Al fine di evitare l’ossidazione del rame e garantire una buona saldabilità dei componenti, le superfici di un circuito stampato devono essere sottoposte a un processo di finitura. Ecco alcuni consigli che la aiuteranno a scegliere il metodo di finitura più adeguato alla sua applicazione.
La qualità della saldatura deriva dalla qualità iniziale (rispetto alla brasatura) del circuito stampato utilizzato e dei componenti elettronici montati sulle superfici; questa qualità è chiamata saldabilità. La finitura dei circuiti stampati – tramite metallizzazione o altro processo – ha come obiettivo preservare la saldabilità del metallo di base e fornire la miglior interfaccia possibile con il giunto saldato.
Se la sua applicazione gode di un’esenzione RoHS che le consente di utilizzare il piombo, potrà conservare lo stagno-piombo che è servito come maschera di incisione durante la fabbricazione del PCB; dopo la rifusione, l’SnPb rappresenta una buona finitura.
Tuttavia, la finitura di superficie predominante resta il metodo Hot Air Solder Leveling (HASL), che consiste nel realizzare un deposito selettivo di stagno-piombo tramite immersione in un bagno di lega in fusione poi livellamento ad aria calda. Questa finitura saldabile è da tempo riconosciuta come la più robusta che consente di ottenere assemblaggi coerenti. Tuttavia, presenta dei limiti a causa dell’aumento costante di complessità dei circuiti e di densità dei componenti.
I rivestimenti alternativi utilizzano l’elettrolisi o l’immersione
In seguito all’applicazione nel 2006 della direttiva RoHS, la scomparsa del piombo nei circuiti stampati ha portato alla comparsa di numerose alternative in materia di finiture. Queste consentono, da un lato di evitare l’utilizzo del piombo nell’insieme dei processi, dall’altro di realizzare rivestimenti sempre più sottili e passi più fini.
Organic Solderability Preservative (OSP) o passivazione organica
Il primo metodo che consideriamo è la passivazione organica, chiamata anche OSP (Organic Solderability Preservative). L’OSP è un processo di immersione o polverizzazione di un componente organico a base d’acqua che si lega selettivamente al rame creando uno strato organometallico protettivo.
Vantaggi
Il processo è semplice e poco costoso. Non utilizza materiali tossici e consuma meno energia rispetto agli altri processi. Produce superfici livellate e garantisce una bagnabilità sufficiente in caso di rifusione.
Inconvenienti
La durata di stoccaggio è breve, il numero di rifusioni è limitato e l’affidabilità degli assemblaggi non è eccezionale.
Le altre finiture che osserveremo avvengono per metallizzazione della superficie del rame tramite argento, stagno o oro. Tale metallizzazione viene eseguita tramite deposito chimico o deposito elettrolitico. Notare che la presenza di tali metalli, anche se in piccola quantità, modifica la natura della lega d’assemblaggio finale.
Hot Air Levelling o stagnatura tramite livellamento ad aria calda
La stagnatura tramite livellamento ad aria calda (Hot Air Levelling) è una variante dell’HASL che non impiega piombo: il circuito stampato, precedentemente inumidito con prodotti liquidi, viene immerso in un bagno di stagno-rame e quindi asciugato con aria compressa allo scopo di eliminare l’eccedenza della lega.
Vantaggi
La saldabilità e bagnabilità sono buone e il costo di produzione è basso.
Inconvenienti
La planarità non consente l’assemblaggio di componenti a passo fine e lo stagno si diffonde nel rame.
ENIG (Electroless Nickel/Immersion Gold)
Il processo ENIG (Electroless Nickel / Immersion Gold) consiste nel realizzare un deposito di nickel tramite via autocatalitica, quindi un deposito per immersione di un finissimo strato di oro. Il nickel protegge il rame e costituisce la superficie alla quale i componenti saranno saldati.
Impedisce anche la diffusione del rame nell’oro la cui funzione è proteggere il circuito durante lo stoccaggio. Esistono due varianti del processo:
- in alcuni casi, il deposito selettivo di nickel-oro può realizzarsi dopo aver depositato della vernice protettiva di saldatura;
- in altri, questo deposito avviene prima di quello della vernice protettiva sull’insieme del rame esterno.
La norma di riferimento è l’IPC-4552 Specification for Electroless Nickel/Immersion Gold (ENIG) Plating for PCBs.
L’ENIG si adatta perfettamente ai circuiti multistrato o che comportano componenti a passo fine. Viene utilizzato per circuiti stampati con inserto SMD.
Vantaggi
Deposito uniforme e perfettamente piatto, buona bagnabilità, possibilità di molteplici rifusioni, lunga durata di stoccaggio.
Inconvenienti
Costo di produzione elevato e rischio di difetti legato all’ossidazione del nickel prima dell’immersione nell’oro (chiamati black pad) che pongono problemi al momento della saldatura di BGA.
ENEPIG (Electroless Nickel / Electroless Palladium / Immersion Gold)
L’ENEPIG è un processo derivato dall’ENIG; lo strato intermedio di palladio consente di evitare l’ossidazione del nickel prima dell’immersione nell’oro (che genera difetti chiamati black pad).
La norma di riferimento è l’IPC-4556 Specification for Electroless Nickel/Electroless Palladium/Immersion Gold (ENEPIG) Plating for PCBs.
Vantaggi
Questa finitura supporta perfettamente rifusioni multiple, può garantire una buona saldabilità e consente di realizzare assemblaggi affidabili. Consigliata per il cablaggio alluminio e, soprattutto, consente di gestire la saldatura termosonica di fili d’oro.
Inconvenienti
Il costo generale è elevato, la saldabilità è ridotta poiché lo strato di Palladio è spesso e la bagnabilità non è eccellente.
Stagnatura o stagno chimico
La stagnatura (Tin Plating) è una finitura metallica applicata tramite una reazione di spostamento chimico direttamente sul rame della scheda. Questo antico processo ha conosciuto modifiche da qualche anno e le prestazioni della finitura sono migliorate. La norma di riferimento è l’IPC-4554 Specification for Immersion Tin Plating for PCBs.
La stagnatura è tornata di moda e dovrebbe diventare a breve la finitura preferenziale alternativa all’ENIG per le applicazioni CMS. Questa finitura è compatibile con gli assemblaggi tramite connessioni press-fit e assemblaggi di componenti a passo fine.
Vantaggi
Il deposito è uniforme e presenta una buona bagnabilità, sono possibili rifusioni multiple; la finitura è ideale per i connettori press-fit e le schede backplane.
Inconvenienti
Lo spessore è difficile da controllare, lo stagno si ossida facilmente e può sviluppare dei “baffi” (whiskers), minuscoli filamenti che possono provocare dei cortocircuiti. Lo stoccaggio è limitato a 6 mesi.
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Argentatura o deposito di argento chimico
Il deposito di argento chimico (Silver Plating) è ottenuto immergendo il circuito in una soluzione acida contenente sali d’argento. La norma di riferimento è l’IPC-4553 Specification for Immersion Silver Plating for PCBs.
Vantaggi
Deposito uniforme, buona bagnabilità, la soluzione ideale per l’incollaggio di fili d’argento
Inconvenienti
Breve durata di stoccaggio, ossidazione in presenza di zolfo o ossigeno.
Doratura elettrolitica con oro duro
Infine, l’oro duro (Hard Electrolytic Gold) è un processo elettrolitico durante il quale uno strato di oro viene applicato su uno strato di nickel. A differenza del processo ENIG, lo spessore dello strato d’oro può essere modificato giocando sulla durata del ciclo di placcaggio.
Vantaggi
L’oro duro è estremamente duraturo ed è spesso applicato nelle zone a forte usura quali gold fingers di connettori e tastiere. Più in generale, questa finitura viene utilizzata quando le superfici esposte della scheda sono sottoposte ad attrito, contatto mobile, sfregamento, collegamento-scollegamento, ecc.
Inconvenienti
L’oro duro non è generalmente applicato alle zone saldabili poiché il suo costo è elevato e la sua saldabilità è relativamente debole.
Come fare la propria scelta
Qualunque sia il tipo di circuito stampato e le specifiche richieste, vi suggeriamo di tenere in considerazione i seguenti criteri:
- Il costo
- L’ambiente di utilizzo del prodotto finito
- La finezza del passo
- La presenza o meno del piombo
- La possibilità di alte frequenze (per le applicazioni di radiofrequenza)
- La durata dello stoccaggio
- La resistenza alle cadute e agli urti
- La tenuta alla temperatura
- Il volume da produrre e la cadenza.
Per maggiori informazioni, consultare le norme IPC-2221B « Norma Generica di Produzione del Circuito stampato » e IPC-6012 « Specifica di qualifica e performance dei circuiti stampati rigidi ».
