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多年來，各種表面處理已成功被應用作為PCB和封裝基板的可焊接表面處理，即有機保焊劑（OSP），化學銀（ImAg），化學錫（ImSn），化學鎳金（ENIG）和化學鎳鈀金（ENEPIG）。這些表面處理都有其優點和缺點，沒有一種表面處理能適合所有應用。
隨著系統設計人員不斷響應新的性能需求，可以注意到ENIG/ENEPIG在許多可靠性優于成本的先進應用中一直是首選。
化學鎳（EN）沉積層一直作為優良的阻擋層，防止底部銅遷移到外部的金或鈀表面，使ENIG和ENEPIG表面具有強大的可焊性性能。然而，5G移動網絡的導入對智能手機、網絡和無線連接的需求不斷增長，所有這些都需要增加“數據流”，而減少更高頻率帶寬下的信號損失變得至關重要。鎳的低電導率和磁性會影響電子信號，因為電子信號會沿著導體的外表面傳播，導致更高頻率的插入損耗。
因此，設計師和制造商正在尋找新一代的表面處理，以滿足他們的性能標準。EPIG（無鎳的化學鈀金），銀金（Ag-Au）以及從薄鎳ENEPIG都引起了人們的關注。接下來，本文將回顧并比較高頻應用的候選表面處理的性能屬性。
MacDermid Alpha Electronic Solutions與Rogers公司合作，評估各種表面處理對信號損耗的影響。隨后，我們一起了解和比較其他關鍵和質量的性能指標，以作為各種應用的最終表面處理選擇的指南。
工作計劃
MacDermid Alpha在Rogers公司的支持下，首先使用微帶測試方法和矢量網絡分析儀評估表面處理對高達110 GHz信號損耗的影響。
選擇的測試候選表面處理是：
? 標準ENEPIG（4μm化學鎳/0.1μm鈀/0.05μm金）
? 標準 ENIG（4μm化學鎳/0.05μm金）
? 薄鎳 ENEPIG（0.2μm化學鎳/0.1μm鈀/0.05μm金）
? 超薄鎳 ENEPIG（0.1μm化學鎳/ 0.1μm鈀/ 0.05μm金）
? EPIG（0.1微米鈀金/0.05微米金）
? 銀金（0.15微米銀/0.05微米金）
? 化學銀（0.3μm）
? OSP（0.4微米）
在評估插入損耗后，根據其他性能標準評估每個表面處理：
? 高速球剪切力
? 焊料擴散測試?
? 跌落沖擊評估
? 金和鋁打線
? 焊點電遷移
在收集數據后，對其進行總結，并構建決策矩陣，使設計人員能夠將性能要求與每種表面處理的能力進行比較。
插入損耗測試
通過微帶電路的總插入損耗（αT）由四個不同的損耗分量組成，如方程式1所示：
其中 αD、 αC、 αR和 αL 分別表示介電損耗、導體損耗、輻射損耗和漏電損耗。如果傳輸線是理想的阻抗匹配電路，則總傳輸損耗能用兩個主導因素來表示，即導體和介電損耗，如方程式2所示：
影響傳輸線導體損耗的因素有很多，包括銅箔的表面粗糙度、集膚效應和導體的磁導率。集膚效應與表面處理密切相關。當信號頻率增加時，傳輸線中流動的電流集中在銅箔的表面，而不是中心，這被稱為集膚效應。流在傳輸線表面的電流的集膚深度（Skin depth， δ） - 振幅可以使用下面的方程式得出。
圖1顯示了銅 （Cu） 的集膚深度和傳輸線鍍層材料的集膚深度 [4]。結果表明，鈀的集膚深度最深。其次順序為金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）和鎳（Ni）。鎳是鐵磁性的，具有最高的磁導率、淺的集膚深度。而低電導率鈀具有改善的集膚深度。在1 GHz時，鎳的集膚深度小于0.5μm。
圖 1：銅和其他表面處理鍍層的集膚深度?
我們與 Rogers 公司合作進行信號損失測試。
圖2是Rogers信號損耗測試載具圖。它包含相同的上半部分和下半部分。為了測試表面處理對信號損耗測試中的貢獻，測試載具被切成兩半。一半鍍有感興趣的表面處理，另一半保持未鍍。兩半都經過信號損耗測試。兩個信號損耗結果之間的差異等于表面處理的損耗。未鍍板上的數據稱為結構損失。通過進行此測試，可以減少板與板間的差異性。
圖2：Rogers信號損失測試載具由相同的上下半部分組成
插入損耗數據
為了簡化數據分析，構建了一個堆疊條形圖，如圖3所示，重點關注實際應用中常用的三種頻率。
? 6 GHz – 標準操作
? 40 GHz – 5G
? 77 GHz – ADAS
堆疊條形圖包括兩個組件。首先，藍色條表示由于測試載具的構造而造成的損失（使用只有銅的載具半部）。其次，紅色條顯示由于表面處理于同一測試載具的后半部分而產生的額外損失。
因此，條形的總高度代表結構和表面處理的總損失。
圖 3 ：代表性頻率下由于結構（藍色）和表面處理（紅色）造成的信號損失
插入損耗數據分析
在圖3中的每個頻率組下，可以觀察到每個藍條高度的微小差異（結構損失）。
在理想情況下，我們希望觀察到每個純銅測試載具有相同的信號損失。然而，實驗誤差可能會降低測試之間的可重復性。純銅測試載具之間觀察到的差異被認為是由于信號損耗測量誤差或更可能是每個測試載具之間結構的微小差異（蝕刻定義分辨率、線路均勻性、表面粗糙度等）。這些差異足夠小，因此可以有效判斷和比較每個表面處理的信號損失。
一旦考慮進微小的實驗差異，就可以將表面處理測試候選者分為三類：
01?第一類
OSP和化學銀顯示不會在純銅樣品上增加額外的信號損失。銀是比銅更好的導體，而OSP是超薄有機膜層，兩種表面處理對信號損耗沒有不利影響。
OSP 和化學銀被證明是在高頻操作下實現最佳性能的表面處理選擇。
02?第二類
與所有其他測試候選表面處理相比，具有一般（4μm EN）厚度的ENIG和ENEPIG在純銅樣品上顯示出顯著的信號損失。如前所述，厚鎳的磁性和低導電性限制了高頻操作的適用性。
03?第三類
銀-金、EPIG和薄鎳ENEPIG選項都隨著頻率的增加表現出相似的插入損耗回應。因此，很難說這三種表面處理中的任何一種在性能上是否有顯著差異。
令人驚訝的是，使用無鎳層的EPIG和銀金選項并沒有優于薄鎳ENEPIG的表面處理。
盡管沒有顯示出OSP和化學銀的完美高頻性能，但第二類表面處理能夠證明插入損耗比ENEPIG和ENIG有顯著改善，并且很可能帶來OSP和化學銀無法實現的其他性能優勢。
結論
ENIG和ENEPIG面臨著更高頻率的信號損失的挑戰，OSP和化學銀在純銅樣品上沒有損失。
新一代表面處理（Ag-Au，薄鎳 ENEPIG和EPIG）優于傳統的ENIG和ENEPIG。其他選擇標準，如耐環境性、焊接性能、焊點可靠性和打線，使這些較新的表面處理對OSP和銀無法滿足性能需求的某些應用具有吸引力。
在即將發布的第 2 部分中，將介紹新一代和傳統表面處理的高速球剪切力、跌落沖擊、打線和焊點可靠性性能的數據回顧、檢查和比較。將包括 一個決策矩陣，以幫助設計人員將性能需求與表面處理能力保持一致。
作者：
Frank Xu, Ph.D and Martin Bunce – MacDermid Alpha
John Coonrod – Rogers Corporation
編輯：黃飛
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工商網監
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