מבוא
בייצור המודרני של לוחות PCB, גימור פני השטח הוא הרבה יותר משכבת הגנה — הוא משפיע ישירות על יכולת ההלחמה, האמינות, שלמות האות, והעמידה בתקנים סביבתיים כמו RoHS.
מדריך זה משווה בין גימורי פני השטח הנפוצים ביותר בלוחות PCB — HASL ללא עופרת, ENIG (ניקל כימי עם זהב בהשריה), כסף בהשריה, בדיל בהשריה, ו-OSP (שימור הלחמה אורגני) — בהתבסס על תהליכי הייצור שלהם, ביצועי ההלחמה, עלויות, והתאמה לסביבה.
מהו גימור פני שטח ללוח PCB?
גימור פני שטח ללוח PCB הוא ציפוי מגן שמיושם על משטחי הנחושת החשופים, כדי למנוע חמצון ולהבטיח הלחמה אמינה במהלך ההרכבה. מאחר שנחושת חשופה מתחמצנת במהירות, הגימור הוא חיוני לשמירה על יכולת ההלחמה והביצועים החשמליים.
גימורי פני שטח נפוצים כוללים:
- HASL (יישור בדיל באוויר חם – ללא עופרת)
- ENIG (ניקל כימי עם זהב בהשריה)
- כסף בהשריה
- בדיל בהשריה
- OSP (שימור אורגני ליכולת הלחמה)
טכנולוגיות גימור פני שטח נפוצות בלוחות PCB
1. HASL (יישור בדיל באוויר חם – ללא עופרת)
HASL נחשב לאחד הגימורים הוותיקים והחסכוניים ביותר. בתהליך זה, הלוח נטבל בתוך בדיל מותך ללא עופרת, ולאחר מכן מוסר עודף הבדיל בעזרת זרמי אוויר חם.
מתאים ביותר להרכבות כלליות ולתכנון כלכלי שאינו דורש רכיבים בצפיפות גבוהה או מרווחים קטנים.
יתרונות:
- יכולת הלחמה מצוינת, במיוחד לרכיבים מסוג Through-hole
- עלות נמוכה ותמיכה רחבה מיצרני PCB
- עמיד במספר מחזורי הלחמה (Reflow)
חסרונות:
- פני שטח לא אחידים — לא מתאים לרכיבי SMD צפופים
- עומס תרמי עלול לגרום לעיוות בלוחות דקים
- לא מתאים ל־HDI, BGA או עיצובים עם פדים קטנים
2. ENIG (ניקל כימי עם זהב בהשריה)
ENIG הוא תהליך ציפוי כימי דו-שלבי — שכבת ניקל כימי מונחת על הנחושת ולאחריה שכבת זהב דקה בהשריה.
משמש באופן נרחב לעיצובים בצפיפות גבוהה ובאמינות גבוהה.
מתאים במיוחד למוצרים עם BGA רבים, HDI, ויישומים הדורשים שטיחות גבוהה, עמידות לאורך זמן וחיי מדף ארוכים.
יתרונות:
- פני שטח שטוחים במיוחד — אידיאליים לרכיבי BGA ו־Fine-pitch
- חיי מדף ארוכים ועמידות גבוהה בפני קורוזיה
- תואם RoHS וללא עופרת
- מתאים לתהליכי ENEPIG וחיבורי חוטים (Wire bonding)
חסרונות:
- עלות גבוהה יותר לעומת HASL או OSP
- סיכון לפגם "פד שחור" אם התהליך אינו מבוקר
- תהליך ציפוי מורכב
3. כסף בהשריה (Immersion Silver)
תהליך כימי זה מחליף את שכבת הנחושת בשכבת כסף דקה. כסף בהשריה מציע ביצועים חשמליים מעולים ומתאים ליישומי תדר גבוה ו־Fine-pitch.
אידיאלי לעיצובי RF, דיגיטליים מהירים ויישומים רגישים לאות הדורשים שטח שטוח ויכולת הלחמה טובה בעלות מתונה.
יתרונות:
- יכולת הלחמה מצוינת ואמינות אות
- פני שטח שטוחים — תומך ב־SMD וב־BGA
- עלות נמוכה יותר מ־ENIG
- תואם RoHS
חסרונות:
- חיי מדף קצרים יותר; משחיר בקלות אם לא מאוחסן כראוי
- רגיש למגע, אריזה ותנאי אחסון
- לא אידיאלי להלחמות מרובות
4. בדיל בהשריה (Immersion Tin)
בדיל בהשריה מיישם שכבת בדיל אחידה ודקה על נחושת באמצעות תגובה כימית.
משמש לעיתים קרובות ליישומים עם מחברים או חיבור בלחיצה (Press-fit).
מתאים במיוחד למוצרי אלקטרוניקה צרכניים שבהם נדרשים יעילות עלות ושטח שטוח.
יתרונות:
- יכולת הלחמה טובה, במיוחד ל־Press-fit ו־SMT
- פני שטח שטוחים, מתאימים לרכיבי Fine-pitch
- פתרון חסכוני וללא עופרת
חסרונות:
- סיכון להיווצרות "זקיקי בדיל" (Tin Whiskers) לאורך זמן
- חיי מדף מוגבלים ורגישות לחמצון
- לא מתאים לאחסון ארוך טווח או סביבות קשות
5. OSP (שימור אורגני ליכולת הלחמה)
OSP יוצר שכבה אורגנית דקה המגינה על הנחושת החשופה. היא נשמרת עד לתהליך ההלחמה שבו היא מוסרת.
OSP מתאים במיוחד לייצור המוני של SMT שבו ההרכבה מתבצעת בסמוך לייצור, ותנאי התקציב נוקשים.
יתרונות:
- שטח שטוח מאוד — מעולה ל־SMT צפוף
- עלות נמוכה וידידותי לסביבה
- תהליך יישום פשוט ותואם RoHS
חסרונות:
- חיי מדף קצרים מאוד
- ביצועים חלשים בהלחמות מרובות
- לא מתאים להלחמת Through-hole או לתנאים קשים
השוואת ביצועים בין גימורי פני השטח
| גימור פני שטח | יכולת הלחמה | שטיחות פני השטח | חיי מדף | עלות | הערות |
|---|---|---|---|---|---|
| HASL (ללא עופרת) | טוב לרכיבי Through-hole, פחות מתאים ל-Fine-pitch | לא אחיד, לא מתאים ל-HDΙ | בינוני (כ-6–12 חודשים) | נמוכה | חסכוני אך לא מתאים ל-SMT בצפיפות גבוהה |
| ENIG | מצוין ל-SMT ו-BGA | מצוין (שטוח מאוד) | ארוך (>12 חודשים) | גבוהה | אידיאלי ל-HDΙ ולמוצרים בעלי אמינות גבוהה |
| כסף בהשריה | טוב, אך רגיש להשחרה | טוב | בינוני (כ-6 חודשים) | בינונית | מתאים לתדרים גבוהים; דורש טיפול עדין |
| בדיל בהשריה | טוב, אך יש סיכון ל"שערות בדיל" | טוב | בינוני (כ-6 חודשים) | בינונית | פחות נפוץ בשל סיכון השערות |
| OSP | מצוין ל-SMT בלבד | מצוין (שטוח מאוד) | קצר (כ-3–6 חודשים) | נמוכה מאוד | מתאים ביותר לייצור SMT בכמויות גדולות ובעלות נמוכה |
כיצד לבחור את גימור פני השטח המתאים
בחירת גימור פני שטח ללוח PCB תלויה בעיצוב המוצר שלך, בצרכי הביצועים ובתנאי הייצור. השתמש בקריטריונים הבאים כדי להנחות את החלטתך:
1. סוג רכיבים ומרווח (Pitch)
- SMT צפוף / BGA: השתמש בגימורים שטוחים כמו ENIG או OSP.
- רכיבי Through-hole: HASL הוא אמין ועמיד.
2. דרישות המוצר
- יישומים הדורשים אמינות גבוהה (כגון רכב, רפואי): בחר ב־ENIG.
- עיצובים בתדר גבוה: כסף בהשריה מציג ביצועים טובים עם איבוד אות נמוך.
- ייצור המוני רגיש לעלויות: OSP מציע עלות נמוכה ותואם SMT.
- אבות טיפוס או ייצור בכמות קטנה: HASL הוא מהיר וחסכוני.
3. תהליך ההרכבה
- הלחמות מרובות (Reflows): העדף את ENIG.
- הלחמה בגל (Wave Soldering): הימנע מ־OSP אלא אם מיושם באופן סלקטיבי.
- צורך בעבודת תיקון ידנית: HASL או ENIG הם אפשרויות בטוחות יותר.
4. אחסון וטיפול
- זמני אספקה קצרים: OSP מתאים.
- אחסון ממושך או עיכובי משלוח: השתמש ב־ENIG לחיי מדף טובים יותר.
שיקולי תכנון וייצור
1. ניהול אחסון וחיי מדף
לכל גימור פני שטח יש עמידות שונה בפני זמן אחסון וחשיפה סביבתית:
- OSP ו־כסף בהשריה רגישים מאוד ללחות ולזיהום. הם דורשים סביבה מבוקרת וזמן חשיפה מוגבל לפני ההרכבה.
- ENIG ו־HASL מציעים חיי מדף טובים יותר, אך עדיין עלולים להתדרדר בתנאי אחסון לא נאותים (כגון לחות גבוהה או חשיפה לאבק).
יש ליישם שימוש בשקיות מחסום ללחות (MBB), חומרי ייבוש (Desiccants), ובקרת מלאי מסוג FIFO (ראשון נכנס - ראשון יוצא) כדי להפחית סיכוני חמצון.
2. יכולת הלחמה לאורך זמן
גימורי פני שטח מתדרדרים עם הזמן, במיוחד לאחר מספר מחזורי חימום או אחסון ממושך:
- סרטי OSP עלולים להישחק עקב טיפול או הלחמות חוזרות.
- בדיל בהשריה עשוי לפתח "זקיקי בדיל" או מבנים בין-מתכתיים אם מאוחסן זמן רב מדי.
- HASL ו־ENIG מספקים יכולת הלחמה יציבה יותר לחלונות ייצור או תיקון ממושכים.
3. התאמה לעיצוב צפוף ול־Fine Pitch
לא כל הגימורים מתאימים לרכיבים בצפיפות גבוהה או מרווח קטן:
- ENIG ו־כסף בהשריה מציעים שטיחות מעולה, מה שהופך אותם לאידיאליים לעיצובים עם BGA, QFN, ומרווחים של 0.5 מ"מ.
- HASL (גם בגרסה ללא עופרת) יוצר פני שטח לא אחידים, דבר שעלול לגרום לגשרים בהלחמה או מגע לקוי בפדים צפופים.
- עבור לוחות HDI או מיקום רכיבים צפוף, תמיד בחר בגימורים עם מינימום שינויי עובי ושטיחות מעולה.
4. המלצות DFM (תכנון לייצור) לפי סוג גימור
יש להתאים קווים מנחים בתכנון וייצור בהתאם לגימור שנבחר:
- בדיל בהשריה (Immersion Tin): הימנע מתכנון עם נחושת חשופה העלולה לעודד היווצרות "זקיקי בדיל" (tin whiskers). שמור על הגדרה נקייה של הפדים כדי למנוע בעיות בציפוי.
- OSP: צמצם מגע מיותר או תהליכי ניקוי לאחר הגימור כדי לשמר את הציפוי האורגני.
- ENIG: ודא שליטה על עובי שכבת הניקל, והימנע מהסרה אגרסיבית של זהב במהלך תיקונים כדי להפחית את הסיכון ל"תופעת הפד השחור" (Black Pad).
5. התאמה לתהליך ההרכבה
חלק מהגימורים מתאימים יותר לתהליכי הרכבה מסוימים:
- OSP ו־כסף בהשריה מציגים את הביצועים הטובים ביותר בהלחמת Reflow אחת; הלחמות חוזרות עלולות לפגוע בביצועים.
- ENIG מסוגל להתמודד עם מספר הלחמות חוזרות ותיקונים באופן אמין יותר.
- עבור רכיבי Through-hole, HASL מספק מילוי חורים טוב יותר בזכות כיסוי הלחמה גבוה.
סיכום
לכל גימור פני שטח ב-PCB יש יתרונות וחסרונות ייחודיים. הבחירה הנכונה תלויה בגורמים כגון: צפיפות רכיבים, שיטת ההרכבה, מחזור חיי המוצר, ודרישות רגולטוריות.
- ENIG מציע שטיחות ועמידות מעולות לעיצובים בצפיפות גבוהה.
- OSP מהווה חלופה חסכונית להרכבות SMT בכמויות גדולות.
- HASL ללא עופרת, כסף בהשריה, ו־בדיל בהשריה מספקים אפשרויות מאוזנות לצרכים מגוונים מבחינת ביצועים ותקציב.
שילוב מוקדם של החלטות לגבי גימור פני השטח בתהליך התכנון והייצור מסייע במניעת בעיות תאימות ומבטיח ביצועים לטווח ארוך. על ידי התאמת הבחירה בגימור לדרישות הספציפיות של המוצר שלך, תוכל למקסם הן את האיכות והן את היעילות הכלכלית.
