Come scegliere il tipo di finitura superficiale per il tuo PCB
“Eccoci qua, finalmente siamo riusciti a generare i file Gerber per il nostro PCB e non vediamo l’ora di mandarlo in produzione…ma cosa sono tutte queste opzioni tra le quali il produttore del PCB ci chiede di effettuare una scelta? Vogliamo solo far fabbricare il nostro PCB!”
Ebbene sì, non è sufficiente fare il layout del nostro PCB per mandarlo in produzione, ma ci sono tanti aspetti legati al manufacturing e all’assemblaggio della scheda che richiedono attenzione da parte del progettista. Uno di questa è scegliere la finitura superficiale per il PCB. In questo articolo spiegheremo perché è importante scegliere la finitura appropriata e quali sono le opzioni più comuni disponibili.
La finitura superficiale di un PCB è lo strato che si interpone tra il rame del PCB esposto ed i componenti che verranno saldati su di esso. Come detto quindi la finitura riguarda tutte quelle zone di rame non coperte da solder mask, come pad di SMD, pad thrugh hole, via non tented, edge contact, etc…
I motivi principali per cui si applica la finitura sono fondamentalmente due: facilitare la saldatura dei componenti sulla scheda e proteggere il rame dal fenomeno dell’ossidazione e contaminazione che potrebbe portare la scheda a non funzionare propriamente (si pensi a una scheda con degli edge connector ossidati).
Dal momento in cui le diverse opzioni di finitura superficiale del PCB hanno vantaggi e svantaggi è importante sapere quali sono i principali criteri di selezione, in particolare:
- Tipo di componenti e densità
- Costo
- Periodo di stoccaggio prima della saldatura
- Possibilità di re-working
- Rispetto normative ambientali
Tipologie di finitura superficiale: Hot Air Solder Leveling (HASL)
Hot Air Solder Leveling, detto comunemente HASL, è il tipo di finitura superficiale usato storicamente per i PCB con tecnologia thrugh hole. In sostanza il PCB viene immerso in una lega di stagno e piombo liquefatto, in seguito i depositi della lega vengono livellati con dei getti ad aria calda. Esiste anche una versione senza piombo (HASL lead-free) che rende il processo RoHS compliant (quella comunemente usata al giorno d’oggi) dove leghe di stagno-rame o stagno-nickel vengono utilizzate.
Il vantaggio principale dell’HASL è rendere il PCB facilmente saldabile ad un basso costo. Tuttavia, il deposito di stagno non è generalmente ben livellato, rendendo difficile l’assemblaggio di componenti SMD. Difatti HASL è fortemente sconsigliato se componenti di dimensioni minori a 0805 o package più compatti di SOIC sono utilizzati. In tali circostanze le tecnologie ad immersione sono consigliate.
Un esempio di finitura superficiale durante le operazioni di produzione PCB
Tipologie di finitura superficiale: Organic Solderability Preservative (OSP)
OSP è un tipo di finitura organica a bassissimo impatto ambientale, utilizzato principalmente per i pads (per cui viene di solito abbinato anche ad un altro tipo di finitura). Ha una buona livellatura rispetto all’HASL ma non ha la stessa durabilità. Di conseguenza un PCB con finitura superficiale OSP non può essere stoccato per lunghi periodi. Come sottolineato, OSP viene adoperato principalmente nel caso in cui il prodotto finale sia soggetto a strette norme ambientali.
Tipologie di finitura superficiale: Immersion Tin (ISn)
La finitura superficiale a immersione a stagno è la meno costosa nella categoria a immersione, e come per tutte le finiture di questa categoria viene utilizzato un processo elettro chimico per depositare lo stagno sul rame. Il vantaggio principale delle finiture a immersone è l’alto grado di livellamento rendendo questo tipo di finitura ottimale per tecnologia SMT.
Lo stagno, ricoprendo il rame, lo protegge dall’ossidazione e ne facilità la saldatura. Gli svantaggi di questo tipo di finitura superficiale sono principalmente due. Il primo è dovuto al fatto che rame e stagno hanno una buona affinità e tendono ad interagire tra di loro, questo può impattare sulla qualità della finitura a lungo andare, perciò si consiglia ISn solo per PCB con tempi di stoccaggio tra produzione e assemblaggio minore di 30 giorni. Il secondo svantaggio è dovuto al problema del tin-whiskering, ossia la capacità dello stagno di deformarsi nel tempo che potrebbe causare cortocircuiti specialmente sui componenti con pitch molto ridotti.
Tipologie di finitura superficiale: Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG)
ENIG è la principale finitura utilizzata oggigiorno per package fine-pitch come BGA. Consiste in deporre chimicamente uno strato di Nickel spesso da 120 a 240 microinch a diretto contatto con il rame con lo scope di evitarne l’ossidazione. Sopra il Nickel viene deposto uno strato d’oro di spessore tar 2 e 8 microinch con lo scopo di proteggere il nickel durante lo storage e offrire una bassa resistenza di contatto. I vantaggi di questa tipologia di finitura superficiale sono un’ottima livellatura, come tutti i processi a immersione, una lunga durabilità e conformità con standard RoSH e WEEE.
Esempio di finitura superficiale ENIG
D’altro canto, è uno dei processi di finitura più costosi (dopo hard gold) e i pad sono soggetti a sviluppare fosforo tra lo strato di nickel e oro a creando il così detto fenomeno del “pad nero” risultando in superfici corrose.
Per ovviare a questo problema è stato recentemente introdotta un nuovo tipo di finitura chiamata ENEPIG dove uno strato aggiuntivo di palladio viene deposto tra il nickel e l’oro, impedendone la reazione tra questi due materiali e lo sviluppo di fosforo.
Tipologie di finitura superficiale: Immersion Silver (IAg)
Immersione in argento offre tutti i vantaggi delle finiture ad immersione ad un costo più basso rispetto all’ENIG. A differenza dello stagno (ISn), l’argento non reagisce con il rame deteriorandolo, tuttavia si ossida se esposto all’aria. Perciò il PCB deve essere conservato in appositi package e dovrà essere assemblato entro 6-12 mesi dalla produzione.
Tipologie di finitura superficiale: Hard Gold
In alcuni casi può essere richiesta una finitura superficiale con oro spesso, specialmente per parti del PCB soggette a consumo e corrosione come edge connector fingers, keypads o contatti a scorrimento. Come facilmente immaginabile hard gold è molto robusto ed offre un eccellente durabilità; impiegato selettivamente solo in alcune zone, infatti non può essere usato per pad sotto i componenti in quanto non di facile saldatura. L’hard gold viene deposto sopra uno stato di nickel di 100 microinch e lo spessore dell’oro può essere finemente controllato a seconda della resistenza di contatto desiderata, generalmente tra i 5 e i 50 microinch. Ovviamente anche il costo sarà proporzionale allo spessore scelto
