1、概述

PCB焊盘的表面处理主要有几方面的使用影响:

1、表面层的均匀性,影响焊盘平整度,从而影响印刷工艺窗限,尤其对细密间距的封装而言;同时影响高厚径比板的孔径公差控制。

2、表面层的材料特性、厚度等影响PCB可焊性。

3、影响可靠性,主要指表面层与焊料形成的IMC特性影响焊点可靠性,以及防止电迁移的可靠性。

另外,PCB焊盘表面处理技术的不同其加工难度稳定性和成本也有所不同,对环保的影响不同。因此,PCB的焊盘表面处理对后续的装联和使用很重要。


HASL,即热风整平,是传统的表面处理,这也是应用最成熟的技术。HASL不能得到非常平整的焊盘表面;整平时温度250~260℃,热冲击使板易翘曲,且易产生过多的脆性IMC(金属间化合物)。对于细间距器件,例如0.4QFP、0.8BGA因为HASL焊盘不平整,板变形,容易产生虚焊、连锡等焊点质量问题,相同条件下SMT直通率低于平整表面处理的板;有几篇资料都推荐QFP pitch0.65mm以下,BGA pitch1.0mm就不选用HASL。对于厚径比高的背板,压接孔径公差要求高,难以用HASL制作。而含铅废料的环保问题也是行业关心的热点,HASL采用的是锡铅焊料,不能满足此需求。


面对HASL的不足,业界发展了化学镍金、OSP、化学锡、化学银、化学钯等表面处理。化学镍金和OSP在业界已有几十年的使用历史,但其使用仍有约束性和不稳定性。 化学锡和化学银是近几年热点的表面处理方式,其适用性,还有待评估。本文针对这几种主要的PCB表面处理,介绍其应用状况、工艺流程和工艺特性,并进行了综合比较。最后对表面处理的研究方向提出建议。化学钯因为成本、工艺复杂等,目前在行业应用还不很多,便不在本文论述。

 

2、OSP的介绍

2.1 OSP的应用状况

 OSP,即有机可焊性保护剂,又称耐热预焊剂(Preflux),俗称防氧化剂。它是在铜表面涂覆一层薄的有机膜,防止铜表面氧化,保护其可焊性。 涂覆的主要机理是有机分子与铜离子形成配位键,从而形成络合物,在铜表面构成薄膜涂层。组装工艺中,OSP层溶于焊料,由Sn/Pb焊料和铜表面直接反应,形成铜锡IMC。业界常用的OSP药液是ENTHONE公司的Entek Plus Cu-106A,其主要成分是benzimidazole 苯并咪唑。

OSP已有二十几年的应用历史,用户有LUCENT、SIEMENS等; 2000年OSP占有欧洲高端产品市场的51.1%,占有美国市场的21.4%; 在日本有广泛的应用。应用领域包括通信、计算机、汽车、家电等行业。


2.2 OSP的工艺控制

OSP的工艺方法是在PCB完成阻焊膜和白字符制作并经过电测之后,再进行OSP处理,得到的有机耐热可焊性膜厚度是0.2~0.5um之间,分解温度可达300℃左右。其处理工艺步骤:

脱脂处理 → 微蚀→ 水洗 → 酸洗 → 纯水处理 → OSP药液 → 冷水清洗 → 干燥

脱脂处理:清除表面的油脂、杂质、污染物等。

微蚀 :微蚀铜面,获得新鲜的铜表面。

OSP药液:OSP药液与铜反应,获得一定厚度的有机薄膜。

水洗:清除上一道工序流下的化学残留物。清洗过程要防止对表面造成氧化或磨损。

对于OSP,可焊性的影响因素包括:

1)膜厚,0.3~0.4um时可焊性最佳;

2)保证各环境的清洗干净,防止表面污染;

3)存储运输防止OSP膜的损伤。


2.3 OSP的特性

通过对业界资料的分析,OSP的特性如下文所述。其优点主要有:

1)能在PCB板的裸铜部分形成一层均匀而致密的0.2~0.5μm厚度的保护膜。因而能保持焊盘的平整度和孔壁的均匀性。能满足高密组装和高厚径比板的需求。

2)所形成的均匀而致密的保护层具有很高的分解温度(或耐热性),经得起高密度双面表面安装时3~4次焊接。

3)加工中温度最高41~46 ℃,无热冲击,减少板变形和脆性IMC的形成,从而有利于焊点可靠性。

4)工艺控制简单,操作简便,易于操作和维护。操作环境好,污染少,易于自动化,并可重工。

5)成本低廉,可以说它是所有PCB表面涂(镀)覆可焊层中成本最低的加工工艺;而且可以重工。

6)满足环保需求。

其不足之处是:

1)但其与目前的波峰焊助焊剂不兼容,不能用于波峰焊和选择性波峰焊的板;润湿性没有HASL好,主要是插件孔可焊性没有HASL好。而大多数板都是需要波峰焊和选择性波峰焊的板,纯SMT板很少,使OSP的使用有较大限制。

2)所形成的保护膜极薄,易于划伤(或擦伤等),受热次数有限,使用操作中需严格遵守《PCB存储和使用规范》。

3)不适于WB(Wire Bonding)。

3、化学镍金的介绍

3.1 化学镍金的应用状况

化学Ni/Au表面镀层,是在印刷电路板做上阻焊膜之后制作上去的。镍层的厚度约5μm,而浸Au厚度可在0.05-0.15μm之间。焊接过程中,化学Ni/Au镀层的焊接性能是由Ni层来体现的,焊点形成镍锡IMC,Ni3Sn4;Au只是为了保护Ni的可焊性,焊接时Au溶于焊点,不形成IMC。

2000年化学镍金占有欧洲高端产品市场的38.1%,占有美国市场的7.5%。现在有很多专业制造商提供化学Ni/Au的制造工艺和产品,也都在自动线上规模生产。近年进入我国市场的供应商有,Atotech,MacDermid,OMI,LeaRonal,Shipley,上村等。目前以ATO公司产品占主导地位,在依利安达,昆山沪士电子,上海山崎,上海美维,天津普林,以及东莞生益厂家的自动线都采用ATO公司的Aurotech化学Ni/Au工艺。


3.2 化学镍金的工艺控制

以Aurotech化学Ni/Au工艺为例,如图所示:

酸洗 → 水洗→ 微蚀 → 水洗 → 预浸 → 活化 → 水洗 → 化学镀镍 → 水洗 → 化学浸金 → 回收 →水洗 →热水清洗 →干燥

酸洗、水洗:清除铜表面的油脂、杂质、污染物和轻微氧化物。

微蚀 :去除铜面氧化物,微蚀铜面,获得新鲜的铜表面,增强化学镍的密着性。

预浸、活化:在铜面置换一层钯,做为化学反应的触媒。

化学镀镍:形成约5 μm的镍层,含有8~10%的P。

化学浸金:置换反应形成金层。

水洗:清除上一道工序流下的化学残留物。

对于化学镍金,需要关注的监控点较多。主要包括:

1、金层厚度:浸金是通过置换反应形成的金层,一般难以做的太厚,最多不超过0.15um。作为可焊镀层Au的厚度不能太高,否则会产生脆性化合物和焊点不牢的故障,金含量不应超过3%;但Au层太薄,难免会有疏孔(Pore)存在,致使底镍未被完全保护。一旦停留在湿气环境中稍久,则将产生『贾凡尼』效应(Galvanic Effect)式的电化学腐蚀。也就说当疏孔面对电解质环境时,黄金层将扮演高贵而不腐蚀的『阴极』角色,但却强迫底镍层扮演加速腐蚀的『阳极』倒霉份子。一般EN/IG层根本无法通过『硝酸蒸气』对疏孔的检验法(IPC-TM-650,2,3,24,2),但却可采用『红血盐』试纸法(Potassium Ferricyanide)去检测疏孔所出现的蓝点。在100倍放大观察下,良好的化镍浸金层,其所出现的蓝点不可超过10 pores/mm2。 恶劣环境放置太久造成镍锈自疏孔向外冒出时,将会使得焊锡性变差,且该种镍锈也无法被一般助焊剂所能清除。

2、镍层厚度:化学镍是借助次磷酸盐在高温下(85到100摄氏度)使正二价的镍离子在催化表面还原为镍原子,新生的镍成为继续推动反应的催化剂,这样便可得到任意厚度的镍镀层。电镀镍或化学镍,对金与铜之间的迁移(Migration)或扩散(Diffusion)都具有阻绝效应,化学镍的阻绝效果更好。参见表1,各种电镀镍层厚度经1000小时高温考验后,其接触电阻值劣化的对照数据。当板子处于高温环境中时,金与铜的扩散将会增快,镍层过薄时,就会增加接触电阻,影响接触性,对于板边金手指而言,就会影响功能。但低温情况,扩散效应的影响不大。因此,对于接触性要求不高的位置,一般大于2.5um,就能满足要求。另外,镍层过薄,金铜扩散,也会影响可焊性。

表1   电镀镍层在不同高温经1000小时老化后接触性的保持情形
镍厚度65℃的接触性125℃的接触性200℃的接触性
0.0um100%40%0%
0.5um100%90%5%
2.0um100%100%10%
4.0um100%100%60%

3、P的含量:化学镍中实质是Ni-P合金,P可以增强镍的硬度和抗蚀性。如前所述,金镍会存在电化学腐蚀,如果P含量过低,焊盘表面的助焊剂或酸性物质,容易侵入腐蚀镍,在镍层形成局部的黑膜。一般要求P含量7~9%,Atotech推荐8~10%。P含量过高,会影响Au的置换。

4、镍层的污染钝化:化学镍金最后工序的清洗干燥不彻底,绿油残膜的污染,后期的酸碱物质的接触,金液的过渡腐蚀等,都会引起镍的污染和腐蚀,从而影响可焊性。

5、金层不致密:这在讲述金层厚度时,以及提及,金层疏散容易形成电化学腐蚀镍层。

6、杂质控制:例如Cu杂质含量偏高,会降低可焊性;Fe杂质会使表面粗糙。

3.3 化学镍金的特性
优点:

1)能保持PCB 焊盘的平整度,镀层均匀,能满足高密组装和高厚径比板的需求;

2)耐多次热冲击,适于接触键和Wire Bonding; Wire Bonding可以是铝线和金线,但对于金线需要更厚的金层,不太推荐ENIG。
3)加工中热冲击小(制作温度70~90 ℃),减少板变形。
缺点:

金层厚度需严格控制,过厚引起焊点脆性,过薄可焊性不良;润湿性没有HASL和OSP好;对阻焊膜材料有较高的要求;工序复杂,需要良好的工艺控制; 其药液是氰化物,需特别注意废料处理。

由于助焊剂活性较低,窗限较窄,更难克服化学镍金工艺波动带来的可焊性问题。因此,化学镍金不适合用于可靠性要求高的单板和背板,并且对于PCB可焊性,主要是插件孔可焊性,需要严格监管。HP公司和HADCO Corporation等对化学镍金的失效机制和控制措施已做了研究,可供借鉴。



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2016-07-14

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