คู่มือเลือกพื้นผิว PCB ที่เหมาะสม: HASL, ENIG, OSP และอื่นๆ

ทำไมการเลือกพื้นผิว PCB ถึงสำคัญ

แผ่นทองแดงบน PCB จะเกิดออกซิเดชันอย่างรวดเร็วเมื่อสัมผัสกับอากาศ ภายในไม่กี่ชั่วโมง พื้นผิวทองแดงจะเกิดออกไซด์ที่ขัดขวางการบัดกรี การเคลือบพื้นผิวจึงทำหน้าที่เป็นชั้นป้องกันที่ช่วยรักษาคุณภาพการบัดกรีจนถึงขั้นตอนการประกอบ ไม่ว่าจะใช้วิธี SMT หรือ THT

แต่การเคลือบพื้นผิวมีประโยชน์มากกว่าการปกป้องทองแดง มันส่งผลต่อ:

• คุณภาพของจุดบัดกรี (ดูคู่มือการทดสอบ PCBA)
• ความเข้ากันได้กับชิ้นส่วนระยะพิตช์แคบ
• ความสามารถในการเชื่อมสายโลหะ
• สมรรถนะของพื้นผิวสัมผัส
• อายุการเก็บรักษา
• ต้นทุนการผลิต

ตามมาตรฐาน IPC การเลือกพื้นผิวที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการได้จุดบัดกรีที่เชื่อถือได้และสมรรถนะของผลิตภัณฑ์ในระยะยาว การเลือกพื้นผิวที่ถูกต้องต้องพิจารณาสมดุลระหว่างปัจจัยเหล่านี้สำหรับการใช้งานเฉพาะของคุณ

ตัวเลือกพื้นผิว PCB

HASL (Hot Air Solder Leveling)

พื้นผิวแบบดั้งเดิมที่ได้รับความนิยมสูง:

กระบวนการ:

• จุ่มแผ่น PCB ลงในดีบุกหลอมเหลว
• ใช้ลมร้อนเป่าดีบุกส่วนเกิน
• สร้างชั้นเคลือบดีบุก-ตะกั่วหรือไร้ตะกั่วที่พร้อมบัดกรี

ประเภท:

• HASL ตะกั่ว (SnPb) - กำลังถูกเลิกใช้
• HASL ไร้ตะกั่ว (SAC หรือ SN100C)

ข้อดี:

• คุณภาพการบัดกรีดีเยี่ยม
• รองรับการ reflow หลายครั้ง
• ต้นทุนต่ำ
• ความทนทานสูง

ข้อเสีย:

• พื้นผิวไม่เรียบ (แผ่นรองรับรูปโดม)
• ไม่เหมาะกับพิตช์แคบ (<0.5mm)
• มีแรงกระแทกความร้อนต่อแผงวงจร
• ไม่เหมาะกับ HDI

เหมาะสำหรับ:

• การออกแบบที่เน้น Through-hole
• โปรเจ็กต์ที่คำนึงถึงต้นทุน
• แผ่น FR4 ทั่วไป
• ต้นแบบ

ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold)

พื้นผิวระดับพรีเมียมสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูง ตามมาตรฐาน IPC-4552:

กระบวนการ:

• การเคลือบนิกเกิลแบบไร้กระแสไฟฟ้า (3-6 μm)
• การแช่เคลือบทองคำบาง (0.05-0.1 μm)
• ทองคำปกป้องนิกเกิลจนถึงขั้นตอนการบัดกรี

ข้อดี:

• ความเรียบของพื้นผิวดีเยี่ยม
• รองรับพิตช์แคบ
• สามารถเชื่อมสายโลหะได้
• อายุการเก็บดี (12+ เดือน)
• ไร้ตะกั่ว
• เหมาะสำหรับพื้นผิวสัมผัส

ข้อเสีย:

• ต้นทุนสูง
• ความเสี่ยงของ black pad (การกัดกร่อนนิกเกิล)
• แนะนำ reflow ครั้งเดียว
• มีโอกาสเกิด gold embrittlement

เหมาะสำหรับ:

• ชิ้นส่วนพิตช์แคบ
• แพ็คเกจ BGA และ QFN
• SMT ผสมกับพื้นผิวสัมผัส
• การเชื่อมสายโลหะ
• การใช้งานที่ต้องการความเชื่อถือสูง (HDI PCBs)

OSP (Organic Solderability Preservative)

พื้นผิวที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและประหยัด ตามมาตรฐาน IPC-4555:

กระบวนการ:

• การบำบัดทางเคมีสร้างชั้นเคลือบอินทรีย์
• ยึดติดกับพื้นผิวทองแดง
• โดยทั่วไปหนา 0.2-0.5 μm

ข้อดี:

• พื้นผิวเรียบมาก
• ต้นทุนต่ำที่สุด
• เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
• ไม่มีการปนเปื้อนโลหะ
• รองรับพิตช์แคบ
• สามารถซ่อมแซมได้

ข้อเสีย:

• อายุการเก็บสั้นกว่า (โดยทั่ไป 6 เดือน)
• ไม่เหมาะสำหรับพื้นผิวสัมผัส
• การ reflow หลายครั้งทำให้เคลือบเสื่อมสภาพ
• ตรวจสอบยาก (โปร่งใส)
• ไวต่อการจับต้อง

เหมาะสำหรับ:

• อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคปริมาณสูง
• การประกอบด้านเดียว
• โปรเจ็กต์ที่คำนึงถึงต้นทุน
• เน้นการปฏิบัติตามข้อกำหนดRoHSด้านสิ่งแวดล้อม

Immersion Silver (เงินแช่)

กำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้น ตามมาตรฐาน IPC-4553:

กระบวนการ:

• ปฏิกิริยาการแทนที่สะสมเงินบนทองแดง
• ความหนาทั่วไป 0.15-0.4 μm
• การบำบัดป้องกันการเสื่อมสภาพเป็นตัวเลือก

ข้อดี:

• ความเรียบดีเยี่ยม
• คุณภาพการบัดกรียอดเยี่ยม
• อายุการเก็บดี (12 เดือน)
• รองรับพิตช์แคบ
• ต้นทุนต่ำกว่า ENIG
• เหมาะสำหรับการอัด

ข้อเสีย:

• เสื่อมสภาพตามเวลา
• ความกังวลเรื่อง micro-voiding กับ flux บางชนิด
• ความเสี่ยงของการกัดกร่อนแบบคืบคลาน
• รอยการจับต้องมองเห็นได้

เหมาะสำหรับ:

• SMT พิตช์แคบ
• ตัวเชื่อมต่อแบบ press-fit
• จุดสัมผัสสวิตช์เมมเบรน
• การใช้งานความถี่สูง

Immersion Tin (ดีบุกแช่)

สำหรับการใช้งานเฉพาะทาง:

กระบวนการ:

• การแทนที่สะสมดีบุกบนทองแดง
• โดยทั่วไป 0.8-1.2 μm

ข้อดี:

• ความเรียบดีเยี่ยม
• คุณภาพการบัดกรีดี
• รองรับพิตช์แคบ
• เหมาะกับ press-fit

ข้อเสีย:

• ความเสี่ยงจาก tin whisker
• อายุการเก็บสั้นกว่า
• ไวต่อการจับต้อง
• ปัญหาการ reflow หลายครั้ง

เหมาะสำหรับ:

• ชิ้นส่วน press-fit
• การประกอบพิตช์แคบ
• แบ็คเพลน

Hard Gold (ทองแข็ง)

สำหรับตัวเชื่อมต่อขอบและจุดสัมผัส:

กระบวนการ:

• การชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้า (2.5-5 μm)
• การชุบทองแข็งด้วยไฟฟ้า (0.75-2.5 μm)
• แข็งและทนทานต่อการสึกหรอมากกว่าทอง ENIG

ข้อดี:

• ความทนทานต่อการสึกหรอดีเยี่ยม
• รองรับรอบการใส่หลายครั้ง
• ความต้านทานการสัมผัสคงที่
• อายุการเก็บยาวนาน

ข้อเสีย:

• ต้นทุนสูงสุด
• ไม่เหมาะสำหรับการบัดกรี (gold embrittlement)
• ต้องการการชุบแบบเลือกส่วน

เหมาะสำหรับ:

• ตัวเชื่อมต่อแบบขอบการ์ด
• จุดสัมผัสที่ใส่บ่อย
• จุดทดสอบด้วยหัววัด

ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold)

สำหรับการเชื่อมสายโลหะ:

กระบวนการ:

• นิกเกิลไร้กระแสไฟฟ้า
• แพลเลเดียมไร้กระแสไฟฟ้า (0.05-0.1 μm)
• ทองคำแช่

ข้อดี:

• สามารถเชื่อมสายโลหะได้ (ทั้งทองคำและอลูมิเนียม)
• บัดกรีได้
• หลีกเลี่ยงปัญหา black pad
• สามารถ reflow หลายครั้ง

ข้อเสีย:

• ต้นทุนสูงสุด
• กระบวนการซับซ้อน

เหมาะสำหรับ:

• การใช้งานเชื่อมสายโลหะ
• เทคโนโลยีผสม (การเชื่อมและการบัดกรี)
• ความต้องการความเชื่อถือสูงสุด

ตารางเปรียบเทียบ

*มี HASL ไร้ตะกั่ว

เกณฑ์การเลือก

ข้อกำหนดของชิ้นส่วน

พิตช์แคบ (≤0.5mm pitch):

• ใช้: ENIG, OSP, เงินแช่
• หลีกเลี่ยง: HASL (พื้นผิวไม่เรียบ)
• ดู คู่มือ HDI PCB สำหรับการออกแบบพิตช์แคบ

BGA/QFN:

• ใช้: ENIG, เงินแช่, OSP
• ต้องการพื้นผิวเรียบและสม่ำเสมอ
• แนะนำการตรวจสอบ X-ray (คู่มือการทดสอบ)

Through-Hole หนัก:

• HASL ทำงานได้ดี
• การเติมรูสำคัญ

การเชื่อมสายโลหะ:

• ต้องการ ENIG หรือ ENEPIG
• ข้อกำหนดความหนาทองคำ

Press-Fit:

• เงินแช่หรือดีบุกแช่
• หลีกเลี่ยงพื้นผิวแข็ง

สภาพแวดล้อมการใช้งาน

ความเชื่อถือสูง:

• ENIG สำหรับความต้านทานการกัดกร่อน
• พิจารณาสภาพแวดล้อมการทำงาน

อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค:

• OSP สำหรับต้นทุน ถ้า reflow ครั้งเดียว
• เงินแช่สำหรับอายุการเก็บที่ดีกว่า

ยานยนต์:

• ENIG สำหรับความเชื่อถือสูง
• พิจารณาการหมุนเวียนอุณหภูมิ
• ข้อกำหนด IATF 16949

การแพทย์:

• ENIG ทั่วไป
• ความเข้ากันได้ทางชีวภาพตาม ISO 10993 ถ้าสัมผัสผู้ป่วย

กระบวนการประกอบ

Reflow ครั้งเดียว:

• พื้นผิวใดก็ได้
• OSP ประหยัดที่สุด

Reflow หลายครั้ง (สองด้าน):

• ENIG หรือเงินแช่
• OSP เสื่อมสภาพ

เทคโนโลยีผสม (SMT + Wave):

• ENIG ใช้ได้หลากหลายที่สุด
• พิจารณาพื้นผิวแบบเลือกส่วน

การซ่อมแซมบ่อย:

• OSP ซ่อมแซมได้
• ENIG จำกัดจำนวน reflow

การพิจารณาต้นทุน

การจัดอันดับต้นทุนสัมพัทธ์ (ต่ำสุดถึงสูงสุด):

1. OSP
2. HASL (ตะกั่ว)
3. HASL ไร้ตะกั่ว
4. ดีบุกแช่
5. เงินแช่
6. ENIG
7. ENEPIG
8. ทองแข็ง (แบบเลือกส่วน)

พิจารณาต้นทุนรวมรวมถึง:

• ผลกระทบต่อผลผลิตการประกอบ
• อายุการเก็บ/สินค้าคงคลัง
• ความต้องการการซ่อมแซม

ปัญหาทั่วไปและวิธีแก้ไข

Black Pad (ENIG)

สาเหตุ: การกัดกร่อนนิกเกิลระหว่างการสะสมทองคำ

การป้องกัน: การควบคุมกระบวนการ ความหนานิกเกิลที่เหมาะสม

วิธีแก้ไข: การตรวจสอบวัตถุดิบ การรับรองซัพพลายเออร์

การเสื่อมสภาพของ OSP

สาเหตุ: รอบความร้อนหลายครั้ง ความชื้น การจับต้อง

การป้องกัน: การจัดเก็บที่ควบคุม ลดการจับต้อง

วิธีแก้ไข: ดำเนินการอย่างรวดเร็วหลังเปิด

การเสื่อมสภาพของเงิน

สาเหตุ: สารประกอบกำมะถันในสิ่งแวดล้อม

การป้องกัน: บรรจุภัณฑ์ที่เหมาะสม การประมวลผลอย่างรวดเร็ว

วิธีแก้ไข: การเคลือบป้องกันการเสื่อมสภาพ

การเชื่อมต่อของ HASL

สาเหตุ: การปรับระดับลมร้อนบนพิตช์แคบ

การป้องกัน: อย่าใช้ HASL สำหรับพิตช์แคบ

วิธีแก้ไข: เปลี่ยนเป็นพื้นผิวเรียบ

เคล็ดลับการระบุข้อกำหนด

เมื่อระบุพื้นผิว:

ข้อกำหนดมาตรฐาน:

• ENIG ตาม IPC-4552
• OSP ตาม IPC-4555
• เงินแช่ตาม IPC-4553
• ดีบุกแช่ตาม IPC-4554

พารามิเตอร์สำคัญ:

• ข้อกำหนดความหนา
• ข้อกำหนดคุณภาพการบัดกรี
• ความคาดหวังอายุการเก็บ
• การทดสอบพิเศษที่จำเป็น

แนวโน้มอุตสาหกรรม

กำลังเติบโต:

• ENIG (การใช้งานที่ต้องการความเชื่อถือ)
• เงินแช่ (สมดุลระหว่างต้นทุนและสมรรถนะ)
• OSP (ปริมาณสูง การประกอบครั้งเดียว)

กำลังลดลง:

• HASL ตะกั่ว (RoHS)
• ดีบุกแช่ (ความกังวลเรื่อง whisker)

กำลังเกิดขึ้น:

• ENEPIG (การเชื่อมสายโลหะ + การบัดกรี)
• Super OSP (อายุการเก็บดีขึ้น)

กรอบการตัดสินใจ

ใช้กรอบนี้สำหรับการเลือก:

ขั้นตอนที่ 1: กำจัดตัวเลือกที่ไม่เข้ากัน

• พิตช์แคบ? ไม่ใช้ HASL
• การเชื่อมสายโลหะ? ต้องการ ENIG/ENEPIG
• ตัวเชื่อมต่อขอบ? ต้องการทองแข็ง

ขั้นตอนที่ 2: พิจารณากระบวนการประกอบ

• Reflow หลายครั้ง? ไม่ใช้ OSP
• Press-fit? พิจารณา ImAg, ImSn

ขั้นตอนที่ 3: พิจารณาสิ่งแวดล้อม

• การจัดเก็บยาวนาน? ไม่ใช้พื้นผิวอายุสั้น
• สภาพแวดล้อมรุนแรง? เลือก ENIG

ขั้นตอนที่ 4: เพิ่มประสิทธิภาพต้นทุน

• ในบรรดาตัวเลือกที่เหลือ เลือกประหยัดที่สุด

สรุป

การเลือกพื้นผิวต้องสมดุลหลายปัจจัย: ความเข้ากันได้ของชิ้นส่วน กระบวนการประกอบ สภาพแวดล้อมการทำงาน อายุการเก็บ และต้นทุน ไม่มีพื้นผิว"ที่ดีที่สุด"เพียงหนึ่งเดียว—มีเพียงพื้นผิวที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานเฉพาะของคุณ

สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่:

• ความเชื่อถือสูง: ENIG (แนะนำสำหรับ การแพทย์, การบิน)
• ผู้บริโภคที่คำนึงถึงต้นทุน: OSP
• สมรรถนะสมดุล: เงินแช่
• เน้น Through-hole: HASL ไร้ตะกั่ว

เมื่อไม่แน่ใจ ปรึกษากับผู้ผลิต PCB ของคุณ พวกเขาสามารถแนะนำพื้นผิวที่เหมาะสมที่สุดตามไฟล์การออกแบบและข้อกำหนดของคุณ โดยคำนึงถึงปัจจัยในของเรา แนวทางการออกแบบ PCB

บริการผลิต PCB ของเราเสนอพื้นผิวหลักทั้งหมดสำหรับ FR4, อลูมิเนียม, HDI, และ flex PCBs พร้อมการสนับสนุนทางวิศวกรรมเพื่อช่วยคุณเลือกตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานของคุณ ตั้งแต่ ต้นแบบ ไปจนถึงการผลิต เรารับประกันคุณภาพที่สม่ำเสมอในทุกประเภทพื้นผิว

บทความที่เกี่ยวข้อง

• แนวทางการออกแบบ PCB สำหรับการผลิต
• คู่มือเทคโนโลยี HDI PCB
• เปรียบเทียบการประกอบ SMT vs THT
• คู่มือการทดสอบและควบคุมคุณภาพ PCBA

อ้างอิง

1. IPC - Association Connecting Electronics Industries: www.ipc.org
2. IPC-4552 ENIG Specification: www.ipc.org
3. IPC-4553 Immersion Silver Specification: www.ipc.org
4. IPC-4554 Immersion Tin Specification: www.ipc.org
5. IPC-4555 OSP Specification: www.ipc.org
6. RoHS Directive: Wikipedia
7. ISO 10993 Biocompatibility: www.iso.org