Acabamento de superfície em placas de circuito impresso

Surface finish, ou Acabamento de Superfície, compõe uma interface crítica entre os componentes e o local onde serão posicionados para solda, também chamada de SMOBC (Solder Mask Over Bare Copper) – Máscara de solda sobre cobre exposto. Essa superfície, sem nenhum tratamento, ficaria com os pads de cobre expostos, o que resultaria em oxidação, deterioração e consequente perda de funcionalidade.

Placa de circuito exemplificada.
Figura 1 – Placa de circuito exemplificada.

O acabamento de superfície possui essencialmente duas funções:

  1. Proteger o circuito de cobre exposto;
  2. Prover uma superfície com maior solderabilidade, bem como reforçar o processo de montagem, promovendo uma junta de solda confiável com alto desempenho da PCB a longo prazo.  

A utilização das placas de circuito impresso é bastante ampla, desde a eletrônica de consumo básica, até equipamentos mais sofisticados que necessitem maior confiabilidade. A escolha de um acabamento deve ser feita de modo a atender alguns fatores, como: custo, desempenho, confiabilidade, produtibilidade, ambiente de exposição, método de montagem, etc.

Atualmente as empresas fornecem diversas opções. Neste artigo descreverei alguns do processos mais utilizados, listando as principais características, vantagens e desvantagens, fluxo do processo e, também, principais utilizações.

HASL/HASL Lead free

HASL (Hot Air Solder Level) – nivelamento de solda por ar quente – é o acabamento de superfície mais predominante na indústria. O processo consiste na imersão placas de circuito em uma liga de estanho / chumbo e, em seguida, remove-se o excesso de solda utilizando rajadas de ar, que sopram ar quente sobre a placa.

Vantagens

Baixo custo; processo de retrabalho é simples.

Desvantagens

Superfície final irregular; presença de chumbo; o choque térmico elevado durante o processo; reduz o tamanho das vias que atravessam as placas.

Fluxo do processo de produção

Limpeza – > Enxágue -> Microetch* -> Enxágue -> Fuxo -> Solda -> Faca de ar quente -> Limpeza -> Enxágue

PCB com acabamento de superfície HASL
Figura 2 – PCB com acabamento de superfície HASL
Ilustração do acabamento sobre o cobre exposto
Figura 3 – Ilustração do acabamento sobre o cobre exposto [1].

HASL Lead free utiliza o mesmo processo de produção, porém, devido à diretiva europeia criada em 2006 que virou lei em 2011 ROHS (Restriction of Certain Hazardous Substances), restringindo o uso de certas substâncias, entre elas o chumbo, muda-se a composição das ligas utilizando Estanho/Prata/Cobre, Estanho/Cobre/Cobalto ou Estanho/Cobre/Niquel/Germânio.

Imersão em Estanho

Immersion Tin, ou Imersão em estanho, é um processo de acabamento onde o estanho é depositado por uma reação química e, o fato do estanho ter afinidade com o cobre, acaba por aderir-se aos pads expostos, formando uma junção Estanho/Cobre, acarretando na proteção contra oxidação durante a vida útil da placa.

Vantagens

Superfície plana; sem presença de chumbo ou elementos proibidos; permite processos de retrabalho.

Desvantagens

Fácil de danificar através do manuseio; durante o processo utiliza-se um produto altamente cancerígeno (Thiourea); probabilidade de formação de Tin Whiskers**.

Fluxo do processo de produção

Limpeza -> Microetch -> Predip -> Aplicação de Estanho -> Postdip

Placa de circuito com acabamento em imersão em estanho.
Figura 4 – Placa de circuito com acabamento em imersão em estanho.
 Ilustração do acabamento utilizando imersão em estanho.
Figura 5 – Ilustração do acabamento utilizando imersão em estanho [1].

Imersão em Prata

Baseado, também, no processo de imersão citado anteriormente, no entanto, o elemento utilizado aqui é a prata. No processo uma camada com espessura fina é aplicada, conferindo boa aderência no processo de solda e uma superfície plana. É um processo bastante viável em placas que possuem pequenas distâncias entre pinos (pitch).

Vantagens

Vida útil elevada; sem presença de chumbo; facilidade no processo de assembly.

Desvantagens

Frágil contra ataques corrosivos.

Fluxo do processo de produção

Limpeza -> Microetch -> Predip -> Aplicação de Prata -> Postdip

Acabamento de PCB em imersão em prata.
Figura 6 – Acabamento de PCB em imersão em prata.
Ilustração do acabamento em imersão de prata[1].
Figura 7 – Ilustração do acabamento em imersão de prata[1].

OSP

OSP (Organic Solderability Preservative) – é o único processo no qual não é utilizado um metal para finalizar o acabamento. Assim, utiliza-se uma fina camada de um componente orgânico à base de água, o que forma uma camada organometálica incolor, preservando o cobre, exposto, da oxidação.

Vantagens

Superfície plana; sem presença de chumbo ou metais nocivos; processo simples; retrabalhável; custo baixo.

Desvantagens

Não é boa com PTH (Plated Through Holes)***; vida útil curta; pode ocasionar falhas durante  processo de ICT (In-Circuit-Test); sensível ao manuseio.

Fluxo do processo de produção

Limpeza -> Microetch -> Predip -> Flood OSP

Placa de PCB utilizando OSP como acabamento de superfície.
Figura 8 – Placa de PCB utilizando OSP como acabamento de superfície.
Acabamento de superfície com OSP

GOLD – ENIG

Electroless Nickel Immersion Gold é um tipo de acabamento muito utilizado nos Estados Unidos e, nos últimos anos, sua utilização vem crescendo pelo mundo. Seu custo é elevado quando comparado com acabamentos do tipo OSP ou HASL Lead free. O processo de sua produção também é mais complexo e demorado, já que envolve dois elementos (Níquel e Ouro). O Níquel forma uma barreira protetora para cobre, enquanto o ouro depositado através de um processo de imersão fornece vida útil longa e baixa resistência elétrica de contato.

Vantagens

Superfície Plana; sem presença de chumbo; bom para PTH; Vida útil elevada.

Desvantagens

Custo elevado; não permite retrabalho; perdas em RF; processo complexo.

Fluxo do processo produção

Limpeza – > Microetch -> Catalisador -> Níquel químico -> Enxágue -> Imersão em ouro -> Enxágue

Placa de circuito com acabamento ENIG.
Figura 10 – Placa de circuito com acabamento ENIG.
Ilustração das camadas em um processo ENIG
Figura 11 – Ilustração das camadas em um processo ENIG [1].

ENEPIG

Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold – Só pelo nome podemos ver que trata-se de processo bem complexo. É tido como um dos acabamentos mais duráveis para placas de circuito impresso. Utiliza três camadas com metais distintos o que confere propriedades de resistência à corrosão, o que aumenta consideravelmente a vida útil da placa.

Vantagens

Vida útil muito alta; resistente à corrosão; superfície plana; alta solderabilidade.

Desvantagens

Custo elevado; processo complexo; complicado para retrabalhos.

Placa de circuito utilizando acabamento ENEPIG.
Figura 12 – Placa de circuito utilizando acabamento ENEPIG.
Ilustração das camadas de metal para o processo ENEPIG.
Figura 13 – Ilustração das camadas de metal para o processo ENEPIG.

Gold – Hard Gold

Trata-se de uma camada de ouro colocada sobre outra de níquel que, por sua vez, reveste o cobre, é extremamente durável e comumente utilizada em locais com elevado desgaste, e contato com meio externo, como keypads e conectores.

Diferentemente do processo ENIG, a espessura da camada pode ser controlada através do tempo de exposição no processo de deposição. Geralmente esse acabamento não é aplicado em áreas de solda de componentes, pois o ouro possui baixa solderabilidade se estiver muito espesso.

Vantagens

Superfície durável e rígida; sem presença de chumbo; vida útil elevada.

Desvantagens

 Custo elevado.

Fluxo do processo produção

Aplicação de fita e resistência, Limpeza, Microetch -> Níquel Químico -> Enxágue -> Ouro eletrolítico -> Enxágue -> Strip resist/Tape -> Limpeza

Placa de circuito com acabamento em Hard-Gold.
Figura 14 – Placa de circuito com acabamento em Hard-Gold.
Ilustração das camadas em um processo de Hard Gold
Figura 15 – Ilustração das camadas em um processo de Hard Gold [1].

Conclusão

O acabamento de superfície desempenha um papel importante na indústria eletrônica e fabricação de PCB. Embora existam varias opções disponíveis, é importante selecionar um acabamento adequado que satisfaça os requisitos do projeto, levando em consideração fatores chave como: performance, manufaturabilidade e custos.

Caso haja dificuldades em escolher a melhor solução para o seu projeto, consulte um fabricante de PCB antes de fazer a seleção, visando garantir que a combinação do acabamento superficial e material resultará em um projeto de alto rendimento, baixo custo e, o mais importante, se alcançará o desempenho esperado.

Referências

[1] http://www.internationalcircuits.com/stackupsurfacefinish.html

[2]http://www.epectec.com/downloads/Article-PCB-Surface-Finishes-Advantages-and-Disadvantages.pdf

[3] http://www.epectec.com/downloads/surface-finishes.pdf

[4] http://www.lewayspcb.com/wp-content/uploads/PCB-Surface-Finishes-General-Review.pdf

*processo de limpeza que utiliza produto especifico.

**Tin Whiskers é um defeito que pode ocorrer durante o processo onde “pêlos ou cabelos” de estanho são formados na placa, podendo conectar pads adjacentes, acarretando em curto-circuito.

***O estresse térmico  faz com que o acabamento nas vias, por ser muito fina a camada, acaba rachando, provocando oxidação nesses lugares.

Engenheiro eletrônico pela Universidade de Brasília. Atualmente é mestrando em aeronáutica e aeroespacial na Universidade de Pequim, onde trabalha com desenvolvimento de satélites. Trabalha na LOOP Engenharia da Computação no desenvolvimento de projetos eletrônicos e cuida da fabricação e montagem de PCBs junto à empresas chinesas.

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Levi Vasconcellos Miranda
Levi Vasconcellos Miranda
17/07/2020 23:20

Parabéns por este artigo, estava a procura de mais informações a respeito. A propósito, trabalho nas horas de folga em manutenção de Desktops e Notebooks, por acaso você sabe me dizer onde encontrar as fitas “Pads”, ou seja, num de meus reparos ao extrair um CI smd veio junto a fita, base de solda do CI…se você souber onde encontrar este tipo de material, desde já agradeço!!!

Fig.1.jpg
Rubens Junior
Rubens Junior
17/06/2020 08:24

Excelente artigo!

Marcus NUnes
Marcus NUnes
16/01/2018 10:26

Parabéns pelo artigo, foi de muito informação para quem busca uma quantidade maior de subsídios. Caso tenha mais informações, peço que me repasse, estou montando um projeto sobre o assunto. Obrigado

Fernando Machado
Fernando Machado
08/09/2016 08:18

Parabéns pelo cunho elucidativo do artigo apresentado. Já conhecia alguns processos mas, outros foram novidade. Muito obrigado pela existência do “Embarcados”.

Felipe Iglesias
Felipe Iglesias
Reply to  Fernando Machado
11/09/2016 08:11

@disqus_LIng9PJa0r:disqus muito obrigado, e realmente são muitos processos existentes hoje na indústria de PCBA. Existem mais alguns, mas que são de aplicações muito mais específicas.

Euclides Franco de Rezende
Euclides Rezende
05/09/2016 19:23

Felipe. Parabens! Muito bom esse artigo!
Gostaria que me dissesse qual o nome do acabamento que é dado a uma trilha, ou detalhe, sobre uma trilha a qual não é aplicado a máscara de solda (o verniz sobre algumas trilhas não é colocado, mas sobre as outras ou no resto da placa, sim)?
Pois pretendo usar esse recurso em uma placa e não sei com que nome procurar algum tutorial de como fazer (uso o Eagle).
Obrigado.
Euclides.

Felipe Iglesias
Felipe Iglesias
Reply to  Euclides Rezende
07/09/2016 08:51

@euclidesrezende:disqus muito obrigado. bom, vou tentar ajudar você e esclarecer. Fiquei um pouco confuso quanto a idéia mas vamos lá. O soldermask ou “máscara de solda” é o acabamento (normalmente de cor verde) que cobre a superfície da PCB deixando exposto apenas o cobre dos PADs, onde futuramente serão soldados os componentes. Tem a finalidade de proteger as trilhas de cobre de oxidar, isolamento elétrico entre trilhas próximas e remove o solderbrigde que ocasiona curto-circuitos. Após aplicação do soldermask, silkscreen e termos a placa finalizada daí então teremos o acabamento de superfície que como explicado no artigo, protege o cobre… Leia mais »

Euclides Franco de Rezende
Euclides Rezende
Reply to  Felipe Iglesias
09/09/2016 00:39

Grato pela atenção Felipe.
Procurei mais informações baseado no que escreveu e achei sobre a camada tStop e bStop do Eagle. Vou procurar mais e ver se é o que preciso. Veja esta foto: http://www.audiodesignguide.com/Ibridone/NewPcb.jpg
Na placa embaixo, veja as trilhas grossas; É para adicionar solda e melhorar a capacidade de corrente da trilha.
Até a próxima.
Euclides.

Felipe Iglesias
Felipe Iglesias
Reply to  Euclides Rezende
11/09/2016 08:08

@euclidesrezende:disqus a figura ajudou a entender qual a sua intenção. No ALTIUM designer é bem simples, porém como não tenho muita familiaridade com o EAGLE andei pesquisando e você pode criar trilhas idênticas as que você quer expor, porém adicione-as às camadas tstop e bstop do seu projeto. Por outro lado, caso você queira expor uma área maior do cobre, basta criar um polígono e defini-los também nessas layers. As Layers tstop (top side solder stop mask) e bstop (bottom side solder stop mask) são camadas que dependendo do que estiver desenhado nelas, o solder mask não será aplicado na… Leia mais »

Euclides Franco de Rezende
Euclides Rezende
Reply to  Felipe Iglesias
11/09/2016 11:18

Olá Felipe.
Pesquisei e cheguei a mesma conclusão. Fiz um circuito e criei poligonos nessas camadas, gerei os Gerbers e coloquei em um visualizador de Gerbers. Aparentemente funcionou.
Enviei o arquivo .BRD para meu fornecedor de placas, mas não consegui ver se o software dele (que apresenta um exemplo de como a placa irá ficar), mostra na página.
Enviei por email, vamos ver se funciona.
Agradeço a atenção por enquanto.
Euclides.

Felipe Iglesias
Felipe Iglesias
Reply to  Euclides Rezende
12/09/2016 12:22

@euclidesrezende:disqus Muito bom,
se precisar de um help ou suporte na parte de design e/ou produção, fique a vontade para entrar em contato felipe@loopce.com

Mauricio De Freitas
Maurico
Reply to  Felipe Iglesias
27/12/2018 11:31

Sabe como se faz isso no Proteus?

Oliveira Fausto
Oliveira Fausto
01/09/2016 20:53

São artigos como este, que justifica as visitas, ao Embarcados. Parabéns!

Felipe Iglesias
Felipe Iglesias
Reply to  Oliveira Fausto
03/09/2016 22:54

Obrigado pelo comentário @oliveirafausto:disqus , isso me dá ânimo para escrever mais.

Jean
Jean
31/08/2016 21:03

Acredito que o post poderia ser mais explicativo. Por exemplo, citando que o acabamento ENIG e quase mandatorio em placas que possuem BGAs devido a coplanaridade dos PADs. Valeria a pena mostrar como cada acabamento se relaciona com os tipos de componentes a serem montados.

Felipe Iglesias
Felipe Iglesias
Reply to  Jean
03/09/2016 22:53

Jean, realmente esqueci de inserir esse tipo de informação que poderia deixar o artigo mais completo, como esse foi o primeiro, ficarei atento nos próximos. Obrigado pela dica.

Felipe Iglesias
Felipe Iglesias
Reply to  Jean
03/09/2016 22:55

@disqus_9VwW7VEMYL:disqus, realmente esqueci de inserir esse tipo de informação que poderia deixar o artigo mais completo, como esse foi o primeiro, ficarei atento nos próximos. Obrigado pela dica.

Fernando França
31/08/2016 08:53

Sensacional o artigo, parabéns. De fato a indústria possui processos bastante diversificados e é muito legal saber pelo menos do que se trata.

Felipe Iglesias
Felipe Iglesias
Reply to  Fernando França
03/09/2016 22:47

Caro Fernando, obrigado pelo comentário.
Sim, são muitos tipos e as vezes a gente nem sabe que existem. Estou tentando passar um pouco do que vou aprendendo, principalmente aqui na China.

Felipe Iglesias
Felipe Iglesias
Reply to  Fernando França
03/09/2016 22:56

@disqus_j5M5tY3v01:disqus, obrigado pelo comentário.
Sim, são muitos tipos e as vezes a gente nem sabe que existem. Estou tentando passar um pouco do que vou aprendendo, principalmente aqui na China.

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