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[简中]PCB表面处理：喷锡板与沉锡板(化锡板)的差异与应用

在电子组装制造领域，PCB焊盘上通常会覆盖一层锡作为表面处理。这种设计是为了在电路板组装（PCBA）过程中更好地利用基于【锡】的焊膏来将电子元件焊接到PCB上。在正常情况下，锡层表面处理有助于焊接时的熔合效果。喷锡（HASL）和沉锡（Im-Sn）是两种常见的PCB表面涂锡技术。虽然它们在整体性能上大致相似，但在细节和应用场景上存在一定差异。

（这是一篇心得整理文，内容或许会有些错误，欢迎指证）

本文将从以下几个方面来详细解析喷锡板(HASL)与沉锡板(Immersion Tin)的差异与区别。

1. 喷锡板与沉锡板的制程工艺原理

喷锡板的英文名称为Hot Air Solder Leveling，简称HASL，中文实际名称为「热风焊锡整平」，它是一种将预制PCB浸入盛有融熔的锡池中，将PCB最外层裸露的铜表面用锡液沾附覆盖的处理方式，然后会再以热风形成的风刀来去除多余的锡液，并整平PCB的表面锡。

沉锡板的英文为Immersion Tin，我们一般会简称为Im-Sn，中文的实际名称为浸镀锡，它是将预制PCB浸入含有锡离子的化学溶液中，让锡离子还原成锡金属并沉积在铜焊盘表面，形成一层锡金属层，所以「沉锡板」又称为「化锡板」。

这两种锡层表面处理方式的制程工艺原理不同，导致了它们在实际应用中的优缺点也有所不同。

2. 喷锡板与沉锡板的成本和效率

从成本和效率的角度来看，喷锡板(HASL)的成本相对较低，生产效率也较高。因为喷锡板使用熔融锡液和热风平整，生产制程相对简单，不需要复杂的设备和条件。

沉锡板(化锡板)相对地需要较高的设备投入和生产成本，其生产效率相对较低。因此，在选择喷锡板还是沉锡板时，需要根据实际的生产需求和成本预算来进行权衡。

3. 喷锡板与沉锡板的性能和可靠性

喷锡板因为采用融熔锡液热风整平制程，所以，其锡层的厚度相对比较厚，但相对地其平整度也比较差，较不利于细间距零件。

而沉锡板因为采用化学沉积，所以锡层较为细致且平整，所以比较适合细间距零件焊接，但晶粒结构较为松散不够紧实，锡层厚度也可能较薄，可能较不利于第二面焊锡，因为第一次回焊时，第二面也会生成IMC，一旦锡层不足以应付后续的焊锡所需，就会弱化焊接强度。（根据IPC-4554的要求沉锡的厚度为：在2.25um²(3600mils²)焊盘上的沉锡厚度不得低于1.0um(40u”)，而且这个厚度还必需要控制在4个标准偏差的最小厚度内，典型的化锡层厚度范围在1.0µm~1.3µm(40~51µ”)，而一般IMC生成的厚度则落在1.0~5.0µm之间，很明显地，当使用沉锡板于双面SMT制程时，其第二面的锡层很有可能会在第一次过回焊时就全部消耗一空形成IMC，而无法与锡膏中的锡形成良好的结构，除非要求特别加厚化沉锡的厚度，否则第二回焊面的焊锡质量很有机会出问题。）

然而，不论是喷锡板或沉锡板，当他们使用于双面SMT制程时，因为第二面在第一次回焊时就跟着经历了一次回焊高温的洗礼，所以第二面都极容易发生锡层重新熔融而产生锡珠或类似水珠受重力影响形成滴落球状的锡点，容易造成表面更不平整，进而影响焊锡问题，特别是喷锡板的锡一般较厚，更容易造成第二面的表面不平整。

另外，第二面(2nd side)可能在第一次回焊(1st reflow)后就开始发生锡氧化状况(锡层表面形成钝化锡)，或是IMC增厚的影响而吃掉原本的锡层，进而影响到第二面的焊性问题，尤其容易发生在锡层厚度不足的板子上。

综合上述说明，在性能和可靠性方面，喷锡板和沉锡板各有优势，整理如下：

• 焊盘表面平整度：沉锡板的表面较平整，适合细间距组件，但在第二面回焊时仍需注意平面度是否在第一次回焊后发生重大变化；喷锡板的锡层则较不平整，可能比较不太适合精细零件的焊接。
• 热应力影响：沉锡板的锡为化学沉积，表面处理过程并没有使用高温，也未产生高温，对PCB的热应力影响较小；喷锡板使用融熔的锡液，使用温度必须高于锡的熔点( 231.9 °C)，一般温度通常超过260°C，可能因为热应力而增加PCB的翘曲或分层风险。
• 锡须产生：锡须的生成是一个复杂的过程，受到多种因素的共同作用。内应力是驱动锡须生长的主要原因，它的来源有温度变化导致金属膨胀的热应力、接口间金属互相扩散的化学应力、以及机械加工过程中产生的残留应力等。而晶粒结构、锡层厚度与成分、环境因素等则会影响内应力的产生和分布。基本上，晶粒越小，晶界就越多，晶界处更容易产生空隙和缺陷，成为锡须生长的起始点。锡层厚度不均匀或过薄，则容易产生应力集中。锡层成分的变化也会影响合金层的形成和扩散速率。这是因为锡层如果薄了，铜与锡之间的接口层也会相对变薄，这将加速扩散作用于铜层与锡层之间，一旦扩散作用使得锡层分布变得不均匀，就可能引起应力集中及内应力推挤出锡须。环境温度、湿度、电场等环境因素也会加速扩散作用，促进锡须生长。所以，在一般的情况下，沉锡板会比较有生出锡须的风险，特别是在高温高湿环境下，而喷锡板则相对较少发生此问题。这是因为喷锡板已经过一次高温生成比较厚的IMC层，降低了铜与锡之间的扩散作用，从而降低了内应力的积累，使得锡须较不易产生，而沉锡板在PCB阶段几乎没有IMC生成，就算是在高温焊接后其IMC相对喷锡板来说也比较薄，所以其阻隔铜锡间扩散作用会较差，使得内部应力积累较多，而较容易生成锡须。另外一个沉锡板比较容易生成锡须的原因是，沉锡板的锡一般比喷锡板来得纯，少了其他元素的影响。也就是说如果可以在锡层中添加某些元素(例如镍、铜、银)就可以有效抑制锡须的生长，因为这些元素会提前与锡形成化合物，阻碍锡原子的迁移，也会改变锡的原本结晶结构，降低晶界的数量。所以，一但上述的条件改变，沉锡板也可能比喷锡板更不易生成锡须。
• 可焊性及寿命：沉锡板为细致但较为松散的锡金属晶粒结构，在没有特殊要求的情况下沉锡板会比喷锡板来得薄，暴露于空气时，更容易增加氧气的侵蚀，导致锡层氧化，长期储存后可能因为铜与锡之间的扩散作用使得锡层变得更薄，可能增加底铜氧化的风险，相对比较可能影响可焊性，第二回焊面也可能因为锡层不足而影响焊接强度；而喷锡板因为经历过高温及风刀洗礼，锡层表面较为紧密，降低了氧气攻击锡层表面的接触面积，相对提高了抵抗氧化的能力，具有较好的储存稳定性。但也因为喷锡板已经过高温洗礼，相对地会生成比较厚的IMC，必须留意是否在焊接强度的可靠性上会有影响。

4. 喷锡板与沉锡板各自的应用范围

由于喷锡板和沉锡板拥有其各自的特点，它们的应用领域也有所不同。喷锡板主要应用于消费性电子产品、通信设备等领域，这些领域对成本和生产效率有较高的要求，另外，喷锡板的的表面平整度相对较差，容易产生锡珠，这在高密度组件的焊接中需要特别留意。而沉锡板因为表面较为平整，除了可以应用在高频通讯（因为锡层较均匀一致，提供较为稳定的导电路径）、光电航空航天、军事装备等领域外，也适合应用在有需要精细焊接的PCB，如BGA或是细间距零件。

综上所述，喷锡板和沉锡板在制程原理、成本和效率、性能和可靠性以及应用领域等方面都存在些微的差异。在选择喷锡板还是沉锡板时，需要根据实际的生产需求、成本预算、应用环境和性能要求进行综合考虑。

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