的铅元素主要来源于元器件引脚、PCB焊盘和焊料。为了符合ROHS规定，PCB的表面处理方式也要符合ROHS规范。比如：沉金（ENIG）、沉锡、沉银和OSP等都复合ROHS规范。

金属键合

如果需要金线或铝线键合，可能仅限于ENIG、ENEPIG和软电解金。

焊点可靠性

PCB的表面处理工艺也会影响PCBA最终的焊接质量，如果需要高可靠的焊点，可以选择使用沉金或者镍钯金工艺。

文章引用来源：PCB Surface Finishes -sfcircuits.PCB Surface Finish Types and Comparison-Seeed.

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