多年来，各种表面处理已成功被应用作为PCB和封装基板的可焊接表面处理，即有机保焊剂（OSP），化学银（ImAg），化学锡（ImSn），化学镍金（ENIG）和化学镍钯金（ENEPIG）。 这些表面处理都有其优点和缺点，没有一种表面处理能适合所有应用。

随着系统设计人员不断响应新的性能需求，可以注意到ENIG/ENEPIG在许多可靠性优于成本的先进应用中一直是首选。

化学镍（EN）沉积层一直作为优良的阻挡层，防止底部铜迁移到外部的金或钯表面，使ENIG和ENEPIG表面具有强大的可焊性性能。然而，5G移动网络的导入对智能手机、网络和无线连接的需求不断增长，所有这些都需要增加“数据流”，而减少更高频率带宽下的信号损失变得至关重要。 镍的低电导率和磁性会影响电子信号，因为电子信号会沿着导体的外表面传播，导致更高频率的插入损耗。

因此，设计师和制造商正在寻找新一代的表面处理，以满足他们的性能标准。EPIG（无镍的化学钯金），银金（Ag-Au）以及从薄镍ENEPIG都引起了人们的关注。 接下来，本文将回顾并比较高频应用的候选表面处理的性能属性。

MacDermid Alpha Electronic Solutions与Rogers公司合作，评估各种表面处理对信号损耗的影响。随后，我们一起了解和比较其他关键和质量的性能指标，以作为各种应用的最终表面处理选择的指南。

工作计划

MacDermid Alpha在Rogers公司的支持下，首先使用微带测试方法和矢量网络分析仪评估表面处理对高达110 GHz信号损耗的影响。

选择的测试候选表面处理是：

• 标准ENEPIG（4μm化学镍/0.1μm钯/0.05μm金）

• 标准 ENIG（4μm化学镍/0.05μm金）

• 薄镍 ENEPIG（0.2μm化学镍/0.1μm钯/0.05μm金）

• 超薄镍 ENEPIG（0.1μm化学镍/ 0.1μm钯/ 0.05μm金）

• EPIG（0.1微米钯金/0.05微米金）

• 银金（0.15微米银/0.05微米金）

• 化学银（0.3μm）

• OSP（0.4微米）

在评估插入损耗后，根据其他性能标准评估每个表面处理：

• 高速球剪切力

• 焊料扩散测试 

• 跌落冲击评估

• 金和铝打线

• 焊点电迁移

在收集数据后，对其进行总结，并构建决策矩阵，使设计人员能够将性能要求与每种表面处理的能力进行比较。

插入损耗测试

通过微带电路的总插入损耗（αT）由四个不同的损耗分量组成，如方程式1所示：

其中 αD、 αC、 αR和 αL 分别表示介电损耗、导体损耗、辐射损耗和漏电损耗。如果传输线是理想的阻抗匹配电路，则总传输损耗能用两个主导因素来表示，即导体和介电损耗，如方程式2所示：[1]

影响传输线导体损耗的因素有很多，包括铜箔的表面粗糙度、集肤效应和导体的磁导率。集肤效应与表面处理密切相关。当信号频率增加时，传输线中流动的电流集中在铜箔的表面，而不是中心，这被称为集肤效应。 流在传输线表面的电流的集肤深度（Skin depth， δ） - 振幅可以使用下面的方程式3 [2， 3] 得出。

图1显示了铜 （Cu） 的集肤深度和传输线镀层材料的集肤深度 [4]。结果表明，钯的集肤深度最深。 其次顺序为金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）和镍（Ni）。 镍是铁磁性的，具有最高的磁导率、浅的集肤深度。而低电导率钯具有改善的集肤深度。在1 GHz时，镍的集肤深度小于0.5μm。

图 1： 铜和其他表面处理镀层的集肤深度 

我们与 Rogers 公司合作进行信号损失测试。

图2是Rogers信号损耗测试载具图。它包含相同的上半部分和下半部分。为了测试表面处理对信号损耗测试中的贡献，测试载具被切成两半。 一半镀有感兴趣的表面处理，另一半保持未镀。 两半都经过信号损耗测试。 两个信号损耗结果之间的差异等于表面处理的损耗。 未镀板上的数据称为结构损失。通过进行此测试，可以减少板与板间的差异性。

图2：Rogers信号损失测试载具由相同的上下半部分组成

插入损耗数据

为了简化数据分析，构建了一个堆叠条形图，如图3所示，重点关注实际应用中常用的三种频率。

• 6 GHz – 标准操作

• 40 GHz – 5G

• 77 GHz – ADAS

堆叠条形图包括两个组件。 首先，蓝色条表示由于测试载具的构造而造成的损失（使用只有铜的载具半部）。其次，红色条显示由于表面处理于同一测试载具的后半部分而产生的额外损失。

因此，条形的总高度代表结构和表面处理的总损失。

图 3 ： 代表性频率下由于结构（蓝色）和表面处理（红色）造成的信号损失

插入损耗数据分析

在图3中的每个频率组下，可以观察到每个蓝条高度的微小差异（结构损失）。

在理想情况下，我们希望观察到每个纯铜测试载具有相同的信号损失。然而，实验误差可能会降低测试之间的可重复性。纯铜测试载具之间观察到的差异被认为是由于信号损耗测量误差或更可能是每个测试载具之间结构的微小差异（蚀刻定义分辨率、线路均匀性、表面粗糙度等）。这些差异足够小，因此可以有效判断和比较每个表面处理的信号损失。

一旦考虑进微小的实验差异，就可以将表面处理测试候选者分为三类：

01 第一类

OSP和化学银显示不会在纯铜样品上增加额外的信号损失。银是比铜更好的导体，而OSP是超薄有机膜层，两种表面处理对信号损耗没有不利影响。

OSP 和化学银被证明是在高频操作下实现最佳性能的表面处理选择。

02 第二类

与所有其他测试候选表面处理相比，具有一般（4μm EN）厚度的ENIG和ENEPIG在纯铜样品上显示出显著的信号损失。如前所述，厚镍的磁性和低导电性限制了高频操作的适用性。

03 第三类

银-金、EPIG和薄镍ENEPIG选项都随着频率的增加表现出相似的插入损耗回应。 因此，很难说这三种表面处理中的任何一种在性能上是否有显著差异。

令人惊讶的是，使用无镍层的EPIG和银金选项并没有优于薄镍ENEPIG的表面处理。

尽管没有显示出OSP和化学银的完美高频性能，但第二类表面处理能够证明插入损耗比ENEPIG和ENIG有显著改善，并且很可能带来OSP和化学银无法实现的其他性能优势。

结论

ENIG和ENEPIG面临着更高频率的信号损失的挑战，OSP和化学银在纯铜样品上没有损失。

新一代表面处理（Ag-Au，薄镍 ENEPIG和EPIG）优于传统的ENIG和ENEPIG。 其他选择标准，如耐环境性、焊接性能、焊点可靠性和打线，使这些较新的表面处理对OSP和银无法满足性能需求的某些应用具有吸引力。

在即将发布的第 2 部分中，将介绍新一代和传统表面处理的高速球剪切力、跌落冲击、打线和焊点可靠性性能的数据回顾、检查和比较。 将包括 一个决策矩阵，以帮助设计人员将性能需求与表面处理能力保持一致。

作者：

Frank Xu, Ph.D and Martin Bunce – MacDermid Alpha

John Coonrod – Rogers Corporation

参考文献:

1. M. Sato, N. Obata, Y. Kokaji, K. Okubo, and O. Suzuki,"The study of Nano anchoring copper foil for PWB," 2017 International Conference on Electronics Packaging (ICEP), IEEE, 2017

2. John Coonrod, “Insertion Loss Performance Differences Due to Plated Finish and Circuit Structure”, Design 007, September 2019

3. John Coonrod, “The Effects of PCB Fabrication on High Frequency Electrical Performance”, IPC APEX EXPO, 2015

4. https://www.rfcafe.com/references/electrical/cond-high-freq.htm