焊盤是連接PCB板上所有元器件的橋梁,是電路板上不可或缺的一部分。在高速PCB多層板中,當信號從一層互連傳輸到另一層互連時,它們需要通過過孔連接。這時,便有了通孔焊盤的使用。而隨著PCB行業的迅速發展,PCB板通孔焊盤在各個領域中都有著重大的作用,其中包括3C電子、汽車電子、智能家居、安防電子等等。為了迎合這樣的市場需求,在焊接工藝技術當中,可以說是不斷提升著技術,焊接方式也更多樣化,其中PCB通孔元件的激光錫焊技術革新,給PCB制造商的高效生產帶來了便利。
規范產品的PCB焊盤設計工藝,規定PCB焊盤設計工藝的相關參數,使得PCB的設計滿足可生產性、可測試性、安規、EMC、EMI等的技術規范要求,在產品設計過程中構建產品的工藝、技術、質量、成本優勢。PCB板通孔焊盤的外層形狀通常為圓形、方形或橢圓形。
1.實物管腳為圓形:孔徑尺寸(直徑)=實際管腳直徑+0.20∽0.30mm(8.0∽12.0MIL)左右。
2.實物管腳為方形或矩形:孔徑尺寸(直徑)=實際管腳對角線的尺寸+0.10∽0.20mm(4.0∽8.0MIL)左右。
3.常規焊盤尺寸=孔徑尺寸(直徑)+0.50mm(20.0 MIL)左右。
PCB線路板通孔元件激光錫焊的優點是其可以精確控制和優化焊接所需要的能量。通過點涂錫膏,然后再進行焊接。焊接過程則分為兩步:首先錫膏需要被加熱,且焊點也被預熱。之后焊接所用的錫膏被完全熔融,焊錫完全潤濕焊盤,而后形成圓潤飽滿、無拉尖不平的焊點。使用激光發生器和光學聚焦組件焊接,能量密度大,熱傳遞效率高,非接觸式焊接,焊料可為錫膏或錫線,特別適合焊接狹小空間內焊點或小焊點,功率小,節約能源,PCB板通孔元件的透錫率可達100%,這是傳統焊錫工藝很難達到的優勢。
連續自動激光焊錫機實現了精淮焊接,降低了對PCB電路板通孔電子元件的損傷,提高了焊接質量。激光光束可實現不同光斑形狀,能進行光斑整形同時加工,滿足通孔焊盤形狀為圓形、方形或橢圓形焊接等多種高要求焊接效果,實現精密高效焊接。激光焊接通孔焊盤的技術優勢:
1.激光焊錫設備采用多軸伺服馬達板卡控制+CCD視覺,運動定位精度高。
2.激光光斑小,焊盤,間距小器件焊接有優勢。
3.非接觸式焊接,無機械應力、靜電風險。
4.無錫渣、助焊劑浪費,焊接過程不會引起炸錫、連錫等不良現象,生產成本低。
5.可焊接產品類型豐富,通孔插針件焊接透錫率高。
6.激光焊錫工藝焊料選擇多(錫膏,錫絲,錫球等)。
暴露在空氣中的金屬都會被氧化。為了防止PCB銅焊盤被氧化,焊盤表面都要進行涂(鍍)保護層處理。PCB焊盤表面處理的材料、工藝、質量直接影響焊接工藝和焊接質量。另外,不同的電子產品、不同工藝、不同焊接材料,對PCB焊盤表面處理的選擇也是有區別的。下面就讓我們來認識一下PCB焊盤涂層的4種常見方式對激光焊錫的影響。
化學沉金
鍍層特點鍍鎳金(化學沉鎳、金)工藝是在PCB涂敷阻焊層(綠油)之后進行的。對鍍鎳金工藝的基本要求是可焊性和焊點的可靠性。化學鍍鎳層厚度為3~5μm,化學鍍薄金層(又稱浸金、置換金),厚度為0.025~0.1μm。化學鍍厚金層(又稱還原金),厚度為0.3~1μm,一般在0.5μm左右。化學鍍鎳的含P量,對鍍層可焊性和耐腐蝕性是至關重要的。一般以含P 7%~9%為宜(中磷)。含P量太低,鍍層耐腐蝕性差,易氧化。而且在腐蝕環境中由于Ni/Au的腐蝕原電池作用,會對Ni/Au的鎳表面層產生腐蝕,生成鎳的黑膜(NixOy),這對可焊性和焊點的可靠性都是極為不利的。P含量高,鍍層抗腐蝕性提高,可焊性也可以改善。
1.成本相對比較高。
2.黑盤問題很難根除,虛焊缺陷率往往居高不下。
3.化學沉金表面的二級互連可靠性比OSP、沉銀、沉錫及無鉛噴錫等涂敷層的可靠性都要差。
4.由于化學沉金用的是Ni和5%~12%的P一起鍍上去的,因此,當PCBA工作頻率超過5GHz,趨膚效應很明顯時,信號傳輸中由于Ni-P復合鍍層的導電性比銅差,所以信號的傳輸速度變慢。
5.焊接中Au溶入釬料后與Sn形成的AuSn4金屬間化合物碎片,導致高頻阻抗不能“復零”。
6.存在“金脆”是降低焊點可靠性的隱患。一般情況下,焊接時間很短,只在幾秒內完成,所以Au不能在焊料中均勻地擴散,這樣就會在局部形成高濃度層,這層的強度最低。
沉銀鍍層
鍍層特點銀在常溫下具有最好的導熱性、導電性和焊接性,有極強的反光能力,高頻損耗小,表面傳導能力高。然而,銀對S的親和力極高,大氣中微量的S(H2S、SO2或其他硫化物)都會使其變色,生成Ag2S、Ag2O而喪失可焊性。Ag的另一個不足是Ag離子很容易在潮濕環境中沿著絕緣材料表面及體積方向遷移,使材料的絕緣性能劣化甚至短路。Ag沉積在基材銅上厚0.075~0.225μm,表面平滑,可引線鍵合。
1.與Au或Pd相比其成本相對便宜。
2.有良好的引線鍵合性,先天具有與Sn基釬料合金的優良可焊性。
3.在Ag和Sn之間形成的金屬間化合物(Ag3Sn)并沒有明顯的易碎性。
4.在射頻(RF)電路中由于趨膚效應,Ag的高電導率特性正好發揮出來。
5.與空氣中的S、Cl、O接觸時,在表面分別生成AgS、AgCl、Ag2O,使其表面會失去光澤而發暗,影響外觀和可焊性。
沉錫鍍層
鍍層特點沉錫是近年來無鉛化過程中受重視的可焊性鍍層。浸Sn化學反應(用硫酸亞錫或氯化亞錫)所獲得的Sn層厚度在0.1~1.5μm之間(經多次焊接至少浸Sn厚度應為1.5μm)。該厚度與鍍液中的亞錫離子濃度、溫度及鍍層疏孔度等有關。由于Sn具有較高的接觸電阻,在接觸探測測試方面,不像浸銀的那樣好。常規沉錫工藝,鍍層呈灰色,由于表面呈蜂窩狀排列,以致疏孔較多,容易滲透導致老化程度加快。
1.成本比化學沉金及沉銀、OSP低。
2.存在錫晶須問題,對精細間距與長使用壽命器件影響較大,但對PCB線路板的影響不大。
3.存在錫瘟現象,Sn相變點為13.2℃,低于這個溫度時變成粉末狀的灰色錫(α錫),使強度喪失。
4.Sn鍍層在溫度環境下會加速與銅層的擴散運動而導致SnCu金屬間化合物(IMC)的生長。
5.新板的潤濕性好,但存儲一段時間后,或多次再流后潤濕性下降快,因此后端應用工藝性較差。
OSP涂層
涂層特點OSP是20世紀90年代出現的Cu表面有機助焊保護膜(簡稱OSP)。某些環氮化合物,如含有苯駢三氮唑(BTA)、咪唑、烷基咪唑、苯駢咪唑等的水溶液很容易和清潔的銅表面起反應,這些化合物中的氮雜環與Cu表面形成絡合物,這層保護膜防止了Cu表面被氧化。
1.成本較低,工藝較簡單。
2.當焊接加熱時,銅的絡合物很快分解,只留下裸銅,因為OSP只是一個分子層,而且焊接時會被稀酸或助焊劑分解,所以不會有殘留物污染問題。
3.對有鉛焊接或無鉛焊接均能較好地兼容。
4.OSP保護涂層與助焊劑RMA(中等活性)兼容,但與較低活性的松香基免清洗助焊劑不兼容。
5.OSP的厚度(目前較多采用0.2~0.4μm)對所選用的助焊劑的匹配性要求較高,不同的厚度對助焊劑的匹配性要求也不同。
6.儲存環境條件要求高,車間壽命短,若生產管理不能配合,就不能選用。
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