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線路板的多種表面處理方式和它們對射頻性能的影響

      “化金和OSP哪種好？射頻線表面處理是用綠油覆蓋，還是開窗漏銅？”
      “開窗漏銅的話，表面處理使用化金還是鍍錫？”
      這個可能是很多EDA工程師和射頻、天線工程師們經(jīng)常會在糾結的一個問題。
      隨著人類對于居住環(huán)境要求的不斷提高，目前PCB生產(chǎn)過程中涉及到的環(huán)境問題顯得尤為突出。有關鉛和溴的話題是最熱門的，無鉛化和無鹵化將在很多方面影響著PCB的發(fā)展。
      雖然目前來看，PCB的表面處理工藝方面的變化并不是很大，好像還是比較遙遠的事情，但是應該注意到：長期的緩慢變化將會導致巨大的變化。在環(huán)保呼聲愈來愈高的情況下，PCB的表面處理工藝未來肯定會發(fā)生巨變。
      表面處理最基本的目的是保證良好的可焊性或電性能。由于自然界的銅在空氣中傾向于以氧化物的形式存在，不大可能長期保持為原銅，因此需要對銅進行其他處理。雖然在后續(xù)的組裝中，可以采用強助焊劑除去大多數(shù)銅的氧化物，但強助焊劑本身不易去除，因此業(yè)界一般不采用強助焊劑。
      線路板表面處理指在元器件和電氣連接點上人為地形成一層與基體機械、物理和化學性能不同的表層工藝方法，以保證線路板良好的可焊性或電氣性能。其目的是保證焊盤良好的可焊性和電氣性能。由于銅在空氣中傾向于以氧化物的形式存在，嚴重影響焊盤的可焊性和電氣性能，因此需要對焊盤進行表面處理。
      如下圖中，可以看到射頻信號線都是開窗漏銅的，而有的射頻線是綠油覆蓋的？哪那種處理方式是對的呢？帶著這個疑問，我們不妨先來了解下線路板常用的9種表面處理方式，然后一起看下表面處理方式對電路板中射頻性能的影響。 
 

      線路板表面處理方式一般有：熱風整平、OSP、沉金、沉銀、沉錫、化金、鍍金、裸銅和綠油。
      嚴格來說，裸銅和綠油不算是表面處理方式的種類，但后面要分析裸銅和覆蓋綠油與其他表面處理方式放在一起對比下對射頻性能影響，所以就把他們歸類到表面處理種類里去了。             
01有機防氧化膜（OSP）
      OSP是印刷電路板（PCB）銅箔表面處理的符合RoHS指令要求的一種工藝。OSP是Organic Solderability Preservatives的簡稱， 中譯為有機保焊膜，又稱護銅劑，英文亦稱之Preflux。簡單地說，OSP就是在潔凈的裸銅表面上，以化學的方法長出一層有機皮膜。如下圖所示，焊盤使用OSP的效果，OSP呈現(xiàn)出微紅色的效果，使焊盤呈現(xiàn)出紅色。

      這層膜具有防氧化，耐熱沖擊，耐濕性，用以保護銅表面于常態(tài)環(huán)境中不再繼續(xù)生銹 （氧化或硫化等）；但在后續(xù)的焊接高溫中，此種保護膜又必須很容易被助焊劑所迅速清除，如此方可使露出的干凈銅表面得以在極短的時間內與熔融焊錫立即結合 成為牢固的焊點。 
02熱風整平（ HASL）
      熱風整平又名熱風焊料整平（俗稱噴錫），英文全稱為Hot Air Solder Leveling，通常簡寫為HASL，它是在PCB表面涂覆熔融錫（鉛）焊料并用加熱壓縮空氣整（吹）平的工藝，使其形成一層既抗銅氧化，又可提供良好的可焊性的涂覆層。

03沉金（ENIG）
      沉金即化鎳沉金，也叫軟金、化學鎳金、化鎳金、沉鎳金或者無電鎳金，英文全稱為Electroless Nickel and Immersion Gold，簡稱ENIG。沉金是在銅面上包裹一層厚厚的、電性良好的鎳金合金，這可以長期保護PCB；

      另外沉金也具有其它表面處理工藝所不具備的對環(huán)境的忍耐性。此外沉金也可以阻止銅的溶解，這將有益于無鉛組裝，如下圖所示，沉金使焊盤表面顯示金黃色。

05沉錫（Immersion Tin）
      沉錫也叫浸錫，它是一種通過化學置換反應沉積的金屬層面，直接施加在電路板的基礎金屬銅上。它可以保護底層銅在其預期的保質期內不被氧化。由于所有焊料都是錫基的，錫層可以匹配任何類型的焊料。在錫浸液中加入有機添加劑后，錫層結構呈顆粒狀結構，克服了錫須和錫遷移帶來的問題，同時還具有良好的熱穩(wěn)定性和可焊性。
      沉錫工藝可以形成扁平的銅錫金屬間化合物，使浸錫具有良好的可焊性，沒有平整度問題和金屬間化合物擴散問題。沉錫板焊盤顏色和噴錫板相同，都是顯示出焊錫本身的灰白色。只不過沉錫板的錫層厚度非常薄，大約在0.8um-1.2um之間，浸錫表面處理可實現(xiàn)出色的平整度（適用于 SMT），適用于細間距較小的組件，沉錫具有中等成本的無鉛表面處理技術、優(yōu)良的電氣性能和長期可靠性，更適合于高性能、高可靠性要求的通信設備、醫(yī)療設備或需要長期穩(wěn)定運行的電子產(chǎn)品。 
06化金 (ENEPIG)
      化金也叫化學金、化學鍍鈀浸金，化金鍍層材料具有銅-鎳-鈀-金層結構，可直接引線鍵合到鍍層。最后一層金非常薄，就像 沉金中的情況一樣，金層很軟，因此過度的機械損傷或深度劃痕可能會暴露鈀層。
      與沉金相比，化金在鎳和金之間有一層額外的鈀層，進一步保護鎳層免受腐蝕，防止沉金飾面可能出現(xiàn)的黑墊。鎳 的沉積厚度約為3~6μm，鈀的厚度約為0.1~0.5μm，金的厚度為0.02~0.1μm。化金 表面處理由四個金屬層組成：

   

      化金和沉金工藝類似，焊盤的顏色都是金黃色，只不過化金比沉金的金層厚度更薄，焊盤的光潔度也更高，很多時候，我們可以把化金和沉金看成同樣的，因為化金不需要用到電，在臺灣公司也叫沉金或物理金，對EDA工程師來說，沒必要非得搞清兩者的關系和區(qū)別，認為化金和沉金都是一個東東就可以了。 
07鍍金（Gold Plating ）
      鍍金也叫硬金、電金或閃金，技術上稱為硬電解金，由鍍在鎳涂層上的一層金組成。通常用于邊緣連接器手指等高磨損區(qū)域。它在銅表面上的鎳層上使用薄金覆蓋。該工藝產(chǎn)生了非常耐用的金層，這使得硬鍍金在 PCB 行業(yè)中非常普遍。盡管金的存在使該過程變得昂貴，但它為焊接提供了完美的表面。鍍金的焊盤表面也是顯示金黃色，它的金層最厚，因此價格最高，目前一平米的價格在1200-1800元之間。
      因其價格高昂，所以在使用時會和沉金、化金進行混合使用，比如下圖中，板子金手指部分使用鍍金，但其他地方仍使用化金或沉金，這樣可以降低板子的鍍金成本。鍍金使用金作為鍍層，一是為了方便焊接，二是為了防腐蝕；即使是用了好幾年的內存條的金手指，依然是閃亮如新。

 

08裸銅（Bare Copper)

      裸銅就是沒有經(jīng)過任何表面處理的焊盤，它直接將銅箔本體表面暴漏在空氣中，顯示黃銅本身的黃色。裸銅的成本最低，而且表面平整，焊接性良好(在沒有被氧化的情況下)。

      裸銅容易受到酸及濕度影響，不能久放，拆封后需在2小時內用完，否則在空氣中容易被氧化;而且無法使用于雙面板，因為經(jīng)過第一次回流焊后，第二面就已經(jīng)氧化了。如果有測試點，必須加印錫膏以防止氧化，否則后續(xù)將無法與探針接觸良好。 
09綠油（Solder Mask)
      綠油即液態(tài)光致阻焊劑，是一種丙烯酸低聚物。作為一種保護層，涂覆在印制電路板不需焊接的線路和基材上，或用作阻焊劑。英文名稱為Soldermask,它的顏色有綠色、黑色、白色、紅色、藍色等好多種，因為綠色是市場最便宜，也是最容易買到的，更是我們最常見到的，故被稱之為“綠油”。
      以上就是線路板中常見到的幾種表面處理方式，最常用就沉金、熱風整平和OSP，這3者的使用場景不同。
      1）從焊接牢固性來講，OSP的焊接強度最好，但這也是一把雙刃劍，焊接太牢固了，后續(xù)維修拆卸起來麻煩，容易撕裂焊盤，尤其是BGA類，所以，試產(chǎn)或感覺后續(xù)維修的可能大，就不要采用OSP方式；
      2）從成本來看，熱風整平的價格最低，沉金的價格最高；
      3）從保存時間來看，拆封后OSP表面過處理的板子經(jīng)歷3個月后，焊盤基本就會被氧化，沉金的時間最長，基本可以保持一年不被氧化。
      很多板子都采用混合的表面處理方式，比如壓接類焊盤，采用沉金工藝，焊接類的焊盤采用OSP，BGA類的要求焊接效果，必須要采用OSP的等等。因此，EDA工程師在出制板文件的時候，就需要把OSP和沉金不同工藝的焊盤分開，Soldermask文件要按OSP和沉金出兩個文件。

本文轉載自公眾號【菁英EDA】

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