Výber správnej povrchovej úpravy pre finálnu zostavu dosky s plošnými spojmi PCBA môže byť pomerne zložitý. Povrchová úprava je totižto viac než len ochranná vrstva nakoľko sa priamo spolupodieľa na aspektoch ako výkon a životnosť dosky plošného spoja. Chráni nielen medené spoje pred ich oxidáciou, ale je aj nápomocná pri spájkovaní komponentov a môže ovplyvniť elektrický výkon zostavenej dosky plošných spojov.

Hot Air Solder Leveling (HASL), alebo Horkovzdušné spájkovanie je už roky jednou z najbežnejšie používaných povrchových úprav dosiek plošných spojov. Táto nákladovo pomerne efektívna a vysoko spájkovateľná povrchová úprava sa tak stala časom pilierom elektrotechnického priemyslu. HASL však má aj svoje obmedzenia, najmä pokiaľ ide o rovinnosť a kompatibilitu s určitými vysokofrekvenčnými aplikáciami. To viedlo priemysel k hľadaniu alternatív, ktoré by mohli tieto problémy prekonať.

Spomedzi mnohých alternatív, ktoré sa časom objavili, sa používa aj ďalšia metóda, Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) - Elektrolýzne niklové ponorené pozlacovanie, ktoré poskytujú vynikajúcu rovinnosť. Voľba medzi HASL a ENIG však nie je vždy čiernobiela; nakoľko často predstavuje dilemu vzhľadom na jedinečné výhody ale aj nevýhody každej povrchovej úpravy.

Ako sa líšia HASL a ENIG?

HASL a ENIG sa líšia v spôsoboch povrchovej úpravy dosiek plošných spojov. Aplikácia HASL spočíva v ponorení dosky plošného spoja do roztavenej spájky a na následné dohladenie povrchu sa používa teplovzdušné spájkovanie horúcim vzduchom, čo môže niekedy viesť k nerovnomernému povlaku. Naproti tomu ENIG však na dosku plošných spojov nanáša bezprúdovo niklovú vrstvu a potom ponorením finálnu zlatú vrstvu, ktorá ponúka lepšiu rovinnosť povrchu a odolnosť voči oxidácii, najmä pre zložité komponenty. Zatiaľ čo metóda ENIG môže byť nákladnejšou alternatívou, jej výhody často spôsobujú, že sa oplatí investovať čosi navyše.

V tomto článku sa preto pozrieme výhody a nevýhody základných povrchových úprav HASL a ENIG a veríme, že vám poskytneme cenné informácie, ktoré vám pomôžu pri výbere najlepšej povrchovej úpravy pre vaše PCBA.

HASL: Prehľad, výhody a obmedzenia

Hot Air Solder Leveling (HASL) - Horkovzdušné spájkovanie je tradičná metóda používaná na ochranu medených spojov na doske plošných spojov pred ich oxidáciou. V procese HASL sa PCB ponorí do kúpeľa roztavenej spájky. Potom sa doska zarovná teplovzdušným ohrevom, ktorý jednak odstráni z povrchu dosky prebytočnú spájku a zároveň vytvorí povrch vhodný na ďalšie spájkovanie elektronických komponentov.

HASL má primárne dva typy založené na zložení roztavenej spájky použitej v procese:

• HASL na báze olova: Toto je tradičný variant HASL, ktorý používa zliatinu cínu a olova (Sn/Pb). Keď sa predpisy týkajúce sa používania olova sprísnili, priemyselné odvetvia boli motivované hľadať alternatívy. Avšak sú tu výnimky kde sa aj naďalej vyžíva HASL na báze olova - medicínske aplikácie, letectvo, armáda, vesmír.
• Bezolovnatý HASL: Tiež známy ako LF-HASL, tento variant sa objavil ako reakcia na environmentálne problémy HASL na báze olova. Najbežnejšie používanou zliatinou v bezolovnatej HASL je cín/meď (Sn/Cu), hoci existujú aj iné varianty ako cín/meď/striebro (Sn/Cu/Ag) a cín/meď/nikel (Sn/Cu/Ni ).

Výhody HASL

• Spájkovateľnosť: HASL zaisťuje vynikajúcu spájkovateľnosť. Vďaka tomu je dobrou voľbou pre ručné a aj spájkovanie vlnou.
• Nákladová efektívnosť: HASL je vo všeobecnosti lacnejší ako iné povrchové úpravy, čo z neho robí atraktívnu možnosť pre projekty s obmedzeným rozpočtom.
• Trvanlivosť: Výsledkom je  odolný povrch s dobrou skladovateľnosťou, vhodný pre celý rad všeobecných aplikácií.

Obmedzenia HASL

• Problémy rovinnosti: HASL môže vykazovať nedostatok rovnomernosti a rovinnosti na povrchu v dôsledku procesu nerovnomerného chladnutia. To môže spôsobiť problémy pre komponenty s jemným rozstupom alebo pre aplikácie s vysokou hustotou osadených komponentov.
• Možnosti olova/bez olova: Tradičný HASL používa olovo, čo vyvoláva obavy o životné prostredie. Aj keď existujú možnosti HASL bez olova, môžu byť drahšie a predstavovať rôzne problémy, ako napríklad vyššie teploty tavenia, ktoré môžu ovplyvniť tepelný manažment na PCB.
• Kompatibilita: HASL nie je najlepšou voľbou pre určité špecifické aplikácie, ako sú napríklad vysokofrekvenčné RF aplikácie kvôli možným problémom s integritou signálu.

ENIG: Prehľad, výhody a obmedzenia

Povrchová úprava Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) - Elektrolýzne niklové ponorné pozlacovanie je vo svojej podstate dvojvrstvový kovový povlak. Prvá aplikovaná vrstva je zliatina niklu a fosforu, ktorá je nanesená bezprúdovým (autokatalytickým) procesom nanášania a je nosičom pre druhú vrstvu. Druhá vrstva - finálna, je tenká zlatá vrstva, ktorá sa nanáša ponorením PCB.

ENIG pokovovanie poskytuje výrazne mäkší povrch v porovnaní s tvrdým pozlátením. Obsahuje veľkosti zŕn, ktoré sú asi 60-krát väčšie. Ponúka tvrdosť v rozmedzí 20 až 100 HK25. Pre prítlačnú silu až 35 gramov ENIG pokovovanie dobre obstojí. Ale zvyčajne to nevydrží toľko cyklov ako tvrdé pokovovanie.

Dobrá odolnosť zlata voči oxidácii a korózii chráni podkladovú vrstvu na báze niklu, vďaka čomu je ideálne na dlhé skladovacie obdobia, aj keď sa PCB nepoužije ihneď po výrobe. Elektrochemické vlastnosti zlata presahujú rámec bežnej ochrany dosky plošného spoja, nakoľko zlato je aj vynikajúcim elektrickým vodičom čo efektívne znižuje celkový prechodový odpor povrchu na doske plošného spoja, čo je samozrejme kľúčovou vlastnosťou pre vysokovýkonné alebo citlivé elektronické zariadenia.

Navyše ENIG neobsahuje olovo, vďaka čomu je v súlade s predpismi RoHS, aby sa minimalizovali nebezpečné látky v elektronike. Keďže trend sa prikláňa k materiálom šetrným k životnému prostrediu, ENIG získal trakciu a stal sa hlavnou voľbou pre povrchovú úpravu PCB.

Výhody ENIG

• Ploché povrchy: ENIG poskytuje výnimočne plochý povrch, ktorý je vynikajúci pre dosky plošných spojov s komponentmi s jemným rozstupom a púzdrami čipovej stupnice (CSP).
• Vysoká spoľahlivosť: Ponúka spoľahlivú rovinnosť povrchu pre IC substráty a vynikajúci povrch pre napríklad lepenie hliníkových drôtov.
• Vyhovuje RoHS: Proces ENIG je bezolovnatý, vďaka čomu je vhodný pre aplikácie vyhovujúce RoHS.

Obmedzenia ENIG

Tradičný HASL používa olovo.

• Náklady: ENIG je drahší ako HASL, čo nemusí byť vhodné pre projekty s obmedzeným rozpočtom.
• Black Pad Syndrom: ENIG niekedy trpí problémom známym ako Black Pad Syndrome, problém elektrochemickej migrácie, ktorý spôsobuje nespoľahlivé prepojenia.
• Nie je ideálny na prepracovanie: Nemusí byť vhodný na prepracovanie kvôli potenciálu niklovej vrstvy korodovať pri intenzívnom pôsobení tepla.

Vplyv na integritu signálu, tepelné riadenie a spoľahlivosť

• Integrita signálu: Vďaka svojej plochej a hladkej povrchovej úprave je ENIG zvyčajne uprednostňovaný pre vysokofrekvenčné aplikácie, kde je integrita signálu hlavným problémom. Nepravidelný povrch HASL môže spôsobiť variácie impedancie.
• Tepelný manažment: Vďaka vynikajúcej tepelnej odolnosti HASL je ideálny pre aplikácie s viacerými procesmi pretavenia. Tepelný výkon ENIG je však dostatočný aj pre väčšinu bežných aplikácií.
• Spoľahlivosť: Obe povrchové úpravy sú spoľahlivé, ale každá má aj svoje slabé stránky. Nerovné povrchy HASL môžu napríklad spôsobiť problémy s menšími komponentmi, zatiaľ čo Black Pad Syndrome pri  ENIG môže viesť k nespoľahlivým prepojeniam.

Záver

Finálne rozhodnutie medzi HASL a ENIG závisí od konkrétnych potrieb vášho projektu. Cenová dostupnosť a vysoký tepelný odpor HASL sú výhodné pre projekty s obmedzeným rozpočtom alebo tie, ktoré si vyžadujú viaceré procesy dodatočného pretavenia. Naopak, plochý povrch ENIG v kombinácii s dodržiavaním RoHS je vhodný pre vysokofrekvenčné aplikácie, komponenty s jemným rozstupom a ekologické produkty.