La aventura del desarrollo de un dispositivo electrónico tiene tantas frentes que es entendible ver con detalle, entre otros temas, el correcto diseño del circuito, el stack-up, las pistas, las impedancias, los componentes, la disipación térmica y el proceso de ensamblaje, pero existe una decisión que muchas veces aparece casi al final de la especificación y se trata del acabado superficial que tendrá el cobre expuesto.
Los más usados, ENIG, HASL, OSP son las opciones más a mano y podemos pensar que son simplemente diferentes opciones de precio. Pero no es así, vale la pena recordar lo trascendental que puede ser la decisión, pues el acabado superficial puede influir en la soldabilidad, la planitud, el almacenamiento, la confiabilidad de las uniones y, en aplicaciones determinadas, incluso en el comportamiento eléctrico de la tarjeta.
Tipos de acabado superficial para circuitos impresos
- HASL – Hot Air Solder Leveling: La superficie de cobre se recubre con soldadura y posteriormente se nivela mediante aire caliente.
Es una solución robusta, ampliamente utilizada y de costo relativamente bajo, con muy buena soldabilidad. Su principal limitación es la planitud de la superficie, que puede convertirse en una consideración importante para componentes de paso fino, BGA, QFN y diseños de alta densidad.
- ENIG – Electroless Nickel / Immersion Gold: Consiste en una capa de níquel químico recubierta por una fina capa de oro por inmersión.
Su excelente planitud, soldabilidad y resistencia a la oxidación la hacen especialmente atractiva para BGA, QFN, fine-pitch y aplicaciones que requieren mayor vida de almacenamiento.
Pero ENIG tampoco es una solución universal. La calidad del proceso de deposición es fundamental y un proceso inadecuado puede generar fenómenos como Black Pad (la capa de níquel debajo del oro se corroe y se vuelve de un color oscuro o negro, otro día hablamos de este defecto), comprometiendo la confiabilidad de la unión soldada.
- OSP – Organic Solderability Preservative: En lugar de una capa metálica, OSP utiliza una película orgánica muy delgada para proteger el cobre de la oxidación.
Tiene excelente planitud y puede ser una alternativa muy interesante para determinados procesos SMT y producciones de alto volumen. Su principal consideración es que la protección depende mucho más de las condiciones de almacenamiento, manipulación y exposición a sucesivos procesos térmicos.
Otros acabados:
Immersion Silver (ImAg)
Immersion Tin (ImSn)
ENEPIG (Electroless Nickel / Electroless Palladium / Immersion Gold)
Oro electrolítico o Hard Gold
Estos últimos están destinados a aplicaciones específicas. IPC (conocida originalmente como el Institute for Printed Circuits y ahora llamada Asociación Global de Electrónica, es la asociación industrial global que crea los estándares y normas técnicas para el diseño, fabricación y ensamblaje de equipos electrónicos) señala precisamente que no existe un acabado superficial universal: cada uno tiene ventajas y limitaciones que deben relacionarse con la aplicación.
Problemas asociados con la mala selección del acabado superficial:
Una mala selección o un proceso deficiente del acabado puede generar una cadena de consecuencias:
- Manufactura: problemas de planitud, impresión de pasta, humectación, puentes o soldaduras deficientes.
- Confiabilidad: degradación de las uniones, corrosión o fallas después de múltiples ciclos térmicos.
- Rendimiento eléctrico: una unión o contacto deteriorado puede generar resistencia eléctrica adicional, calentamiento localizado, intermitencias o pérdida de integridad de la conexión.
- Ambientes agresivos: humedad, contaminantes y compuestos de azufre pueden favorecer procesos de corrosión. IPC ha documentado, por ejemplo, fenómenos de creep corrosion asociados a determinados acabados y condiciones ambientales.
- Vida útil: un problema que no aparece durante las primeras pruebas puede manifestarse después de meses o años de operación.
Implicaciones en el rendimiento eléctrico
Es en este aspecto donde la selección del acabado se vuelve más influyente. No podemos decir que por sí solo modifica significativamente el consumo energético del equipo, pero existen aplicaciones donde el acabado sí forma parte de la ecuación eléctrica.
En un contacto eléctrico, por ejemplo, un deterioro de la superficie puede aumentar o volver inestable la resistencia de contacto. Con corrientes importantes, esa resistencia puede convertirse en pérdidas y calentamiento localizado.
Y en diseños de alta velocidad o RF aparece otra consideración: las propiedades de la superficie conductora pueden contribuir a las pérdidas de señal.
A medida que aumenta la frecuencia, el efecto “skin” hace que la corriente se concentre cada vez más cerca de la superficie del conductor (por eso lo de “piel”), alejándose del centro. Por ello, la estructura y las propiedades de las capas superficiales dejan de ser únicamente un asunto de soldabilidad y comienzan a formar parte del análisis de integridad de señal.
Estudios publicados por IPC han medido diferencias de pérdida entre acabados superficiales en estructuras de alta frecuencia, demostrando que el efecto puede ser medible y que su importancia depende de la geometría, frecuencia y estructura eléctrica utilizada.
Esto no significa que un acabado sea bueno o malo para todas las aplicaciones de alta frecuencia. Significa que, cuando el diseño es sensible a pérdidas, el acabado debe formar parte de la simulación y del presupuesto de pérdidas.
Criterios para escoger el acabado superficial adecuado
Definitivamente no puede ser por precio, incluso por cuál sea el de mejor calidad, sino que el fondo de la respuesta es buscar el que ofrezca el mejor desempeño para la aplicación, para la manufactura y por supuesto, la vida útil del dispositivo.
Antes de seleccionarlo, deberíamos considerar al menos:
- Geometría y densidad: BGA, QFN, fine-pitch y requisitos de coplanaridad.
- Proceso de ensamblaje: cantidad de reflow, soldadura selectiva, wave soldering y retrabajos.
- Almacenamiento: tiempo, humedad, manipulación y condiciones ambientales.
- Confiabilidad: ciclos térmicos, vida útil esperada y condiciones de operación.
- Función eléctrica: si la superficie solamente se soldará o también será utilizada como contacto eléctrico.
- Desempeño de alta frecuencia: frecuencia de operación, presupuesto de pérdidas, impedancia controlada y características de la interconexión.
- Volumen y costo total: considerando scrap, retrabajo, defectos, garantías y costo durante el ciclo de vida.
A modo de conclusión:
Una pequeña especificación que merece una decisión grande que por supuesto implica entonces que haga parte del Diseño para Manufactura (DFM) y, cuando corresponda, del análisis de confiabilidad e integridad de señal desde las primeras etapas del proyecto.
ENIG, HASL u OSP no son simplemente tres precios diferentes para fabricar una PCB.
Son decisiones de ingeniería que pueden influir en cómo se fabrica, cómo funciona y cuánto tiempo funcionará nuestro producto.
*Artículo basado en casos de la vida real
