一、PCB常用可焊性涂層的特性描述

 

1. ENIG Ni（P）/Au鍍層

 

1）鍍層特點 

 

ENIG Ni（P）/Au（化學(xué)鍍鎳、金）工藝是在PCB涂敷阻焊層（綠油）之后進行的。對ENIG Ni/Au工藝的最基本要求是可焊性和焊點的可靠性。

 

化學(xué)鍍Ni層厚度為3～5μm，化學(xué)鍍薄Au層（又稱浸Au、置換Au），厚度為0.025～0.1μm?；瘜W(xué)鍍厚Au層（又稱還原Au），厚度為0.3～1μm，一般在0.5μm左右?；瘜W(xué)鍍鎳的含P量，對鍍層可焊性和耐腐蝕性是至關(guān)重要的。一般以含P量7%～9%為宜（中磷）。

 

含P量太低，鍍層耐腐蝕性差，易氧化。而且在腐蝕環(huán)境中由于Ni/Au的腐蝕原電池作用，會對Ni/Au的Ni表面層產(chǎn)生腐蝕，生成Ni的黑膜（NixOy），這對可焊性和焊點的可靠性都是極為不利的。P含量高，鍍層抗腐蝕性提高，可焊性也可以改善。

 

2）應(yīng)用特性

 

成本高；

 

黑盤問題很難根除，虛焊缺陷率往往居高不下；

 

ENIG Ni/Au表面的二級互連可靠性比OSP、Im-Ag、Im-Sn及HASL-Sn等涂敷層的可靠性都要差；

 

由于ENIG Ni/Au用的是Ni和5%～12%的P一起鍍上去的，因此，當(dāng)PCBA工作頻率超過5GHz，趨膚效應(yīng)很明顯時，信號傳輸中由于Ni-P復(fù)合鍍層的導(dǎo)電性比銅差，所以信號的傳輸速度變慢；

 

焊接中Au溶入釬料后與Sn形成的AuSn4金屬間化合物碎片，導(dǎo)致高頻阻抗不能“復(fù)零”；

 

存在“金脆”是降低焊點可靠性的隱患。一般情況下，焊接時間很短，只在幾秒內(nèi)完成，所以Au不能在焊料中均勻地擴散，這樣就會在局部形成高濃度層，這層的強度最低。

 

2. Im-Sn鍍層

 

1）鍍層特點

 

Im-Sn是近年來無鉛化過程中受重視的可焊性鍍層。浸Sn化學(xué)反應(yīng)（用硫酸亞錫或氯化亞錫）所獲得的Sn層厚度在0.1～1.5μm之間（經(jīng)多次焊接至少浸Sn厚度應(yīng)為1.5μm）。該厚度與鍍液中的亞錫離子濃度、溫度及鍍層疏孔度等有關(guān)。由于Sn具有較高的接觸電阻，在接觸探測測試方面，不像浸銀的那樣好。常規(guī)Im-Sn工藝，鍍層呈灰色，由于表面呈蜂窩狀排列，以致疏孔較多，容易滲透導(dǎo)致老化程度加快。

 

2）應(yīng)用特性

 

成本比ENIG Ni/Au及Im-Ag、OSP低；

 

存在錫晶須問題，對精細間距與長使用壽命器件影響較大，但對PCB的影響不大；

 

存在錫瘟現(xiàn)象，Sn相變點為13.2℃，低于這個溫度時變成粉末狀的灰色錫（α錫），使強度喪失；

 

Sn鍍層在溫度環(huán)境下會加速與銅層的擴散運動而導(dǎo)致SnCu金屬間化合物（IMC）的生長，如表1所示。

 

 

經(jīng)過高溫處理后，由于錫層厚度的消耗，將導(dǎo)致儲存時間縮短，如表2所示；

 

 

新板的潤濕性好，但存儲一段時間后，或多次再流后潤濕性下降快，因此后端應(yīng)用工藝性較差。

 

3. OSP涂層

 

1）涂層特點

 

OSP是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的Cu表面有機助焊保護膜（簡稱OSP）。某些環(huán)氮化合物，如含有苯駢三氮唑（BTA）、咪唑、烷基咪唑、苯駢咪唑等的水溶液很容易和清潔的銅表面起反應(yīng)，這些化合物中的氮雜環(huán)與Cu表面形成絡(luò)合物，這層保護膜防止了Cu表面被氧化。

 

2）應(yīng)用特性

 

成本較低，工藝較簡單；

 

當(dāng)焊接加熱時，銅的絡(luò)合物很快分解，只留下裸銅，因為OSP只是一個分子層，而且焊接時會被稀酸或助焊劑分解，所以不會有殘留物污染問題；

 

對有鉛焊接或無鉛焊接均能較好地兼容；

 

OSP保護涂層與助焊劑RMA（中等活性）兼容，但與較低活性的松香基免清洗助焊劑不兼容；

 

OSP的厚度（目前較多采用0.2～0.4μm）對所選用的助焊劑的匹配性要求較高，不同的厚度對助焊劑的匹配性要求也不同；

 

儲存環(huán)境條件要求高，車間壽命短，若生產(chǎn)管理不能配合，就不能選用。

 

4. Im-Ag鍍層

 

1）鍍層特點

 

Ag在常溫下具有最好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和焊接性，有極強的反光能力，高頻損耗小，表面?zhèn)鲗?dǎo)能力高。然而，Ag對S的親和力極高，大氣中微量的S（H2S、SO2或其他硫化物）都會使其變色，生成Ag2S、Ag2O而喪失可焊性。

 

Ag的另一個不足是Ag離子很容易在潮濕環(huán)境中沿著絕緣材料表面及體積方向遷移，使材料的絕緣性能劣化甚至短路。Ag沉積在基材銅上厚0.075～0.225μm，表面平滑，可引線鍵合。

 

2）應(yīng)用特性

 

與Au或Pd相比其成本相對便宜；

 

有良好的引線鍵合性，先天具有與Sn基釬料合金的優(yōu)良可焊性；

 

在Ag和Sn之間形成的金屬間化合物（Ag3Sn）并沒有明顯的易碎性；●在射頻（RF）電路中由于趨膚效應(yīng)，Ag的高電導(dǎo)率特性正好發(fā)揮出來；

 

與空氣中的S、Cl、O接觸時，在表面分別生成AgS、AgCl、Ag2O，使其表面會失去光澤而發(fā)暗，影響外觀和可焊性。

 

二、國內(nèi)外PCB鍍層的應(yīng)用情況

 

1. 有鉛應(yīng)用情況大面積使用的是HASL Sn37P釬料工藝，也有使用OSP工藝的。

 

2. 無鉛應(yīng)用情況在無鉛用PCB表面可焊性保護涂層中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的4種涂層（ENIG Ni/Au、Im-Sn、Im-Ag、OSP）誰也沒有明顯的優(yōu)勢，因此造成了不同地區(qū)和國家選用的類型都不一樣。例如，北美優(yōu)選Im-Ag，歐洲只用Im-Sn，日本較普遍采用OSP（少量采用HASL-Sn），國內(nèi)較多采用ENIG Ni/Au、OSP等。綜合各種PCB表面涂層的主要特性，如表3。

 

 

三、綜合提升PCB鍍層可焊性和抗環(huán)境侵蝕能力對改善工藝可靠性的現(xiàn)實意義

 

（1）現(xiàn)在電子產(chǎn)品的制造質(zhì)量越來越依賴于焊接質(zhì)量。在焊接質(zhì)量缺陷中占據(jù)第一位同時也是影響最嚴重的是虛焊，它是威脅電子產(chǎn)品工作可靠性的頭號殺手。

 

（2）虛焊現(xiàn)象成因復(fù)雜，影響面廣，隱蔽性大，因此造成的損失也大。在實際工作中為了查找一個虛焊點，往往要花費大量的人力和物力，而且根治措施涉及面廣，建立穩(wěn)定、長期的解決措施也是不容易的。為此，虛焊問題一直是電子行業(yè)關(guān)注的焦點。

 

（3）背板產(chǎn)品表面保護鍍層不僅要求可焊性好，抗工作環(huán)境侵蝕能力強，而且還要求與壓接工藝有良好的適應(yīng)性。尋求合適的背板產(chǎn)品表面鍍層新的鍍涂層工藝，能同時適應(yīng)上述要求的鍍層，國內(nèi)外均在研究中。

 

（4）系統(tǒng)PCBA單板無鉛化實施中，由于無鉛釬料SAC的熔點比有鉛釬料的高了34℃，而且潤濕性也差很多，在現(xiàn)有的PCB涂層工藝下，焊接缺陷率（虛焊）將比有鉛情況明顯增加。因此，針對系統(tǒng)PCBA單板的無鉛制程全面實施，有必要對影響系統(tǒng)單板焊接質(zhì)量的主要因素進行預(yù)先研究和試驗。

 

（5）利用上述4種PCB表面處理涂層組裝的PCBA組件，在抗惡劣環(huán)境侵蝕能力方面都不理想。以鹽霧試驗為例，4種工藝的大樣品數(shù)試驗結(jié)果如圖1～圖4所示。

 

 

圖1 ENIG Ni/Au工藝/基底金屬嚴重腐蝕

 

 

圖2 Im-Ag工藝/基底金屬嚴重腐蝕

 

 

圖3 Im-Sn工藝/基底金屬輕微腐蝕

 

 

圖4OSP工藝/基底金屬嚴重腐蝕

 

（6）采用ENIG Ni/Au鍍層的背板產(chǎn)品在用戶應(yīng)用中也不時發(fā)生點狀銹蝕而返修，如圖5所示。

 

圖5 被銹蝕的背板ENIG Ni/Au表面

 

經(jīng)過上述大樣品數(shù)的應(yīng)用性能分析，現(xiàn)有的4種工藝雖各有優(yōu)點和不足，但沒有一種綜合性能均較優(yōu)的。電子組裝業(yè)一直在從事有關(guān)與可能解決HASL、OSP和ENIG、Im（化學(xué)鍍）等涂層相關(guān)缺點的替代表面涂層的試驗和研究，尋找一種新的涂層工藝，是同時抑制PCB焊盤虛焊和提高表面非焊金屬部分抗環(huán)境侵蝕能力的唯一出路。