激光锡焊如何选择PCB焊盘涂层材质

众所周知，暴露在空气中的所有金属都会被氧化。为了防止PCB铜焊盘被氧化，焊盘表面应涂有(镀)保护层。PCB焊盘表面处理的材料、工艺和质量直接影响焊接工艺和焊接质量。此外，PCB焊盘表面处理的选择因电子产品、工艺和焊接材料而异。奥莱光电下面浅谈下PCB焊盘涂层对激光锡焊的影响。

PCB焊盘涂层材质对激光锡焊的影响主要体现在以下几个方面：

防氧化和污染：为了防止PCB铜焊盘在焊接前被氧化和污染，通常需要在焊盘表面进行涂(镀)保护层处理。这种涂层可以有效地保护铜表面，延长其可焊性。

涂层的化学成分：不同的涂层材料对焊接质量有显著影响。例如，ENIG Ni(P)/Au镀层是一种常用的可焊性涂层，其化学成分包括镍和金，这些元素可以提高镀层的耐腐蚀性和可焊性。含磷量适中的镀层(如含磷7%～9%)具有较好的耐腐蚀性和可焊性。

涂层的密度和结构：涂层的密度和结构也会影响焊接质量。如果涂层结构不够致密，可能会导致“黑焊盘”现象，即涂层表面出现裂缝或空隙，从而影响焊接效果。

涂层的光学特性：涂层的光学特性，如吸光率和反射率，也会影响激光锡焊的效果。材料的电阻系数和表面状态(光洁度)会影响光束的吸收率，从而影响焊接过程。

涂层的物理特性：涂层的物理特性，如硬度和粘附性，也会影响焊接质量。

PCB焊盘涂层材质对激光锡焊的影响是多方面的，包括防氧化、化学成分、结构密度、光学特性和物理特性等。选择合适的涂层材料和工艺是确保激光锡焊质量的关键因素。

1.ENIG Ni(P)/Au镀层

1)涂层特性ENIG) Ni(P)/Au(化学镀镍、金)工艺是在PCB上涂上阻焊层(绿油)后进行的。对于ENIG Ni/Au工艺的基本要求是焊接性和焊点的可靠性。化学镀层厚度为3～5μm，化学镀层Au层(又称浸Au层、更换Au)，厚度为0.025～0.1μm。化学镀厚Au层(又称还原Au层)，厚度为0.3～1μm，一般在0.5μm左右。

化学镀镍的P含量对于镀层的焊接性和耐腐蚀性至关重要。通常含有P 7%～9%适合(中磷)。P含量过低，涂层耐腐蚀性差，易氧化。而且在腐蚀性环境中，因为Ni/Au对原电池的腐蚀作用，会对Ni产生影响/Au的Ni表面层被腐蚀，产生Ni黑膜。(NixOy)，这对可焊性和焊点的可靠性极为不利。P含量高，镀层耐腐蚀性提高，可焊性也能提高。

2)应用特性

●成本高;

●黑盘问题难以根除，虚焊缺陷率往往居高不下;

●ENIG Ni/Au表面的二次互连可靠性与OSP更高、Im-Ag、Im-Sn及HASL-Sn等涂层的可靠性较差;

●因为ENIG Ni/Au使用Ni和5%～12%P一起镀，所以当PCBA的工作频率超过5GHz时，趋肤效果非常明显，因为Ni-P在信号传输中复合涂层的导电性比铜差，因此信号传输速度较慢;

●Au溶入钎料后与Sn形成的AuSn4金属间化合物碎片，导致高频阻抗不能“复零”;

●“金脆”是降低焊点可靠性的隐患。一般来说，焊接时间很短，只能在几秒钟内完成，因此Au不能在焊料中均匀扩散，因此会在局部形成高浓度层，强度较低。

2.Im-Sn镀层

1)涂层特性Im-Sn是近年来非铅化过程中非常重要的一种可焊性涂层。Sn化学反应(硫酸亚锡或氯化亚锡)获得的Sn层厚度为0.1～1.5μm之间(经过多次焊接至少浸泡Sn厚度应为1.5μm)。这种厚度与镀液中的亚锡离子浓度、温度和涂层孔隙度有关。由于Sn具有较高的接触电阻，因此在接触检测测试方面不如浸银测试。传统的Im-Sn工艺，涂层呈灰色，由于表面呈蜂窝状排列，导致疏孔较多，易渗透，加速老化。

2)应用特性

●比ENIG更昂贵 Ni/Au及Im-Ag、OSP低;

●存在锡晶须问题，对精细间距和长寿命器件影响较大，但对PCB影响不大;

●存在锡瘟现象，Sn相变点为13.2℃，低于此温度时变成粉末状的灰锡(α锡)，使强度丧失;

●在温度环境下，SnCu金属间化合物会加速与铜层的扩散，导致SnCu金属间化合物(IMC)如表1所示，增长;

●新板具有良好的润湿性，但储存一段时间后，或多次再流后，润湿性下降较快，因此后端应用工艺较差。

●如表2所示，高温处理后，由于锡层厚度的消耗，储存时间会缩短;

3.OSP涂层

1)涂层特性OSP是20世纪90年代出现的Cu表面有机助焊保护膜(以下简称OSP)。一些环氮化合物，如苯醌三氮唑(BTA)、咪唑、烷基咪唑、苯醌咪唑等水溶液容易与干净的铜表面发生反应。这些化合物中的氮杂环与Cu表面形成复合物，这种保护膜防止Cu表面氧化。

2)应用特性

●成本低，工艺简单;

●焊接加热时，铜的复合物迅速分解，只留下裸铜，因为OSP只是一个分子层，焊接时会被稀酸或助焊剂分解，因此不会有残留物污染;

●可以更好地兼容有铅焊接或无铅焊接;

●OSP保护涂层与助焊剂RMA(中等活性)兼容，但与活性较低的松香基免清洗助焊剂不兼容;

●OSP厚度(目前大多采用0.2～0.4μm)对所选助焊剂的匹配性要求较高，不同厚度对助焊剂的匹配性要求也不同;

●存储环境条件要求高，车间寿命短，如果生产管理不能配合，则不能选择。

4.Im-Ag镀层

1)涂层特性Ag在室温下具有良好的导热性、导电性和焊接性，反射能力强，高频损耗小，表面传导能力高。然而，Ag对S有很高的亲和力，大气中有少量的S(H2)S、所有的SO2或其它硫化物都会改变颜色，产生Ag2S、Ag2O失去了可焊性。Ag的另一个缺点是，在潮湿的环境中，Ag离子很容易沿绝缘材料的表面和体积方向迁移，从而降低甚至短路材料的绝缘性能。

沉积在基材铜上的Ag厚0.075～0.225μm，表面光滑，可引线键合。

2)应用特性

●与Au或Pd相比，其成本相对便宜;

●具有良好的引线键合性，与Sn基钎料合金具有良好的可焊性;

●金属间化合物在Ag和Sn之间形成(Ag3Sn)没有明显的易碎性;

●在射频(RF)由于电路中的趋肤效应，Ag的高电导率特性刚刚发挥出来;

●和空气中的S、Cl、O接触时，分别在表面生成AgS、AgCl、Ag2O，使其表面失去光泽而变暗，影响外观和可焊性。

如何优化PCB焊盘涂层的密度和结构以提高激光锡焊的效率?

为了优化PCB焊盘涂层的密度和结构以提高激光锡焊的效率，可以从以下几个方面进行考虑：

涂层选择：

选择合适的可焊性涂层是关键。例如，ENIG Ni(P)/Au镀层具有良好的可焊性和焊点可靠性，这种化学镀镍、金工艺在PCB涂敷阻焊层(绿油)之后进行。这种涂层可以提供更高的焊接质量和效率。

焊盘设计：

焊盘的对称性对于保证熔融焊锡表面张力平衡至关重要。两端焊盘必须对称，以确保焊接过程中焊锡能够均匀分布。

焊盘的形状和尺寸也需要精心设计。例如，孔径超过1.2mm或焊盘直径超过3.0mm的焊盘应设计为菱形或梅花形焊盘。这些特殊形状的焊盘可以更好地适应大尺寸元件，减少焊接过程中的热应力。

焊盘间距：

确保元件端头或引脚与焊盘恰当的搭接尺寸，避免焊盘间距过大或过小，这会影响焊接质量。合理的焊盘间距可以确保焊锡在焊接过程中能够均匀流动，形成良好的焊点。

激光焊接工艺参数优化：

优化激光焊接工艺参数，如激光功率、焊接速度、离焦量等，是提高焊接质量和效率的关键。通过调整这些参数，可以使激光光束更加集中，提高能量密度，从而加快焊接速度并提高焊点的质量。

焊盘单边最小尺寸：

根据PCB标准封装库，焊盘单边最小不小于0.25mm，整个焊盘直径最大不大于元件孔径的3倍。这有助于确保焊接过程中焊锡能够充分填充焊盘，形成牢固的焊点。

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