¿Cómo elegir el tratamiento de superficie para una placa PCB de alta-frecuencia? Análisis de los efectos del hundimiento del oro, la plata y el estaño en las señales

A continuación, analizaremos sistemáticamente la selección del tratamiento de superficie de PCB de alta-frecuencia desde cuatro dimensiones: principio de efecto superficial, mecanismo de influencia de la señal de tres procesos, comparación de datos medidos y decisión de selección.

A continuación, analizaremos sistemáticamente la selección del tratamiento de superficie de PCB de alta-frecuencia desde cuatro dimensiones: principio de efecto superficial, mecanismo de influencia de la señal de tres procesos, comparación de datos medidos y decisión de selección.

2, La influencia de ENIG en las señales.
Estructura y principio
La estructura del proceso de deposición de oro es: superficie de cobre+capa de níquel (3-5 μm)+capa de oro (0,05~0,15 μm). La capa de oro es extremadamente delgada y el verdadero cuerpo principal es la capa de níquel.

Análisis de impacto de señal
1. Aumento significativo de las pérdidas de alta-frecuencia
La resistividad del níquel es más de cuatro veces mayor que la del cobre y el espesor de la capa de níquel (3-5 μ m) es mucho mayor que la profundidad de la piel a 10 GHz (0,66 μ m).
Las corrientes de alta frecuencia se propagan casi por completo dentro de la capa de níquel, en lugar de en la capa de cobre.
Según pruebas de la industria, ENIG aumenta las pérdidas en aproximadamente un 19,3% en comparación con el cobre desnudo a 10 GHz; Aumento de aproximadamente un 25,1 % a 20 GHz
En la banda de frecuencia de 28 GHz, ENIG puede introducir una pérdida de inserción adicional de aproximadamente 0,06-0,15 dB/cm en comparación con el cobre desnudo.

2. El grado de impacto depende del espesor de la capa de níquel.
La capa de níquel aumentó de 3 μm a 6 μm, lo que resultó en un aumento de aproximadamente un 15% en la pérdida de señal.
La capa de oro aumentó de 0,03 μm a 0,1 μm y la pérdida aumentó aproximadamente un 5% (el impacto es mucho menor que el de la capa de níquel).

3. Otros riesgos implícitos
Riesgo de almohadillas de soldadura negras: corrosión y oxidación de la capa de níquel, resistencia mecánica extremadamente baja de las uniones soldadas
La rugosidad de la capa de níquel es relativamente alta, lo que aumenta aún más la impedancia del camino y la reflexión.

Límite de aplicabilidad
Cuando la frecuencia operativa es inferior a 10 GHz y el presupuesto de pérdidas es bajo, la rentabilidad integral-es alta
Escenarios que requieren almacenamiento-a largo plazo (más de 12 meses) y múltiples reparaciones
No se recomiendan frecuencias de ondas milimétricas superiores a 20 GHz.

3, La influencia de la plata de inmersión en las señales.
Estructura y principio
La plata que se hunde deposita una capa muy fina de plata pura sobre la superficie del cobre mediante una reacción de desplazamiento, con un espesor que suele oscilar entre 0,1 y 0,3 μm.

Análisis de impacto de señal
1. Rendimiento óptimo de alta-frecuencia
La resistividad de la plata (1,59 μ Ω · cm) es ligeramente menor que la del cobre, lo que lo convierte en el metal más conductor entre todos los metales.
El espesor de la capa de plata (0,1 ~ 0,3 μ m) es más delgado en comparación con la profundidad de la piel de 10 GHz (0,66 μ m), y la corriente de alta-frecuencia aún puede ingresar bien a la capa de cobre.
La pérdida adicional es casi insignificante y es el proceso de tratamiento de superficie más amigable para señales de alta-frecuencia.
2. Buena planitud superficial
La superficie de la capa de plata es densa y lisa, lo que reduce las pérdidas por dispersión causadas por la rugosidad.
En la banda de frecuencia de ondas milimétricas (por encima de 30 GHz), los beneficios de la planitud son particularmente significativos

Desafío de confiabilidad (costo)
1. Migración de Plata
En condiciones de alta humedad y ambientes polarizados, los iones de plata migran a lo largo de la superficie de la PCB para formar cristales dendríticos.
Pueden producirse fugas o incluso cortocircuitos entre terminales de soldadura con un espaciado fino (menor o igual a 0,5 mm).
Los pares diferenciales de alta frecuencia o las líneas microstrip se ven particularmente afectados.
2. Sulfurización y oxidación.
Extremadamente sensible a los sulfuros, puede cambiar de color después de una exposición al aire durante varias horas.

Afecta la soldabilidad y la estabilidad de la resistencia al contacto.

Sellar estrictamente el embalaje y controlar el tiempo de exposición antes de aplicar el parche.
3. Corta vida de almacenamiento
Por lo general, sólo entre 6 y 12 meses, mucho menos que los más de 12 meses de inmersión en oro.

Límite de aplicabilidad
RF de alta frecuencia por encima de 10 GHz, onda milimétrica 5G, radar, comunicación por satélite
Enlaces de señal de alta velocidad que requieren una pérdida de inserción extremadamente baja
Úselo con precaución en ambientes industriales, al aire libre y con alta humedad (lo que requiere pintura de tres pruebas y un mayor espacio entre las almohadillas)
Productos de almacenamiento a largo plazo

4, La influencia del estaño de inmersión en las señales.
Estructura y principio
Deposición de una capa de estaño puro sobre una superficie de cobre, típicamente con un espesor de 0,8 a 1,2 μm.

Análisis de impacto de señal
1. La pérdida de alta-frecuencia es significativamente mayor que la de la deposición de plata.
La resistividad del estaño es 6,4 veces la del cobre (11,0 × 10 ⁻⁸Ω· m)
El espesor de la capa de estaño (0,8 ~ 1,2 μ m) se aproxima o supera la profundidad de la piel (0,66 μ m) a 10 GHz
La corriente de alta frecuencia se propaga principalmente en la capa de estaño de alta resistencia, con una pérdida de inserción significativa.
2. Ventaja de la planitud (lo único destacado)
La superficie del estaño depositado es extremadamente lisa y la pérdida de rugosidad del conductor es pequeña.
Esta ventaja debería haber sido más prominente en la banda de frecuencia de ondas milimétricas, pero fue compensada por la alta resistividad del propio estaño.

Desafío de confiabilidad
1. Crecimiento del bigote de estaño
Durante el proceso de liberación de tensión de la capa de estaño, crecen espontáneamente bigotes en forma de agujas del tamaño de un micrómetro.
Un espacio estrecho entre las almohadillas de soldadura puede causar cortocircuitos intermitentes
Amenaza a largo plazo para la coherencia de la impedancia de alta-frecuencia
2. Crecimiento de la capa IMC
Los compuestos intermetálicos de cobre y estaño (Cu ₆ Sn ₅, etc.) continúan creciendo incluso a temperatura ambiente.
La resistividad del IMC es mucho mayor que la del estaño puro y aumenta con el envejecimiento.
El lento aumento de la resistencia de contacto es inaceptable para dispositivos frontales-de RF que requieren una alta estabilidad de fase.
3. Vida de almacenamiento limitada
El almacenamiento a largo plazo es propenso a la oxidación y la decoloración.

Límite de aplicabilidad
Aplicaciones de baja frecuencia por debajo de 10 GHz
Escenarios con altos requisitos de planitud y compatibilidad de soldadura, como electrónica automotriz y tableros de control industrial.
No recomendado para escenarios de RF/ondas milimétricas
Aplicaciones que requieren una estabilidad de fase extremadamente alta

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• 6, Sugerencias para la decisión de selección
  Seleccionar por escenario de aplicación
  1. Millimeter wave/ultra-high frequency (>20 GHz, como onda milimétrica 5G, radar 77G)

  Preferido: inmersión en plata - con la pérdida de alta-frecuencia más baja y el mejor rendimiento eléctrico

  Medidas de apoyo: embalaje sellado al vacío, control del tiempo de exposición antes del parcheo, aplicación de pintura de tres pruebas para suprimir la migración de plata.

  Si la capacidad de control del proceso de ensamblaje es sólida, OSP es la mejor opción de bajas pérdidas (pero tiene un período de almacenamiento corto y no es resistente al reflujo múltiple)

  2. RF de alta frecuencia (5-20 GHz, como 5G Sub-6G, WiFi 6E)

  Primera opción: hundir plata - rendimiento óptimo, teniendo en cuenta también la soldabilidad

  Alternativa: hundimiento de oro (cuando el presupuesto de pérdidas es suficiente), preste atención a controlar el espesor de la capa de níquel dentro de 3-4 μm

  3. Frecuencia media baja (<5 GHz)+high reliability requirements

  Primera opción: oro hundido - fuerte resistencia a la oxidación, larga vida útil, soldadura estable

  Si es sensible al costo: deposición de estaño (tenga en cuenta el riesgo de los bigotes de estaño y hornee para aliviar el estrés)

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  4. Escenarios como el radar automotriz que requieren rigidez para lograr planitud

  Proceso de deposición de estaño + alivio de tensión de horneado - planitud óptima, pero se requiere un control estricto de los bigotes de estaño y el crecimiento de IMC

  Suplemento importante: no ignore la rugosidad de la lámina de cobre
  Independientemente del tratamiento de superficie que se elija, la rugosidad de la lámina de cobre subyacente suele tener un mayor impacto en las pérdidas de alta-frecuencia que el tratamiento de superficie en sí:

  A altas frecuencias, la diferencia en la pérdida del conductor causada por diferentes rugosidades puede alcanzar 0,3~0,5 dB/nch

  Las placas de alta frecuencia deben combinarse con láminas de cobre de baja rugosidad VLP/HVLP y diseñarse junto con procesos de tratamiento de superficies.

  El proceso de micrograbado previo también puede afectar la rugosidad final de la superficie, y se requiere una comunicación clara con la fábrica de tableros.

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