什么是PCB表面处理工艺？
PCB上没有阻焊层覆盖的铜表面，如元器件的焊盘、金手指、机械孔等。如果没有保护涂层，铜表面很容易被氧化，从而影响PCB可焊接区域的裸铜和元件之间的焊接。
如下图所示，表面处理位于PCB的最外层，位于铜层之上，起到铜表面“涂层”的作用。
表面处理主要功能是保护裸露的铜表面不被氧化电路，从而在焊接时提供可焊表面进行焊接。
PCB表面处理工艺分类
PCB表面处理工艺分为以下几类： 热风焊料整平（HASL） 沉锡（浸锡) （ImSn） 化学镍金（沉金） (ENIG) 有机可焊性防腐剂 (OSP) 沉银（化学银） (ImAg) 化学镀镍化学镀钯浸金 (ENEPIG) 电镀镍金（电解金）Electrolytic Nickel/Gold
热风焊料整平（HASL） 热风焊料整平 Hot Air Solder Level (HASL)，俗称喷锡， 分为无铅喷锡和有铅喷锡，是最常用也是价格相对便宜的表面处理工艺。
PCB的保存寿命可达12个月，工艺温度250℃，表面处理的厚度范围1-40um。
喷锡工艺，会将电路板浸入熔融焊料（锡/铅）中，让焊料覆盖PCB上裸露的铜表面。PCB离开熔化的焊料时，高压热空气通过气刀吹过表面，使焊料沉积平整并去除多余的焊料。
喷锡工艺的过程需要掌握：焊接温度、风刀风温、风刀压力、浸焊时间、提升速度等。保证PCB完全浸入熔化的焊料中，风刀可以在焊料凝固前将焊料吹起，风刀压力能够最大限度减少铜表面的弯月面并不会出现焊料桥接。
热风焊料整平(HASL) 优点 缺点 保质期长 表面不平整 可焊性好 不适合小间距器件 成本低 容易产生锡珠 抗腐蚀和抗氧化 高温导致变形 可目视检查 不适合电镀通孔
沉锡（浸锡) （ImSn）
沉锡（浸锡）Immersion Tin (ImSn) 是一种通过化学置换反应沉积的金属饰面，直接施加在电路板的基础金属（即铜）上，能够满足小间距元器件对于PCB表面平整度的要求。
沉锡能保护底层铜在3-6个月的保质期内不被氧化，由于所有焊料都是锡基的，沉锡层可以匹配任何类型的焊料。在锡浸液中加入有机添加剂后，锡层结构呈颗粒状结构，克服了锡须和锡迁移带来的问题，同时还具有良好的热稳定性和可焊性。
沉锡工艺温度50℃，表面处理厚度在0.8-1.2um。特别适合通过压接进行连接的PCB，比如通信背板。
|
沉锡（浸锡） (ImSn) |
|
优点 |
缺点 |
|
适合小间距/BGA |
容易被污染 |
|
表面平整性好 |
锡须可能导致短路 |
|
符合RoHS |
电气测试需要软探头 |
|
可焊性好 |
不适合接触开关 |
|
稳定性好 |
对阻焊层具有侵蚀性 |
化学镍金（沉金） (ENIG)
化学镍金（化学镀镍浸金）（沉金）Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG)，能够满足小间距器件（BGA和μBGA）对于表面平整度和无铅加工对PCB的要求。
ENIG由两层金属涂层组成，镍通过化学工艺沉积在铜表面，然后通过置换反应涂上金原子。镍的厚度为3~6μm，金的厚度为0.05~0.1μm。镍充当铜的屏障，是元器件实际焊接到的表面，金的作用是在储存过程中防止镍氧化，保质期能达到一年左右，而且可以保证出色的表面平整度。
沉金工艺在高密度板、常规硬板和软板上都有广泛的应用，可靠性高，支持使用铝线做引线键合。广泛应用于消费、通信/计算、航空航天和医疗等行业。
|
化学镍金 (ENIG) |
|
优点 |
缺点 |
|
保质期长 |
价格贵 |
|
高密度板（μBGA） |
对射频信号有衰减 |
|
铝线键合 |
无法返工 |
|
表面平整度高 |
黑垫/黑镍 |
|
适合电镀孔 |
加工过程复杂 |
有机可焊性防腐剂 (OSP)
有机可焊性防腐剂 organic solderability preservatives (OSP) ，是在暴露的铜上涂上一层非常薄的材料保护层，从而保护铜表面免受氧化。
有机膜具有抗氧化、抗热震、防潮等特性，可以保护铜表面在正常环境下不被氧化或硫化等。在后高温焊接环节，有机膜会很容易被助焊剂快速去除，使裸露的干净铜面立即与熔化的焊锡结合，在极短的时间内形成牢固的焊点。
OSP是一种水基有机化合物，可选择性地与铜结合，在焊接前保护铜面。与其他无铅表面处理工艺相比，非常环保，因为其他表面处理工艺会有毒性或能耗更高。
|
有机可焊性防腐剂 (OSP) |
|
优点 |
缺点 |
|
简单便宜 |
不适合PTH |
|
无铅环保 |
保质期短 |
|
表面平整 |
不方便目测和电测 |
|
可引线键合 |
ICT夹具可能损坏PCB |
沉银（化学银） (ImAg)
沉银（化学银）Immersion silver (ImAg)，是通过将 PCB浸入银离子槽中通过置换反应，直接给铜镀上一层纯银。银具有稳定的化学性质。经过浸银工艺加工的PCB即使暴露在热、潮湿和污染的环境中，即便表面会失去光泽，仍能保持良好的电气性和可焊性。
有时为以防止银与环境中的硫化物发生反应，沉银会与OSP涂层结合使用。对于大多数应用，沉银可以取代沉金。如果PCB中不希望引入磁性材料（镍）时，可以选择使用沉银。
沉银的表面厚度是0.12～0.40μm，保质期是6至12个月，沉银工艺对于加工过程中表面的清洁度敏感，需要保证整个生产过程不会带来沉银表面污染。沉银工艺适合需要EMI屏蔽的PCB，薄膜开关和铝线键合等应用。
|
沉银 (ImAg) |
|
优点 |
缺点 |
|
表面平整度好 |
对污染物敏感 |
|
可焊性高 |
容易发生电迁移 |
|
稳定性好 |
银金属晶须 |
|
屏蔽性好 |
拆包后组装窗口短 |
|
适用铝线键合 |
电气测试难 |
化学镀镍化学镀钯浸金 (ENEPIG)
化学镀镍化学镀钯浸金（ENEPIG）与ENIG相比，ENEPIG在镍和金之间多了一层钯，进一步保护镍层免受腐蚀，防止ENIG表面处理可能出现的黑垫，因而表面光洁度更有优势。镍的沉积厚度约为3~6μm，钯的厚度约为0.1~0.5μm，金的厚度为0.02~0.1μm。虽然金层厚度比ENIG薄，但价格更贵。
铜-镍-钯-金的层结构，可直接引线键合到镀层。最后一层金层非常薄，很软，过度的机械损伤或深度划痕可能会暴露钯层。
化学镀镍化学镀钯浸金 (ENEPIG) 优点 缺点 表面极其平坦 价格贵 可引线键合 金线键合不如软金可靠 可多次回流焊 容易产生锡珠 焊点可靠性高 工艺复杂 保质期长 加工过程难控制
电镀镍金（电解金）Electrolytic Nickel/Gold
电镀镍金分为“硬金”和“软金”。
硬金纯度较低（99.6%），常用于金手指（PCB边缘连接器）、PCB触点或其他硬磨损区域。金的厚度可以根据要求而变化。
软金更纯净（99.9%），通常用于引线键合。
硬电解金
硬金是一种含有钴、镍或铁络合物的金合金。镀金和铜之间使用低应力镍。硬金适合用于使用频繁且极有可能磨损的组件，例如：载板、金手指、按键PAD。
硬金表面处理的厚度会因应用而异，IPC 最大可焊厚度建议为17.8μin，IPC1类和2类应用建议25μin金和 100μin镍，IPC3类应用建议50μin金和100μin镍。
软电解金
主要用于需要引线键合与高可焊性要求的PCB，与硬金相比，软金焊接的接头更牢固。
软电解金表面处理
|
电镀镍金 Electrolytic Nickel/Gold |
|
优点 |
缺点 |
|
保质期长 |
非常贵 |
|
焊点可靠性高 |
金手指需要板上额外导电走线 |
|
表面耐用 |
硬金可焊性较差 |
如何选择PCB表面处理工艺？
PCB表面处理工艺会直接影响产量、返工数量、现场故障率、测试能力、废品率。为了最终产品的质量和性能，必须选择满足设计需求的表面处理工艺。在工程中可以从以下角度考虑：
焊盘平整度 焊盘平整度直接影响PCBA的焊接质量，尤其是板子上如果有比较大的BGA或者间距更小的μBGA时，需要焊盘表面的保护层薄而均匀时可以选择ENIG、ENEPIG 和OSP。
可焊性和润湿性 可焊性始终是PCB的是一个关键因素，在满足其他要求的前提下，优选选择可焊性高的表面处理工艺，从而保证回流焊的良率。
焊接次数 PCB要焊接或者返工多少次？OSP的表面处理工艺不适合两次以上的返工。这个时候也会选择复合的表面处理工艺，如沉金+OSP，目前智能手机等高端电子产品会选择这种处理工艺。
RoHS合规性 PCBA里的铅元素主要来源于元器件引脚、PCB焊盘和焊料。为了符合ROHS规定，PCB的表面处理方式也要符合ROHS规范。比如：沉金（ENIG）、沉锡、沉银和OSP等都复合ROHS规范。
金属键合 如果需要金线或铝线键合，可能仅限于ENIG、ENEPIG和软电解金。
焊点可靠性 PCB的表面处理工艺也会影响PCBA最终的焊接质量，如果需要高可靠的焊点，可以选择使用沉金或者镍钯金工艺。