Với sự cải thiện liên tục các yêu cầu của con người đối với môi trường sống, các vấn đề môi trường liên quan đến quá trình sản xuất PCB đặc biệt nổi bật.Hiện nay, chì và brom là chủ đề nóng nhất;Không chứa chì và không chứa halogen sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển của PCB theo nhiều khía cạnh.Mặc dù hiện tại, những thay đổi trong quá trình xử lý bề mặt của PCB là không lớn, điều này dường như là một điều xa vời, cần lưu ý rằng những thay đổi chậm trong thời gian dài sẽ dẫn đến những thay đổi lớn.Với những lời kêu gọi ngày càng tăng về bảo vệ môi trường, quy trình xử lý bề mặt PCB chắc chắn sẽ thay đổi đáng kể trong tương lai.
Mục đích của xử lý bề mặt
Mục đích cơ bản nhất của xử lý bề mặt là đảm bảo tính hàn hoặc hiệu suất điện tốt.Vì đồng trong tự nhiên có xu hướng tồn tại ở dạng oxit trong không khí, nên nó không có khả năng giữ nguyên như đồng ban đầu trong một thời gian dài, vì vậy nó cần được xử lý theo những cách khác.Mặc dù trong quá trình lắp ráp sau đó, thông lượng mạnh có thể được sử dụng để loại bỏ hầu hết các ôxít đồng, bản thân thông lượng mạnh không dễ loại bỏ, vì vậy ngành công nghiệp nói chung không sử dụng thông lượng mạnh.
Quy trình xử lý bề mặt thông thường
Hiện nay, có rất nhiều quy trình xử lý bề mặt PCB, các quy trình phổ biến là san lấp mặt bằng không khí nóng, phủ hữu cơ, mạ niken không điện / nhúng vàng, nhúng bạc và nhúng thiếc sẽ được giới thiệu lần lượt dưới đây.
1. San lấp mặt bằng khí nóng
San lấp mặt bằng khí nóng, còn được gọi là san lấp mặt bằng khí nóng, là một quá trình phủ chất hàn chì thiếc nóng chảy lên bề mặt PCB và làm phẳng (thổi) nó bằng khí nén được làm nóng để tạo thành một lớp phủ có khả năng chống oxy hóa đồng và cung cấp khả năng hàn tốt .Sau khi điều chỉnh bằng không khí nóng, chất hàn và đồng tạo thành hợp chất liên kim loại đồng thiếc tại chỗ nối.Độ dày của lớp hàn bảo vệ bề mặt đồng khoảng 1-2 mil.PCB phải được ngâm trong chất hàn nóng chảy trong quá trình san lấp mặt bằng không khí nóng;Dao khí thổi ra chất hàn lỏng trước khi chất hàn đông đặc lại;Dao gió có thể giảm thiểu độ khum của chất hàn trên bề mặt đồng và ngăn cản sự kết cầu của mối hàn.San lấp mặt bằng không khí nóng được chia thành loại thẳng đứng và loại nằm ngang.Nói chung, loại nằm ngang tốt hơn, chủ yếu là do lớp phủ cân bằng không khí nóng theo phương ngang đồng đều hơn và có thể thực hiện sản xuất tự động.Quy trình chung của quá trình san lấp mặt bằng khí nóng là: Ăn mòn vi mô → gia nhiệt sơ bộ → phủ chất trợ dung → phun thiếc → làm sạch.
2. Lớp phủ hữu cơ
Quy trình phủ hữu cơ khác với các quy trình xử lý bề mặt khác ở chỗ nó hoạt động như một lớp ngăn cách giữa đồng và không khí;Quy trình phủ hữu cơ đơn giản và chi phí thấp nên nó được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp.Các phân tử lớp phủ hữu cơ ban đầu là imidazole và benzotriazole, có vai trò chống gỉ.Phân tử mới nhất chủ yếu là benzimidazole, là đồng liên kết hóa học giữa nhóm chức nitơ với PCB.Trong quá trình hàn tiếp theo, nếu trên bề mặt đồng chỉ có một lớp phủ hữu cơ thì phải thực hiện nhiều lớp.Đây là lý do tại sao đồng lỏng thường được thêm vào bể chứa hóa chất.Sau khi phủ lớp đầu tiên, lớp phủ sẽ hấp phụ đồng;Sau đó, các phân tử lớp phủ hữu cơ của lớp thứ hai được kết hợp với đồng cho đến khi 20 hoặc thậm chí hàng trăm phân tử lớp phủ hữu cơ tập trung trên bề mặt đồng, điều này có thể đảm bảo hàn nhiều lần.Thử nghiệm cho thấy quy trình phủ hữu cơ mới nhất có thể duy trì hiệu suất tốt trong nhiều quy trình hàn không chì.Quy trình chung của quy trình phủ hữu cơ là tẩy dầu mỡ → ăn mòn vi mô → tẩy rửa → làm sạch nước tinh khiết → phủ hữu cơ → làm sạch, và việc kiểm soát quy trình dễ dàng hơn so với các quy trình xử lý bề mặt khác.
3. Mạ niken không điện / ngâm vàng: quá trình mạ niken / ngâm vàng không điện
Không giống như lớp phủ hữu cơ, mạ niken không điện / ngâm vàng dường như đặt lớp giáp dày lên PCB;Ngoài ra, quá trình mạ niken / ngâm vàng không điện không giống như lớp phủ hữu cơ như lớp rào cản chống gỉ, có thể hữu ích trong việc sử dụng lâu dài PCB và đạt được hiệu suất điện tốt.Vì vậy, mạ niken điện / ngâm vàng là bọc một lớp dày hợp kim vàng niken có tính chất dẫn điện tốt lên bề mặt đồng, có thể bảo vệ PCB trong thời gian dài;Ngoài ra, nó còn có khả năng chống chịu với môi trường mà các quy trình xử lý bề mặt khác không có được.Lý do để mạ niken là vàng và đồng sẽ khuếch tán lẫn nhau, và lớp niken có thể ngăn cản sự khuếch tán giữa vàng và đồng;Nếu không có lớp niken, vàng sẽ khuếch tán vào đồng trong vài giờ.Một ưu điểm khác của mạ niken không điện / ngâm vàng là độ bền của niken.Chỉ niken có độ dày 5 micron mới có thể hạn chế sự giãn nở theo phương Z ở nhiệt độ cao.Ngoài ra, mạ niken không điện / ngâm vàng cũng có thể ngăn chặn sự hòa tan của đồng, có lợi cho việc lắp ráp không chứa chì.Quy trình chung của quá trình mạ niken / vàng không điện là: làm sạch bằng axit → ăn mòn vi mô → pha chế → kích hoạt → mạ niken không điện → rửa vàng hóa học.Chủ yếu có 6 bể chứa hóa chất, liên quan đến gần 100 loại hóa chất nên việc kiểm soát quy trình tương đối khó khăn.
4. Quy trình ngâm bạc ngâm bạc
Giữa lớp phủ hữu cơ và ngâm niken / vàng không điện, quá trình này tương đối đơn giản và nhanh chóng;Nó không phức tạp như mạ niken không điện / ngâm vàng, cũng không phải là một lớp giáp dày cho PCB, nhưng nó vẫn có thể cung cấp hiệu suất điện tốt.Bạc là em trai của vàng.Ngay cả khi tiếp xúc với nhiệt, độ ẩm và ô nhiễm, bạc vẫn có thể duy trì khả năng hàn tốt, nhưng nó sẽ mất đi độ sáng bóng.Ngâm bạc không có độ bền vật lý tốt bằng mạ niken không điện / ngâm vàng vì không có niken dưới lớp bạc.Ngoài ra, bạc ngâm tẩm có đặc tính bảo quản tốt, và sẽ không có vấn đề gì lớn khi nó được đưa vào lắp ráp trong một vài năm sau khi ngâm tẩm bạc.Nhúng bạc là phản ứng chuyển vị gần như tráng bạc nguyên chất submicron.Đôi khi, một số chất hữu cơ được đưa vào quá trình ngâm bạc, chủ yếu để ngăn chặn sự ăn mòn của bạc và loại bỏ sự di chuyển của bạc;Nhìn chung rất khó để đo lớp chất hữu cơ mỏng này, và phân tích cho thấy trọng lượng của sinh vật nhỏ hơn 1%.
5. Thiếc ngâm
Vì tất cả các vật hàn đều dựa trên thiếc, nên lớp thiếc có thể phù hợp với bất kỳ loại vật liệu hàn nào.Từ quan điểm này, quá trình nhúng thiếc có triển vọng phát triển lớn.Tuy nhiên, trước đây, PCB xuất hiện râu thiếc sau quá trình nhúng thiếc, và sự di chuyển của râu thiếc và thiếc trong quá trình hàn sẽ gây ra các vấn đề về độ tin cậy, do đó việc sử dụng quá trình nhúng thiếc bị hạn chế.Sau đó, các chất phụ gia hữu cơ được thêm vào dung dịch ngâm thiếc, có thể làm cho cấu trúc lớp thiếc có cấu trúc dạng hạt, khắc phục các vấn đề trước đó, đồng thời có tính ổn định nhiệt và tính hàn tốt.Quá trình nhúng thiếc có thể tạo thành một hợp chất đồng kim loại đồng thiếc, làm cho quá trình nhúng thiếc có cùng khả năng hàn tốt như san lấp mặt bằng bằng khí nóng mà không phải đau đầu về độ phẳng do san bằng không khí nóng;Việc ngâm thiếc cũng không có vấn đề gì về sự khuếch tán giữa các kim loại mạ niken / vàng không có điện - các hợp chất liên kim loại thiếc đồng có thể được kết hợp một cách chắc chắn.Không được bảo quản đĩa ngâm thiếc quá lâu, và việc lắp ráp phải được thực hiện theo trình tự ngâm thiếc.
6. Các quy trình xử lý bề mặt khác
Các quy trình xử lý bề mặt khác ít được áp dụng hơn.Chúng ta hãy xem xét các quy trình mạ vàng niken và mạ palladium không điện được áp dụng tương đối nhiều hơn.Mạ vàng niken là khởi nguồn của công nghệ xử lý bề mặt PCB.Nó đã xuất hiện kể từ khi PCB xuất hiện, và dần dần phát triển thành các phương pháp khác kể từ đó.Đó là mạ một lớp niken trên bề mặt dây dẫn PCB trước rồi mới đến một lớp vàng.Mạ niken chủ yếu là để ngăn chặn sự khuếch tán giữa vàng và đồng.Có hai loại mạ vàng niken: mạ vàng mềm (vàng nguyên chất, bề mặt vàng trông không sáng) và mạ vàng cứng (bề mặt nhẵn và cứng, chống mài mòn, chứa coban và các nguyên tố khác, và bề mặt vàng trông sáng sủa).Vàng mềm chủ yếu được sử dụng để làm dây vàng trong quá trình đóng gói chip;Vàng cứng chủ yếu được sử dụng để kết nối điện tại những nơi không hàn.Xem xét chi phí, ngành công nghiệp thường thực hiện mạ chọn lọc bằng cách truyền hình ảnh để giảm việc sử dụng vàng.
Hiện nay, việc sử dụng mạ vàng có chọn lọc trong ngành công nghiệp tiếp tục gia tăng, mà nguyên nhân chủ yếu là do việc kiểm soát quá trình mạ niken / rửa vàng không điện gặp khó khăn.Trong trường hợp bình thường, việc hàn sẽ làm vàng mạ bị lõm xuống, làm giảm tuổi thọ, vì vậy cần tránh hàn trên lớp vàng mạ;Tuy nhiên, vì vàng trong mạ niken không điện / ngâm vàng rất mỏng và nhất quán, nên hiếm khi xảy ra hiện tượng dập.Quá trình mạ palladium không điện tương tự như quá trình mạ niken không điện.Quá trình chính là khử các ion palađi thành palađi trên bề mặt xúc tác thông qua chất khử (như natri dihydrogen hypophosphite).Paladi mới được tạo ra có thể trở thành chất xúc tác để thúc đẩy phản ứng, nhờ đó có thể thu được bất kỳ độ dày nào của lớp phủ palađi.Ưu điểm của mạ palladium không điện là độ tin cậy hàn tốt, ổn định nhiệt và độ phẳng bề mặt.
bốn
Lựa chọn quy trình xử lý bề mặt
Việc lựa chọn quy trình xử lý bề mặt chủ yếu phụ thuộc vào loại cấu kiện được lắp ráp cuối cùng;Quá trình xử lý bề mặt sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản xuất, lắp ráp và sử dụng cuối cùng của PCB.Sau đây sẽ giới thiệu cụ thể các thời điểm sử dụng của năm quy trình xử lý bề mặt phổ biến.
1. San lấp mặt bằng khí nóng
Việc san lấp mặt bằng không khí nóng từng đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong quá trình xử lý bề mặt PCB.Trong những năm 1980, hơn 3/4 PCB sử dụng công nghệ san lấp bằng khí nóng, nhưng ngành công nghiệp này đã giảm việc sử dụng công nghệ san bằng không khí nóng trong thập kỷ qua.Người ta ước tính rằng khoảng 25% - 40% PCB hiện nay sử dụng công nghệ san lấp mặt bằng bằng khí nóng.Quá trình san lấp mặt bằng không khí nóng là bẩn, có mùi và nguy hiểm, vì vậy nó chưa bao giờ là một quá trình được yêu thích.Tuy nhiên, cân bằng không khí nóng là một quá trình tuyệt vời cho các thành phần lớn hơn và dây dẫn có khoảng cách lớn hơn.Trong PCB với mật độ cao, độ phẳng của khí nóng san bằng sẽ ảnh hưởng đến quá trình lắp ráp tiếp theo;Do đó, quá trình san lấp mặt bằng không khí nóng thường không được sử dụng cho bo mạch HDI.Với sự tiến bộ của công nghệ, quy trình san lấp mặt bằng khí nóng phù hợp để lắp ráp QFP và BGA với khoảng cách nhỏ hơn đã xuất hiện trong ngành công nghiệp, nhưng nó ít được áp dụng trong thực tế.Hiện nay, một số nhà máy sử dụng lớp phủ hữu cơ và quy trình nhúng niken / vàng không điện để thay thế quy trình san lấp mặt bằng bằng khí nóng;Công nghệ phát triển cũng khiến một số nhà máy áp dụng quy trình ngâm tẩm thiếc và bạc.Ngoài ra, xu hướng không chì trong những năm gần đây đã hạn chế hơn nữa việc sử dụng san lấp mặt bằng khí nóng.Mặc dù cái gọi là san lấp mặt bằng khí nóng không chứa chì đã xuất hiện, nó có thể liên quan đến tính tương thích của thiết bị.
2. Lớp phủ hữu cơ
Theo ước tính, hiện nay có khoảng 25% - 30% PCB sử dụng công nghệ phủ hữu cơ và tỷ lệ này đang tăng lên (nhiều khả năng lớp phủ hữu cơ hiện đã vượt qua cấp khí nóng ngay từ đầu).Quy trình phủ hữu cơ có thể được sử dụng trên PCB công nghệ thấp và PCB công nghệ cao, chẳng hạn như PCB trên TV một mặt và bảng đóng gói chip mật độ cao.Đối với BGA, lớp phủ hữu cơ cũng được sử dụng rộng rãi.Nếu PCB không có yêu cầu về chức năng đối với kết nối bề mặt hoặc thời gian lưu trữ, thì lớp phủ hữu cơ sẽ là quá trình xử lý bề mặt lý tưởng nhất.
3. Mạ niken không điện / ngâm vàng: quá trình mạ niken / ngâm vàng không điện
Không giống như lớp phủ hữu cơ, nó chủ yếu được sử dụng trên các bo mạch có yêu cầu chức năng kết nối và tuổi thọ lưu trữ lâu dài trên bề mặt, chẳng hạn như khu vực chính của điện thoại di động, khu vực kết nối cạnh của vỏ bộ định tuyến và khu vực tiếp xúc điện của kết nối đàn hồi của chip bộ vi xử lý.Do độ phẳng của san lấp mặt bằng bằng không khí nóng và loại bỏ các lớp phủ hữu cơ, mạ niken không điện / ngâm vàng đã được sử dụng rộng rãi trong những năm 1990;Sau đó, do sự xuất hiện của đĩa đen và hợp kim niken phốt pho giòn, việc áp dụng quá trình mạ niken / nhúng vàng không điện đã giảm xuống.Tuy nhiên, hiện nay, hầu hết các Nhà máy PCB công nghệ cao đều có dây chuyền mạ niken / mạ vàng không điện.Xét rằng mối nối hàn sẽ trở nên giòn khi loại bỏ hợp chất liên kim loại thiếc đồng, nhiều vấn đề sẽ xảy ra ở hợp chất liên kim loại thiếc niken tương đối giòn.Do đó, hầu hết tất cả các sản phẩm điện tử cầm tay (chẳng hạn như điện thoại di động) sử dụng mối hàn hợp chất kim loại đồng thiếc được tạo thành bằng lớp phủ hữu cơ, ngâm bạc hoặc ngâm thiếc, trong khi mạ niken / ngâm vàng không điện được sử dụng để tạo thành các khu vực chính, khu vực tiếp xúc và che chắn EMI khu vực.Theo ước tính, hiện nay, khoảng 10% - 20% PCB sử dụng quy trình mạ niken / nhúng vàng không điện.
4. Ngâm bạc
Nó rẻ hơn so với mạ niken không điện / ngâm vàng.Nếu PCB có các yêu cầu về chức năng kết nối và cần giảm chi phí, thì nhúng bạc là một lựa chọn tốt;Ngoài độ phẳng và độ tiếp xúc tốt khi ngâm bạc, cần lựa chọn quy trình ngâm bạc.Bạc ngâm được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm truyền thông, ô tô, thiết bị ngoại vi máy tính và cả trong thiết kế tín hiệu tốc độ cao.Việc ngâm tẩm bạc cũng có thể được sử dụng trong các tín hiệu tần số cao vì các đặc tính điện tuyệt vời của nó mà các phương pháp xử lý bề mặt khác chưa từng có.EMS khuyến nghị quy trình ngâm bạc vì nó dễ lắp ráp và có khả năng kiểm tra tốt.Tuy nhiên, do các khuyết tật như xỉn màu và lỗ hàn khi ngâm bạc, sự phát triển của nó chậm (nhưng không giảm).Ước tính hiện nay có khoảng 10% - 15% PCB sử dụng quy trình tẩm bạc.
5. Thiếc ngâm
Thiếc đã được đưa vào quy trình xử lý bề mặt trong gần một thập kỷ, và sự xuất hiện của quy trình này là kết quả của yêu cầu tự động hóa sản xuất.Việc ngâm thiếc không mang lại bất kỳ phần tử mới nào vào mối hàn, điều này đặc biệt phù hợp với bảng nối đa năng liên lạc.Thiếc sẽ mất tính hàn sau thời gian bảo quản của ván, vì vậy cần có điều kiện bảo quản tốt hơn để ngâm thiếc.Ngoài ra, việc sử dụng quá trình ngâm thiếc bị hạn chế do sự hiện diện của chất gây ung thư.Ước tính hiện nay có khoảng 5% - 10% PCB sử dụng quá trình nhúng thiếc.V Kết luận với yêu cầu ngày càng cao của khách hàng, yêu cầu về môi trường ngày càng khắt khe và quy trình xử lý bề mặt ngày càng nhiều thì có vẻ như việc lựa chọn quy trình xử lý bề mặt nào có triển vọng phát triển và tính đa dụng mạnh mẽ hơn là điều hơi băn khoăn và bối rối.Không thể dự đoán chính xác công nghệ xử lý bề mặt PCB sẽ đi về đâu trong tương lai.Trong mọi trường hợp, việc đáp ứng yêu cầu của khách hàng và bảo vệ môi trường phải được thực hiện đầu tiên!