Come scegliere il trattamento superficiale per la scheda PCB ad alta-frequenza? Analisi degli effetti dell'affondamento dell'oro, dell'argento e dello stagno sui segnali

Di seguito, analizzeremo sistematicamente la selezione del trattamento superficiale del PCB ad alta-frequenza in quattro dimensioni: principio dell'effetto pelle, meccanismo di influenza del segnale di tre processi, confronto dei dati misurati e decisione di selezione.

Di seguito, analizzeremo sistematicamente la selezione del trattamento superficiale del PCB ad alta-frequenza in quattro dimensioni: principio dell'effetto pelle, meccanismo di influenza del segnale di tre processi, confronto dei dati misurati e decisione di selezione.

2, L'influenza dell'ENIG sui segnali
Struttura e principio
La struttura del processo di deposizione dell'oro è: superficie di rame+strato di nichel (3-5 μ m)+strato d'oro (0,05~0,15 μ m). Lo strato d'oro è estremamente sottile e il vero corpo principale è lo strato di nichel.

Analisi dell'impatto del segnale
1. Aumento significativo delle perdite ad alta-frequenza
La resistività del nichel è più di quattro volte quella del rame e lo spessore dello strato di nichel (3-5 μ m) è molto maggiore della profondità della pelle a 10 GHz (0,66 μ m)
Le correnti ad alta frequenza si propagano quasi interamente all'interno dello strato di nichel, anziché nello strato di rame
Secondo test di settore, ENIG aumenta le perdite di circa il 19,3% rispetto al rame nudo a 10 GHz; Aumento di circa il 25,1% a 20 GHz
Alla banda di frequenza di 28 GHz, ENIG può introdurre un'ulteriore perdita di inserzione di circa 0,06-0,15 dB/cm rispetto al rame nudo

2. L'entità dell'impatto dipende dallo spessore dello strato di nichel
Lo strato di nichel è aumentato da 3 μm a 6 μm, con un conseguente aumento di circa il 15% nella perdita di segnale
Lo strato d'oro è aumentato da 0,03 μm a 0,1 μm e la perdita è aumentata di circa il 5% (l'impatto è molto inferiore a quello dello strato di nichel)

3. Altri rischi impliciti
Rischio del pad di saldatura nero: corrosione e ossidazione dello strato di nichel, resistenza meccanica estremamente bassa dei giunti di saldatura
La rugosità dello strato di nichel è relativamente elevata, aumentando ulteriormente l'impedenza e la riflessione del percorso

Limite di applicabilità
Quando la frequenza operativa è inferiore a 10 GHz e il budget delle perdite è limitato, il rapporto costi-complessivo è elevato
Scenari che richiedono archiviazione a lungo-termine (oltre 12 mesi) e molteplici riparazioni
Le frequenze delle onde millimetriche superiori a 20 GHz non sono consigliate

3, L'influenza dell'Immersion Silver sui segnali
Struttura e principio
L'argento che affonda deposita uno strato molto sottile di argento puro sulla superficie del rame attraverso una reazione di spostamento, con uno spessore solitamente compreso tra 0,1 e 0,3 μ m.

Analisi dell'impatto del segnale
1. Prestazioni ottimali ad alta-frequenza
La resistività dell'argento (1,59 μ Ω· cm) è leggermente inferiore a quella del rame, rendendolo il metallo più conduttivo tra tutti i metalli
Lo spessore dello strato d'argento (0,1~0,3 μ m) è più sottile rispetto alla profondità della pelle di 10 GHz (0,66 μ m) e la corrente ad alta-frequenza può ancora entrare bene nello strato di rame
La perdita aggiuntiva è quasi trascurabile ed è il processo di trattamento superficiale più semplice per i segnali ad alta-frequenza
2. Buona planarità della superficie
La superficie dello strato d'argento è densa e liscia, riducendo le perdite di dispersione causate dalla rugosità
Nella banda di frequenza delle onde millimetriche (sopra i 30 GHz), i vantaggi della planarità sono particolarmente significativi

Sfida sull'affidabilità (costo)
1. Migrazione dell'argento
In ambienti con elevata umidità e polarizzazione, gli ioni argento migrano lungo la superficie del PCB per formare cristalli dendritici
Potrebbero verificarsi perdite o addirittura cortocircuiti tra i pad di saldatura con una spaziatura fine (inferiore o uguale a 0,5 mm)
Particolarmente colpite sono le coppie differenziali ad alta frequenza o le linee a microstriscia
2. Solforazione e ossidazione
Estremamente sensibile ai solfuri, può cambiare colore dopo esposizione all'aria per diverse ore

Influisce sulla saldabilità e sulla stabilità della resistenza di contatto

Sigillare rigorosamente la confezione e controllare il tempo di esposizione prima di applicare il cerotto
3. Breve durata di conservazione
Di solito solo 6-12 mesi, molto inferiori agli oltre 12 mesi di immersione nell'oro

Limite di applicabilità
RF ad alta frequenza superiore a 10 GHz, onde millimetriche 5G, radar, comunicazione satellitare
Collegamenti di segnale ad alta velocità che richiedono una perdita di inserzione estremamente bassa
Utilizzare con cautela in ambienti ad alta umidità, esterni e industriali (che richiedono vernice a tre prove e una maggiore distanza tra i cuscinetti)
Prodotti per la conservazione a lungo termine

4, L'influenza dello stagno ad immersione sui segnali
Struttura e principio
Deposizione di uno strato di stagno puro sulla superficie di rame, tipicamente con uno spessore di 0,8-1,2 μ m.

Analisi dell'impatto del segnale
1. La perdita di alta-frequenza è significativamente maggiore di quella della deposizione di argento
La resistività dello stagno è 6,4 volte quella del rame (11,0 × 10 ⁻⁸Ω· m)
Lo spessore dello strato di stagno (0,8~1,2 μ m) si avvicina o supera la profondità della pelle (0,66 μ m) a 10 GHz
La corrente ad alta frequenza si propaga principalmente nello strato di stagno ad alta resistenza, con significative perdite di inserzione
2. Vantaggio di planarità (l'unico punto forte)
La superficie dello stagno depositato è estremamente liscia e la perdita di rugosità del conduttore è minima
Questo vantaggio avrebbe dovuto essere più evidente nella banda di frequenza delle onde millimetriche, ma è stato compensato dall’elevata resistività dello stagno stesso

Sfida sull'affidabilità
1. Crescita dei baffi di stagno
Durante il processo di rilascio dello stress dello strato di stagno, crescono spontaneamente baffi aghiformi di dimensioni micrometriche
Una spaziatura ridotta tra i cuscinetti di saldatura può causare cortocircuiti intermittenti
Minaccia a lungo termine per la coerenza dell'impedenza ad alta-frequenza
2. Crescita dello strato IMC
I composti intermetallici di rame-stagno (Cu ₆ Sn ₅, ecc.) continuano a crescere anche a temperatura ambiente
La resistività dell'IMC è molto più elevata di quella dello stagno puro e aumenta con l'invecchiamento
Il lento aumento della resistenza di contatto è inaccettabile per i dispositivi front-RF che richiedono un'elevata stabilità di fase
3. Durata di conservazione limitata
Lo stoccaggio a lungo termine è soggetto a ossidazione e scolorimento

Limite di applicabilità
Applicazioni a bassa frequenza inferiori a 10 GHz
Scenari con requisiti elevati di planarità e compatibilità di saldatura, come l'elettronica automobilistica e le schede di controllo industriali
Non consigliato per scenari RF/onde millimetriche
Applicazioni che richiedono stabilità di fase estremamente elevata

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• 6, Suggerimenti per la decisione di selezione
  Seleziona per scenario applicativo
  1. Millimeter wave/ultra-high frequency (>20 GHz, come onde millimetriche 5G, radar 77G)

  Consigliato: immersione in argento - con la perdita di alta-frequenza più bassa e le migliori prestazioni elettriche

  Misure di supporto: confezionamento sottovuoto, controllo del tempo di esposizione prima dell'applicazione di patch, applicazione di vernice a tre prove per sopprimere la migrazione dell'argento

  Se la capacità di controllo del processo di assemblaggio è elevata, l'OSP è l'opzione definitiva a basse perdite (ma ha un breve periodo di conservazione e non è resistente a molteplici riflussi)

  2. RF ad alta frequenza (5-20 GHz, come 5G Sub-6G, WiFi 6E)

  Prima scelta: argento affondante - prestazioni ottimali, considerando anche la saldabilità

  Alternativa: Affondamento dell'oro (quando il budget di perdita è sufficiente), prestare attenzione a controllare lo spessore dello strato di nichel entro 3-4 μ m

  3. Frequenza medio-bassa (<5 GHz)+high reliability requirements

  Prima scelta: oro affondante - forte resistenza all'ossidazione, lunga durata di conservazione, saldatura stabile

  Se i costi sono sensibili: deposito di stagno (notare il rischio di baffi di stagno e cuocere al forno per alleviare lo stress)

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  4. Scenari come i radar automobilistici che richiedono rigidità per la planarità

  Deposizione dello stagno+processo di riduzione dello stress da cottura - planarità ottimale, ma è richiesto un controllo rigoroso dei baffi di stagno e della crescita dell'IMC

  Supplemento importante: non ignorare la ruvidità della lamina di rame
  Indipendentemente dal trattamento superficiale scelto, la ruvidità della lamina di rame sottostante spesso ha un impatto maggiore sulle perdite ad alta-frequenza rispetto al trattamento superficiale stesso:

  Alle alte frequenze, la differenza nella perdita del conduttore causata dalla diversa rugosità può raggiungere 0,3~0,5 dB/nch

  Le schede ad alta frequenza devono essere accoppiate con lamine di rame a bassa rugosità VLP/HVLP e progettate insieme ai processi di trattamento superficiale

  Il precedente processo di microincisione può anche influenzare la ruvidità della superficie finale ed è necessaria una comunicazione chiara con la fabbrica del cartone

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