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常見PCB表面處理工藝的特點、用途和發展趨勢

來源:PCB 日期:2019-07-12 瀏覽量:
 一. 引言

    隨著人類對于居住環境要求的不斷提高,目前PCB生產過程中涉及到的環境問題顯得尤為突出。目前有關鉛和溴的話題是最熱門的;無鉛化和無鹵化將在很多方面影響著PCB的發展。雖然目前來看,PCB的表面處理工藝方面的變化并不是很大,好像還是比較遙遠的事情,但是應該注意到:長期的緩慢變化將會導致巨大的變化。在環保呼聲愈來愈高的情況下,PCB的表面處理工藝未來肯定會發生巨變。

    二. 表面處理的目的

    表面處理最基本的目的是保證良好的可焊性或電性能。由于自然界的銅在空氣中傾向于以氧化物的形式存在,不大可能長期保持為原銅,因此需要對銅進行其他處理。雖然在后續的組裝中,可以采用強助焊劑除去大多數銅的氧化物,但強助焊劑本身不易去除,因此業界一般不采用強助焊劑。

    三. 常見的五種表面處理工藝

    現在有許多PCB表面處理工藝,常見的是熱風整平、有機涂覆、化學鍍鎳/浸金、浸銀和浸錫這五種工藝,下面將逐一介紹。

    1. 熱風整平(噴錫)

    熱風整平又名熱風焊料整平,它是在PCB表面涂覆熔融錫鉛焊料并用加熱壓縮空氣整(吹)平的工藝,使其形成一層既抗銅氧化,又可提供良好的可焊性的涂覆層。熱風整平時焊料和銅在結合處形成銅錫金屬間化合物。保護銅面的焊料厚度大約有1-2mil。 PCB進行熱風整平時要浸在熔融的焊料中;風刀在焊料凝固之前吹平液態的焊料;風刀能夠將銅面上焊料的彎月狀最小化和阻止焊料橋接。熱風整平分為垂直式和水平式兩種,一般認為水平式較好,主要是水平式熱風整平鍍層比較均勻,可實現自動化生產。熱風整平工藝的一般流程為:微蝕→預熱→涂覆助焊劑→噴錫→清洗。


    2. 有機涂覆(OSP)

    有機涂覆工藝不同于其他表面處理工藝,它是在銅和空氣間充當阻隔層;有機涂覆工藝簡單、成本低廉,這使得它能夠在業界廣泛使用。早期的有機涂覆的分子是起防銹作用的咪唑和苯并三唑,最新的分子主要是苯并咪唑,它是化學鍵合氮功能團到PCB上的銅。在后續的焊接過程中,如果銅面上只有一層的有機涂覆層是不行的,必須有很多層。這就是為什么化學槽中通常需要添加銅液。在涂覆第一層之后,涂覆層吸附銅;接著第二層的有機涂覆分子與銅結合,直至二十甚至上百次的有機涂覆分子集結在銅面,這樣可以保證進行多次回流焊。試驗表明:最新的有機涂覆工藝能夠在多次無鉛焊接過程中保持良好的性能。 有機涂覆工藝的一般流程為:脫脂→微蝕→酸洗→純水清洗→有機涂覆→清洗,過程控制相對其他表面處理工藝較為容易。

    3. 化學鍍鎳/浸金(化學沉金)

    化學鍍鎳/浸金工藝不像有機涂覆那樣簡單,化學鍍鎳/浸金好像給PCB穿上厚厚的盔甲;另外化學鍍鎳/浸金工藝也不像有機涂覆作為防銹阻隔層,它能夠在PCB長期使用過程中有用并實現良好的電性能。因此,化學鍍鎳/浸金是在銅面上包裹一層厚厚的、電性良好的鎳金合金,這可以長期保護PCB;另外它也具有其它表面處理工藝所不具備的對環境的忍耐性。鍍鎳的原因是由于金和銅間會相互擴散,而鎳層能夠阻止金和銅間的擴散;如果沒有鎳層,金將會在數小時內擴散到銅中去。化學鍍鎳/浸金的另一個好處是鎳的強度,僅僅5微米厚度的鎳就可以限制高溫下Z方向的膨脹。此外化學鍍鎳/浸金也可以阻止銅的溶解,這將有益于無鉛組裝。 化學鍍鎳/浸金工藝的一般流程為:酸性清潔→微蝕→預浸→活化→化學鍍鎳→化學浸金,主要有6個化學槽,涉及到近100種化學品,因此過程控制比較困難。

    4. 浸銀(沉銀)

    浸銀工藝介于有機涂覆和化學鍍鎳/浸金之間,工藝比較簡單、快速;不像化學鍍鎳/浸金那樣復雜,也不是給PCB穿上一層厚厚的盔甲,但是它仍然能夠提供好的電性能。銀是金的小兄弟,即使暴露在熱、濕和污染的環境中,銀仍然能夠保持良好的可焊性,但會失去光澤。浸銀不具備化學鍍鎳/浸金所具有的好的物理強度因為銀層下面沒有鎳。 浸銀是置換反應,它幾乎是亞微米級的純銀涂覆。有時浸銀過程中還包含一些有機物,主要是防止銀腐蝕和消除銀遷移問題;一般很難測量出來這一薄層有機物,分析表明有機體的重量少于1%。


    5. 浸錫(沉錫)

    由于目前所有的焊料都是以錫為基礎的,所以錫層能與任何類型的焊料相匹配。從這一點來看,浸錫工藝極具有發展前景。但是以前的PCB經浸錫工藝后出現錫須,在焊接過程中錫須和錫遷徙會帶來可靠性問題,因此浸錫工藝的采用受到限制。后來在浸錫溶液中加入了有機添加劑,可使得錫層結構呈顆粒狀結構,克服了以前的問題,而且還具有好的熱穩定性和可焊性。 浸錫工藝可以形成平坦的銅錫金屬間化合物,這個特性使得浸錫具有和熱風整平一樣的好的可焊性而沒有熱風整平令人頭痛的平坦性問題;浸錫也沒有化學鍍鎳/浸金金屬間的擴散問題——銅錫金屬間化合物能夠穩固的結合在一起。浸錫板不可存儲太久,組裝時必須根據浸錫的先后順序進行。

    6. 其他表面處理工藝

    其他表面處理工藝的應用較少,下面來看應用相對較多的電鍍鎳金和化學鍍鈀工藝。 電鍍鎳金是PCB表面處理工藝的鼻祖,自從PCB出現它就出現,以后慢慢演化為其他方式。它是在PCB表面導體先鍍上一層鎳后再鍍上一層金,鍍鎳主要是防止金和銅間的擴散。現在的電鍍鎳金有兩類:鍍軟金(純金,金表面看起來不亮)和鍍硬金(表面平滑和硬,耐磨,含有鈷等其他元素,金表面看起來較光亮)。軟金主要用于芯片封裝時打金線;硬金主要用在非焊接處的電性互連。


    考慮到成本,業界常常通過圖像轉移的方法進行選擇性電鍍以減少金的使用。目前選擇性電鍍金在業界的使用持續增加,這主要是由于化學鍍鎳/浸金過程控制比較困難。 正常情況下,焊接會導致電鍍金變脆,這將縮短使用壽命,因而要避免在電鍍金上進行焊接;但化學鍍鎳/浸金由于金很薄,且很一致,變脆現象很少發生。


    化學鍍鈀的過程與化學鍍鎳過程相近似。主要過程是通過還原劑(如次磷酸二氫鈉)使鈀離子在催化的表面還原成鈀,新生的鈀可成為推動反應的催化劑,因而可得到任意厚度的鈀鍍層。化學鍍鈀的優點為良好的焊接可靠性、熱穩定性、表面平整性。

    四. 表面處理工藝的選擇

    表面處理工藝的選擇主要取決于最終組裝元器件的類型;表面處理工藝將影響PCB的生產、組裝和最終使用,下面將具體介紹常見的五種表面處理工藝的使用場合。

    1. 熱風整平(噴錫)

    熱風整平曾經在PCB表面處理工藝中處于主導地位。二十世紀八十年代,超過四分之三的PCB使用熱風整平工藝,但過去十年以來業界一直都在減少熱風整平工藝的使用,估計目前約有25%-40%的PCB使用熱風整平工藝。熱風整平制程比較臟、難聞、危險,因而從未是令人喜愛的工藝,但熱風整平對于尺寸較大的元件和間距較大的導線而言,卻是極好的工藝。在密度較高的PCB中,熱風整平的平坦性將影響后續的組裝;故HDI板一般不采用熱風整平工藝。隨著技術的進步,業界現在已經出現了適于組裝間距更小的QFP和BGA的熱風整平工藝,但實際應用較少。目前一些工廠采用有機涂覆和化學鍍鎳/浸金工藝來代替熱風整平工藝;技術上的發展也使得一些工廠采用浸錫、浸銀工藝。加上近年來無鉛化的趨勢,熱風整平使用受到進一步的限制。雖然目前已經出現所謂的無鉛熱風整平,但這可將涉及到設備的兼容性問題。

    2. 有機涂覆(OSP)

    估計目前約有25%-30%的PCB使用有機涂覆工藝,該比例一直在上升(很可能有機涂覆現在已超過熱風整平居于第一位)。有機涂覆工藝可以用在低技術含量的PCB,也可以用在高技術含量的PCB上,如單面電視機用PCB、高密度芯片封裝用板。對于BGA方面,有機涂覆應用也較多。PCB如果沒有表面連接功能性要求或者儲存期的限定,有機涂覆將是最理想的表面處理工藝。

    3. 化學鍍鎳/浸金(化學沉金)

    化學鍍鎳/浸金工藝與有機涂覆不同,它主要用在表面有連接功能性要求和較長的儲存期的板子上,如手機按鍵區、路由器殼體的邊緣連接區和芯片處理器彈性連接的電性接觸區。由于熱風整平的平坦性問題和有機涂覆助焊劑的清除問題,二十世紀九十年代化學鍍鎳/浸金使用很廣;后來由于黑盤、脆的鎳磷合金的出現,化學鍍鎳/浸金工藝的應用有所減少,不過目前幾乎每個高技術的PCB廠都有化學鍍鎳/浸金線。考慮到除去銅錫金屬間化合物時焊點會變脆,相對脆的鎳錫金屬間化合物處將出現很多的問題。因此,便攜式電子產品(如手機)幾乎都采用有機涂覆、浸銀或浸錫形成的銅錫金屬間化合物焊點,而采用化學鍍鎳/浸金形成按鍵區、接觸區和EMI的屏蔽區。估計目前大約有10%-20%的PCB使用化學鍍鎳/浸金工藝。


    4. 浸銀(沉銀)

    浸銀比化學鍍鎳/浸金便宜,如果PCB有連接功能性要求和需要降低成本,浸銀是一個好的選擇;加上浸銀良好的平坦度和接觸性,那就更應該選擇浸銀工藝。在通信產品、汽車、電腦外設方面浸銀應用的很多,在高速信號設計方面浸銀也有所應用。由于浸銀具有其它表面處理所無法匹敵的良好電性能,它也可用在高頻信號中。EMS推薦使用浸銀工藝是因為它易于組裝和具有較好的可檢查性。但是由于浸銀存在諸如失去光澤、焊點空洞等缺點使得其增長緩慢(但沒有下降)。估計目前大約有10%-15%的PCB使用浸銀工藝。

    5. 浸錫(沉錫)

    錫被引入表面處理工藝是近十年的事情,該工藝的出現是生產自動化的要求的結果。浸錫在焊接處沒有帶入任何新元素,特別適用于通信用背板。在板子的儲存期之外錫將失去可焊性,因而浸錫需要較好的儲存條件。另外浸錫工藝中由于含有致癌物質而被限制使用。估計目前大約有5%-10%的PCB使用浸錫工藝。

    五. 結束語

    隨著客戶要求愈來愈高,環境要求愈來愈嚴,表面處理工藝愈來愈多,到底該選擇那種有發展前景、通用性更強的表面處理工藝,目前看來好像有點眼花繚亂、撲朔迷離。PCB表面處理工藝未來將走向何方,現在亦無法準確預測。不管怎樣,滿足客戶要求和保護環境必須首先做到!

    在真空包裝情況下,良好的儲存環境:溫度不高于25°,相對濕度不大于65%,室內并且無腐蝕性氣體環境下,表面處理方式和保存期限:

    OSP(有機防腐助焊劑)六個月

    HASL(熱風整平-噴錫) 六個月

    Immersion gold (化學沉金) 十二個月

    Immersion tin (化學沉錫)十二個月

    Immersion silver (化學沉銀)十二個月

    Electrolytic gold (電鍍金)十八個月

    真空包開封后,OSP為24小時,其它為48小時。實際上, 保存期過了,只要焊錫性OK就可以使用,并不一定非要限定一個時間!