為什麼銅氧化在 PCB 設計中很重要以及如何防止它

核心要點

銅氧化是 PCB 設計中的一個關鍵問題，直接影響可焊性、接觸電阻和長期可靠性。透過了解氧化如何形成及損害銅表面，設計人員可以藉由適當的表面處理（如 HASL、ENIG 和 OSP）、策略性的防焊層應用，以及嚴格遵循 IPC-1601 指南的儲存和處理規範，來有效防止氧化。保護銅免受氧化可確保更好的組裝良率、卓越的電氣性能，以及產品在實際應用中的耐用性。

當我們談到 PCB 中的銅時，我們討論的是最關鍵的元件。它是承載我們訊號的載體。在涉及高功率和高速 PCB 設計時，對銅的考量變得更加關鍵。之所以使用銅，是因為它具有較高的 導熱性 和最低的整體電阻。由於銅可以轉換成稱為基板的薄片，因此可以輕鬆地整合到 PCB 中。現代 PCB 使用不同的芯板和半固化片。但導電走線始終是相同的材料——銅。銅適用於從低速類比電路板到 gigabit 射頻設計的所有領域。但如果銅未被妥善保存，它會透過環境變數而氧化。這就是為什麼我們要麼用焊料合金對銅焊盤進行鍍錫，要麼使用 錫膏 覆蓋它們。當銅氧化時，它會透過增加接觸電阻來間接影響焊接性能。因此，下次您設計自己的電路板時，了解為什麼銅氧化在 PCB 設計中很重要是至關重要的。並進一步討論保護它的可能方法。

什麼是銅氧化？

銅氧化是銅與氧氣之間的化學反應。通常會因濕氣和溫度的存在而加速。在此過程中形成的主要表面化合物有：

• 氧化亞銅 (Cu₂O)：呈現紅色或粉紅色層
• 氧化銅 (CuO)：呈現深棕色至黑色層

隨著時間的推移，在侵蝕性環境中還可能形成其他腐蝕產物（如鹼式碳酸銅或氯化物）。在 PCB 上，這種氧化通常表現為：

• 暗淡變色的焊盤或走線，而非光亮的金屬銅
• 裸露銅面上的棕色或黑色變色

雖然非常薄的天然氧化層可能相對穩定，但隨著它變厚，很快就會成為可靠性問題。

銅氧化如何損害 PCB：

1. 可焊性差和焊接點缺陷：

氧化層是電絕緣的，且對焊料的化學反應性較低。當焊盤氧化時，熔融的焊料無法正確潤濕銅表面。這會導致冷焊點或因機械應力而破裂的焊點。因此，如果焊料無法正確附著在銅上，那麼焊接工作就會變得更加困難。在大量製造中，氧化程度的輕微增加就可能導致顯著的良率損失。

2. 接觸電阻增加和訊號損失：

在裸露的焊盤、測試點或連接器接點上，氧化會增加接觸電阻。這可能導致電源層和焊盤上的電壓降，以及高頻下的插入損耗。局部腐蝕會擾亂走線和返迴路徑的有效截面。隨著時間的推移，這會導致眼圖和誤碼率性能下降。眼圖的詳細資訊在另一篇文章中討論。

3. 長期腐蝕與開路/短路故障：

在潮濕或受污染的環境中，氧化通常只是第一步。如果暴露在污染物中，離子殘留物會加速：

• 防焊層下腐蝕
• 電化學遷移 (ECM)

4. 保存期限與製造問題：

裸銅表面的保存期限有限。即使在組裝之前，儲存期間的氧化也可能使電路板無法焊接。行業指南遵循 IPC-1601，強調暴露於濕氣和污染物會隨著時間降低焊接性能。因此，應注意將銅儲存在適當的包裝中。

氧化發生的地點與時機：

銅氧化可能發生在幾個階段：

1. 製造後（裸板儲存）： 當電路板在組裝線上等待時。
2. 組裝期間： 在預烘烤週期和焊料迴焊週期之間。

一個好的預防策略必須考慮所有三個階段——設計、製造和操作環境。並且從一個製程到下一個製程的延遲時間應足夠長，以避免氧化。

減少銅氧化的設計策略：

1. 選擇適當的 PCB 表面處理：

一個關鍵的設計階段決策是銅焊盤和裸露銅特徵上的表面處理。良好的表面處理可在保持可焊性的同時保護銅免受氧化。常見的選項包括：

• HASL （熱風焊料整平，含鉛或無鉛）
• OSP（有機可焊性保護劑）
• ENIG（化學鍍鎳浸金）
• ENEPIG（化學鍍鎳化學鍍鈀浸金）
• 浸鍍錫 (ISn) 和浸鍍銀 (IAg)

這些都在另一篇文章中討論過；您可以了解如何根據設計需求進行選擇。

2. 使用 防焊層 以減少裸露銅面：

防焊層不僅僅是為了防止焊料橋接；它也是一個主要的腐蝕屏障。設計規則是盡量減少不必要的裸露銅區域，並嚴格將防焊層開口定義在焊盤周圍。在易腐蝕環境中，對導通孔進行 蓋孔或塞孔處理 ，以防止濕氣進入。仔細進行 DFM 檢查，並遵守製造商的最小防焊層阻焊壩和間隙規則。

3. 控制板邊的銅暴露：

在板邊、開槽和安裝孔處，銅可能因撈邊或鑽孔而暴露。在腐蝕性環境中，這可能成為濕氣和離子物質的通道。良好的做法包括盡可能將銅層從邊緣內縮。並確保安裝焊盤，特別是如果連接到機殼時。

防止氧化的製造和處理實務：

即使有適當的表面處理和合理的佈局，不良的處理仍會迅速破壞可焊性。與您的 PCB 製造商和組裝廠協調至關重要。

1. 遵循 IPC-1601/1602 儲存指南：

IPC-1601 等行業標準提供了儲存和處理裸板以保持可焊性和防止氧化的建議：

• 我們可以將 PCB 儲存在帶有乾燥劑和濕度指示卡的密封防潮袋中。
• 控制儲存溫度和濕度，15–30 °C 最適合裸銅。
• 避免不必要的烘烤；這實際上可能會降低可焊性。

2. 盡量縮短製造與組裝之間的時間：

氧化是與時間相關的。電路板放置暴露的時間越長，氧化層生長得越多。最佳做法是規劃供應鏈，使電路板在製造後不久即進行組裝。並避免不必要的中間重新包裝/拆包循環。

3. 控制組裝環境和製程：

在組裝過程中，我們可以使用乾淨的手套或指套，防止皮膚油脂轉移到銅表面。避免錫膏印刷和迴焊製程之間的長時間延遲。並使用適當的助焊劑化學配方來去除薄氧化層，而不留下離子殘留物。

經濟實惠的高品質 PCB 製造

透過一站式解決方案節省時間和金錢，涵蓋製造、組裝和零件。
減少供應商協調，避免分批出貨，並獲得一致、可靠的品質——無需超出您的預算。獲取即時報價 >

關於銅氧化的常見問題

Q:  PCB 中的銅氧化是什麼？

銅氧化是一種化學反應，即 PCB 上裸露的銅與氧氣和濕氣反應，形成氧化亞銅 (Cu₂O) 或氧化銅 (CuO)。這表現為焊盤和走線上的暗淡、棕色或黑色變色。

Q: 為什麼銅氧化在 PCB 設計中很重要？

銅氧化會顯著降低可焊性、增加接觸電阻，並可能導致不良的焊點、訊號損失和長期可靠性問題。這在高速、高功率和高可靠性設計中尤為關鍵。

Q: 銅氧化如何影響焊接性能？

氧化層充當屏障，阻止熔融焊料正確潤濕銅表面。這會導致冷焊點、連接薄弱、缺陷率升高，以及組裝期間或實際應用中的潛在故障。

Q: 防止銅氧化的最佳方法是什麼？

最有效的方法包括：應用適當的表面處理（HASL、ENIG、OSP 等）；
使用防焊層覆蓋不必要的銅區域；  
遵循 IPC-1601 儲存指南，使用防潮袋；  
盡量縮短製造和組裝之間的暴露時間

Q:  哪種 PCB 表面處理最適合防止氧化？

這取決於應用。ENIG 提供優異的抗氧化性和平整度，HASL 具有成本效益，而 OSP 對於較短保存期限而言是一個經濟的選擇。對於高可靠性需求，通常首選 ENIG 或 ENEPIG。

Q: 裸 PCB 應如何儲存以避免氧化？

將 PCB 儲存在帶有乾燥劑和濕度指示卡的密封防潮袋中。保持溫度在 15–30°C 之間，盡量減少處理，並避免製造和組裝之間的長時間延遲。遵循 IPC-1601 指南以獲得最佳結果。

結論：

在本文中，我們詳細討論了銅氧化問題，以及防止它的適當方法和可以採取的預防措施。PCB 設計中的銅氧化不僅僅是表面層面的問題。總之，它透過影響銅表面來改變整體性能。以至於變得更難焊接，儘管內部走線特性在它侵蝕銅之前不會受到影響。您硬體的長期可靠性取決於您如何管理銅的氧化問題。在我自己的許多設計中，我總是使用錫膏並用 焊料合金 覆蓋裸露的銅。透過了解氧化的化學原理，PCB 設計人員和電子愛好者可以就表面處理做出決策。如果您將銅氧化視為一個設計參數，就像阻抗一樣，那麼您的電路板將會更順利地組裝。並且整體通過可靠性測試，在現實世界中存活更久。