¿Cúal es el Mejor Acabado Para Mi Circuito?
Para contestar a esta pregunta, primero es necesario conocer la importancia de los acabados en la PCB. Las placas de circuito impreso están protegidas en toda su superficie por una capa de tinta antisoldante (o solder mask), salvo en las zonas en las que se suelda un componente o en las que, por exigencia del diseño, tienen que estar libres de tinta. El cobre desprotegido se oxida fácilmente y esta oxidación dificulta el proceso de soldadura. Esta es la función principal del acabado: proteger el cobre para que el proceso de soldadura sea óptimo.
Un acabado ideal debería reunir las siguientes características: (1) coste reducido, (2) homogénea disposición del espesor del depósito y planitud del mismo, (3) capacidad para aguantar los ciclos de soldadura necesarios y (4) respeto al Medio Ambiente, Salud y Seguridad del personal al cargo del proceso. Existen multitud de acabados, pero nos centraremos en los que se considera son los más utilizados, versátiles y que abarcan alrededor el 85% de la producción a nivel mundial.
Hasta finales del siglo pasado, el acabado por excelencia era el HAL Sn63Pb37. La directiva RoHS adoptada por la Comunidad Europea y orientada a reducir el uso de algunas sustancias peligrosas en aparatos eléctricos y electrónicos, pone fin a su hegemonía, dando paso de forma definitiva a los acabados químicos lead-free.
Hoy en día, de los cinco acabados más utilizados, cuatro son químicos (Inm.Sn, Inm.Ag, OSP y ENIG) y comparten una característica muy valorada: la homogénea distribución del espesor del depósito y por tanto una excelente planitud. Sin embargo también comparten otra menos positiva: son muy sensibles a la manipulación y deben de extremarse las precauciones a la hora de manejar y almacenar circuitos con estos acabados.
Como todos los acabados tienen tantos defensores como detractores, es necesario conocer sus características más importantes para decantarse por uno u otro en función de las necesidades a cubrir.
HAL (Hot Air Levelling) RoHS
Sustituto por excelencia del histórico acabado Sn63Pb37. Se trata de una aleación de SnCu estabilizado con plata o níquel, pudiendo incluir este último, trazas de germanio. La aleación se deposita selectivamente sobre las zonas de cobre, y su espesor varía entre 2 y 30 μm (la superficie media aplicada oscila entre 4 y 8 μm). El acabado adopta un color gris brillante.
El proceso, muy similar al HAL Sn63Pb37, es muy conocido por los fabricantes de circuitos impresos, quienes valoran la rapidez y sencillez del control del depósito, su fácil reciclado, y el hecho de que los materiales se pueden conseguir fácilmente, ya que la aleación no introduce elementos nuevos sino que están presentes en la naturaleza. Además, es fácilmente reprocesable en caso de cualquier tipo de problema de contaminación o de falta de depósito en los pads.
Los gases generados durante la combustión del flux que activa el cobre, no lo convierten en el acabado más ecológico y tampoco en el trabajo mejor valorado por el operario.
El proceso para la placa es violento, ya que se sumerge durante 3-5 segundos en un crisol en el que la aleación permanece fundida a unos 270-275ºC. El exceso de aleación adherido al cobre, se elimina mediante soplado de aire a alta presión y temperatura elevada, que nivela el espesor de estaño en los componentes superficiales y lo elimina del interior de los taladros. Se necesita por ello un equilibrio entre exceso y falta de estaño. Normalmente el fabricante tiende al exceso de estaño, ya que aunque esta decisión provoca falta de planitud y cortocircuitos entre pads, un bajo espesor del mismo, podría originar intermetálicos en la superficie y una mala soldabilidad.
La agresividad del proceso, causa también dilataciones en el sustrato de la placa y pueden aparecer problemas de alabeo y curvatura. Además hay que tener en cuenta factores que sobrepasan el control por parte del fabricante. En componentes donde hay distintas orientaciones de los pads SMD, el soplado causará que en unos pads la nivelación del depósito sea mejor que en otros incluso situados a escasos milímetros. Por ello, para placas de una complejidad elevada se recomienda el uso de otras alternativas como ENIG, Inm.Ag o Inm.Sn.
Para el montador de la PCB, se trata de un acabado muy conocido y solicitado en placas de complejidad media, lo que unido a su bajo coste, su gran capacidad para aguantar varios ciclos de soldadura, su durabilidad (es el acabado que menos se degrada con el tiempo) y la gran resistencia que ofrece ante la manipulación, hace que todavía hoy sea muy demandado.
No debemos olvidar además, la robustez de la soldadura, ya que al generarse la unión entre cobre y estaño, se provoca una soldadura muy resistente entre dos metales, a diferencia de lo que ocurre con otros acabados.
ESTAÑO QUÍMICO (Inm.Sn)
Acabado compuesto por una capa de estaño de 1,1 - 1,2 μm de espesor, que se deposita químicamente y que sirve como protección del cobre descubierto (aplicación selectiva de estaño). El depósito adquiere un matizado tono gris oscuro.
El estaño químico muestra unas excelentes propiedades de soldabilidad, incluso después de múltiples ciclos de soldadura y es compatible con los mismos fluxes y parámetros utilizados para soldar circuitos con acabado HAL. Puede además, ser reprocesado en caso de problemas durante el proceso y “refrescado” una vez superado su periodo de caducidad.
Es susceptible de ser aplicado en diferentes sectores de la industria, tales como automoción, medicina, defensa y electrónica, tanto industrial como de consumo. En el ámbito industrial (montaje y soldadura), su aplicación es muy recomendada tanto para soldaduras eutécticas y lead-free como para aplicaciones press-fit y flip-chip. Presenta además una excepcional resistencia al crecimiento de Filamentos Anódicos Conductores (CAF).
Su principal característica es su excelente planitud. Debido a la alta solubilidad del estaño, la unión durante la soldadura se produce directamente entre el cobre de los pads y el estaño aportado (joint directo).
A pesar de las ya comentadas ventajas del acabado, la presencia de tiourea en el baño de estaño, no deja de suscitar algunas dudas en el fabricante de PCBs, a la hora de decantarse por este proceso. Además, la necesidad de aplicar altas temperaturas durante el proceso (80-85ºC durante varios minutos), puede provocar un estrés térmico importante en el circuito impreso, lo que obliga a tomar medidas, como modificar los parámetros de aplicación del solder mask.
Al formar intermetálicos con el cobre, el acabado se degrada fácilmente con el tiempo y la temperatura, por lo que será necesario realizar todos los pasos de soldadura tan seguidos como sea posible.
Los fabricantes de este acabado recomiendan enérgicamente que todos los taladros estén siempre descubiertos de solder mask, lo que deberá ser tenido en cuenta por el diseñador de la placa. Los taladros “blocked”, “semi-blocked”, “tented” o incluso “plugged”, pueden retener líquidos en su interior (micro ataques ácidos o desengrases) y provocar problemas de soldabilidad posteriores, o en el peor de los casos dañar o incluso la metalización del taladro.
NÍQUEL/ORO QUÍMICO (ENIG)
En este caso, el cobre se protege con una capa de 3-7 μm de níquel recubierta por una fina capa de oro de 0.05-0.10 μm. El NiAu se depositará químicamente solo en las zonas con cobre descubierto, que adquirirán un vivo color amarillento, permitiendo que la comprobación de la calidad del acabado por contraste sea muy sencilla. Es además, muy poco sensible a las marcas de los pines del test eléctrico (casi inapreciables).
El oro no se oxida, por lo que teóricamente es el menos afectado por las condiciones de almacenamiento y temperatura de todos los acabados químicos
Como todos los acabados químicos, presenta una excelente planitud del depósito y una gran soldabilidad, admitiendo varios ciclos de soldadura. El oro se disuelve instantáneamente en el solder, lo que proporciona una alta mojabilidad. El depósito de níquel bajo el oro presenta una alta robustez, aunque el hecho de que la soldadura se produzca entre el depósito de níquel y el estaño, puede causar fracturas en la soldadura debido a la alta dureza y fragilidad del níquel.
Sin embargo, para el fabricante no deja de ser un proceso relativamente complejo, con la dificultad añadida de que no puede retrabajarse, por lo que cualquier placa defectuosa deberá ser achatarrada. Como en el caso del Inm.Sn, la agresiva química del proceso, puede provocar un importante estrés térmico en el solder mask, lo que hace que se tengan que adoptar medidas para evitar su posible deterioro.
A pesar de que el ENIG es un acabado muy valorado por los montadores, el alto coste del mismo hace que no siempre pueda ser utilizado en sus productos. A nivel técnico, es una excelente opción tanto para placas complejas como de línea fina. Su gran durabilidad hace que en condiciones óptimas, su almacenamiento pueda llegar hasta los 24 meses sin producirse mermas en la soldabilidad.
PLATA QUÍMICA (Inm.Ag)
Acabado compuesto por una fina capa de 0,2 - 0,3 μm de plata, que se depositará químicamente en las zonas con cobre descubierto (aplicación selectiva de plata). El depósito, adquiere un tono gris claro bastante similar al del estaño químico. Al ser un metal noble, la plata presenta una gran resistencia a la oxidación.
La plata química es un acabado muy extendido en Asia y en USA y en los últimos años se ha abierto camino a pasos agigantados en los mercados europeos como alternativa a otros acabados químicos
Presenta una excelente soldabilidad que no se degrada tras varios ciclos de soldadura, y una alta solubilidad que hace que la unión se produzca entre cobre y estaño (joint directo). Además, es un proceso compatible con los mismos fluxes y parámetros que se utilizan para soldar circuitos con acabado HAL o Inm.Sn.
El tiempo extremadamente reducido del proceso unido a la baja temperatura utilizada, hace que los multicapas absorban menos humedad, eliminando muchos de los problemas relativos a este fenómeno.
Con respecto a otros acabados, se evita el shock térmico a 270-275ºC del HAL, lo que reduce el riesgo de rupturas del cobre en el interior de los taladros. Por otra parte, la menor temperatura de proceso hace que la adhesión del solder sea mucho mayor que en los acabados Inm.Sn y al ENIG.
Sus menores temperaturas de proceso, unido a un menor consumo de agua y sencillez en el tratamiento de efluentes, contribuyen a la protección del medio ambiente. Además, el hecho de ser un proceso limpio y sencillo, junto a la posibilidad de reprocesar el acabado en caso de problemas durante la producción, hace que sea muy valorado por los fabricantes.
La plata es muy sensible a ciertos compuestos, y en ambientes agresivos con presencia de sulfitos o cloruros, el depósito puede llegar a oxidarse. Si esta oxidación es severa, adaptando el color de la plata un tono negruzco, pueden aparecer problemas de soldabilidad.
PASIVADO ORGÁNICO (OSP)
Se trata de cubrir el cobre con una capa protectora no metálica (orgánica), cuyo espesor oscila entre 0.10 y 0.30 μm. Este depósito es incoloro, lo que a primera vista, puede dar la impresión de que el circuito no tiene ningún acabado encima del cobre.
El pasivado orgánico apareció como una de las primeras alternativas para reemplazar a los acabados basados en plomo a bajo coste
Su utilización más habitual es la electrónica de consumo. Permite la utilización de tecnología mixtas (Cu, Ni, Au, grafito conductor…) y es el acabado más económico. En términos de soldadura, la unión se genera directamente entre cobre y estaño, lo que provoca una soldadura muy resistente entre dos metales. Las ventajas más valoradas por el fabricante son la simplicidad del proceso, la alta productividad del mismo y la sencillez del reproceso en caso de fallo durante la fabricación.
Sin embargo, y dado que el depósito pasivado es transparente, el control visual del mismo no es sencillo. Además, presenta resistencia al contacto en su superficie, dando problemas durante el test eléctrico.
Es fácilmente deteriorable y por eso, tanto el almacenamiento como su manipulación deben de estar sujetos a condiciones muy controladas, o de lo contrario se podría degradar el depósito, provocando la oxidación del cobre.
En general es un acabado no muy apreciado por los montadores, ya que supone modificar los parámetros de montaje habituales. Además, el que tras la soldadura parte del cobre siga visible dando la sensación de una mala soldabilidad, que los PTHs tengan una soldabilidad baja, o que el acabado se deteriore fácilmente tras cada ciclo de soldadura necesitando retoques manuales, hace que sea un acabado poco atractivo. Es por ello, que en general prefieren trabajar con acabados metálicos que aguantan más choques térmicos.
CONCLUSIÓN
No hay un acabado ideal que agrupe todas los requerimientos deseados, sino que será necesario escoger el que para cada situación sea el más indicado.
Si necesitamos un acabado para una PCB de media complejidad con varios choques térmicos y con un coste relativamente bajo, podremos escoger un acabado HAL. Para placas sencillas con un choque térmico, poca cantidad de componente convencional PTH y en las que el coste sea prioritario, el OSP será una opción interesante. Para aplicaciones con alta exigencia técnica donde el coste es secundario podremos escoger un acabado ENIG para nuestro circuito. Para el resto de aplicaciones, un acabado Inm.Ag o Inm.Sn siempre sera una elección excelente.
