Acabamento de superfície em placas de circuito impresso

Surface finish, ou Acabamento de Superfície, compõe uma interface crítica entre os componentes e o local onde serão posicionados para solda, também chamada de SMOBC (Solder Mask Over Bare Copper) – Máscara de solda sobre cobre exposto. Essa superfície, sem nenhum tratamento, ficaria com os pads de cobre expostos, o que resultaria em oxidação, deterioração e consequente perda de funcionalidade.

O acabamento de superfície possui essencialmente duas funções:

1. Proteger o circuito de cobre exposto;
2. Prover uma superfície com maior solderabilidade, bem como reforçar o processo de montagem, promovendo uma junta de solda confiável com alto desempenho da PCB a longo prazo.  

A utilização das placas de circuito impresso é bastante ampla, desde a eletrônica de consumo básica, até equipamentos mais sofisticados que necessitem maior confiabilidade. A escolha de um acabamento deve ser feita de modo a atender alguns fatores, como: custo, desempenho, confiabilidade, produtibilidade, ambiente de exposição, método de montagem, etc.

Atualmente as empresas fornecem diversas opções. Neste artigo descreverei alguns do processos mais utilizados, listando as principais características, vantagens e desvantagens, fluxo do processo e, também, principais utilizações.

HASL/HASL Lead free

HASL (Hot Air Solder Level) – nivelamento de solda por ar quente – é o acabamento de superfície mais predominante na indústria. O processo consiste na imersão placas de circuito em uma liga de estanho / chumbo e, em seguida, remove-se o excesso de solda utilizando rajadas de ar, que sopram ar quente sobre a placa.

Vantagens

Baixo custo; processo de retrabalho é simples.

Desvantagens

Superfície final irregular; presença de chumbo; o choque térmico elevado durante o processo; reduz o tamanho das vias que atravessam as placas.

Fluxo do processo de produção

Limpeza – > Enxágue -> Microetch* -> Enxágue -> Fuxo -> Solda -> Faca de ar quente -> Limpeza -> Enxágue

HASL Lead free utiliza o mesmo processo de produção, porém, devido à diretiva europeia criada em 2006 que virou lei em 2011 ROHS (Restriction of Certain Hazardous Substances), restringindo o uso de certas substâncias, entre elas o chumbo, muda-se a composição das ligas utilizando Estanho/Prata/Cobre, Estanho/Cobre/Cobalto ou Estanho/Cobre/Niquel/Germânio.

Imersão em Estanho

Immersion Tin, ou Imersão em estanho, é um processo de acabamento onde o estanho é depositado por uma reação química e, o fato do estanho ter afinidade com o cobre, acaba por aderir-se aos pads expostos, formando uma junção Estanho/Cobre, acarretando na proteção contra oxidação durante a vida útil da placa.

Vantagens

Superfície plana; sem presença de chumbo ou elementos proibidos; permite processos de retrabalho.

Desvantagens

Fácil de danificar através do manuseio; durante o processo utiliza-se um produto altamente cancerígeno (Thiourea); probabilidade de formação de Tin Whiskers**.

Fluxo do processo de produção

Limpeza -> Microetch -> Predip -> Aplicação de Estanho -> Postdip

Imersão em Prata

Baseado, também, no processo de imersão citado anteriormente, no entanto, o elemento utilizado aqui é a prata. No processo uma camada com espessura fina é aplicada, conferindo boa aderência no processo de solda e uma superfície plana. É um processo bastante viável em placas que possuem pequenas distâncias entre pinos (pitch).

Vantagens

Vida útil elevada; sem presença de chumbo; facilidade no processo de assembly.

Desvantagens

Frágil contra ataques corrosivos.

Fluxo do processo de produção

Limpeza -> Microetch -> Predip -> Aplicação de Prata -> Postdip

OSP

OSP (Organic Solderability Preservative) – é o único processo no qual não é utilizado um metal para finalizar o acabamento. Assim, utiliza-se uma fina camada de um componente orgânico à base de água, o que forma uma camada organometálica incolor, preservando o cobre, exposto, da oxidação.

Vantagens

Superfície plana; sem presença de chumbo ou metais nocivos; processo simples; retrabalhável; custo baixo.

Desvantagens

Não é boa com PTH (Plated Through Holes)***; vida útil curta; pode ocasionar falhas durante  processo de ICT (In-Circuit-Test); sensível ao manuseio.

Fluxo do processo de produção

Limpeza -> Microetch -> Predip -> Flood OSP

GOLD – ENIG

Electroless Nickel Immersion Gold é um tipo de acabamento muito utilizado nos Estados Unidos e, nos últimos anos, sua utilização vem crescendo pelo mundo. Seu custo é elevado quando comparado com acabamentos do tipo OSP ou HASL Lead free. O processo de sua produção também é mais complexo e demorado, já que envolve dois elementos (Níquel e Ouro). O Níquel forma uma barreira protetora para cobre, enquanto o ouro depositado através de um processo de imersão fornece vida útil longa e baixa resistência elétrica de contato.

Vantagens

Superfície Plana; sem presença de chumbo; bom para PTH; Vida útil elevada.

Desvantagens

Custo elevado; não permite retrabalho; perdas em RF; processo complexo.

Fluxo do processo produção

Limpeza – > Microetch -> Catalisador -> Níquel químico -> Enxágue -> Imersão em ouro -> Enxágue

ENEPIG

Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold – Só pelo nome podemos ver que trata-se de processo bem complexo. É tido como um dos acabamentos mais duráveis para placas de circuito impresso. Utiliza três camadas com metais distintos o que confere propriedades de resistência à corrosão, o que aumenta consideravelmente a vida útil da placa.

Vantagens

Vida útil muito alta; resistente à corrosão; superfície plana; alta solderabilidade.

Desvantagens

Custo elevado; processo complexo; complicado para retrabalhos.

Gold – Hard Gold

Trata-se de uma camada de ouro colocada sobre outra de níquel que, por sua vez, reveste o cobre, é extremamente durável e comumente utilizada em locais com elevado desgaste, e contato com meio externo, como keypads e conectores.

Diferentemente do processo ENIG, a espessura da camada pode ser controlada através do tempo de exposição no processo de deposição. Geralmente esse acabamento não é aplicado em áreas de solda de componentes, pois o ouro possui baixa solderabilidade se estiver muito espesso.

Vantagens

Superfície durável e rígida; sem presença de chumbo; vida útil elevada.

Desvantagens

 Custo elevado.

Fluxo do processo produção

Aplicação de fita e resistência, Limpeza, Microetch -> Níquel Químico -> Enxágue -> Ouro eletrolítico -> Enxágue -> Strip resist/Tape -> Limpeza

Conclusão

O acabamento de superfície desempenha um papel importante na indústria eletrônica e fabricação de PCB. Embora existam varias opções disponíveis, é importante selecionar um acabamento adequado que satisfaça os requisitos do projeto, levando em consideração fatores chave como: performance, manufaturabilidade e custos.

Caso haja dificuldades em escolher a melhor solução para o seu projeto, consulte um fabricante de PCB antes de fazer a seleção, visando garantir que a combinação do acabamento superficial e material resultará em um projeto de alto rendimento, baixo custo e, o mais importante, se alcançará o desempenho esperado.

Referências

[1] https://www.internationalcircuits.com/stackupsurfacefinish.html

[2]https://www.epectec.com/downloads/Article-PCB-Surface-Finishes-Advantages-and-Disadvantages.pdf

[3] https://www.epectec.com/downloads/surface-finishes.pdf

[4] https://www.lewayspcb.com/wp-content/uploads/PCB-Surface-Finishes-General-Review.pdf

*processo de limpeza que utiliza produto especifico.

**Tin Whiskers é um defeito que pode ocorrer durante o processo onde “pêlos ou cabelos” de estanho são formados na placa, podendo conectar pads adjacentes, acarretando em curto-circuito.

***O estresse térmico  faz com que o acabamento nas vias, por ser muito fina a camada, acaba rachando, provocando oxidação nesses lugares.