1、PCB表面處理技術,CPCA 梁志立 2010.08,目 次,SMT裝配對PCB表面涂覆的要求 PCB無鉛化 PCB表面處理方式 3.1 、無鉛熱風整平 3.2 、OSP 3.3 、化學錫 3.4 、化學銀 3.5 、電鍍鎳金 3.6 、化鎳金 3.7 、小結 六種表面涂覆層主要特征比較,1,1.0、SMT裝配對PCB表面涂覆的基本要求,符合法律法規(guī)要求。（ROHS,中國ROHS） 可焊性：耐熱，焊接溫度，潤濕，保存期。 保護性：防氧化能力。 可靠性：焊點的內應力，缺陷，壽命。 成本：材料，設備，人力，廢水處理，成品率。 適用范圍：同阻焊劑兼容，適合PCB品種（例如剛一撓板），無Pb。 環(huán)保：

2、易處理，無煙霧，污染性。,2,2. 0、 PCB無鉛化,（1）、ROHS禁令： 禁6種物質：Pb,Hg,Cr6+ (六價鉻)，PBB（多溴聯苯），PBDE（多溴聯苯乙醚）。 其中一種就是鉛。 （2）、鉛的毒性： 智力下降，失眠，惡夢，無力，腹脹痛，頭痛，食欲不振。 典型有害影響：貧血，中樞神經系統(tǒng)紊亂。 （3）、何為無鉛？ 物質含量中的Pb1000ppm，即0.1，為無鉛。 只要不是故意在焊料中加鉛就應是無鉛。 （4）、PCB廠向客戶證明生產的PCB為無鉛，應包含的內容。 所用的板材符合ROHS。,3,阻焊油墨符合ROHS。 表面涂覆無鉛。替代：沉Ni/Au，沉Ag，沉Sn，OSP，無鉛熱風整

3、平（噴錫）。 生產的PCB經檢測符合ROHS。 （5）、舊有的表面處理方式。 熱風整平鉛錫： Pb：Sn=37:63，其熔點最低183；常用焊料Pb：Sn=40:60，熔 融溫度190。 熱熔鉛錫：線路和焊盤及孔內鍍鉛錫（Pb：Sn=40：60），然后在甘油浴中 熱熔，線路側面也得到保護，不露銅，不少軍品至今仍使用。 圖形鍍Ni/Au。板子在圖形線路上鍍Ni/Au，鎳金作抗蝕層。蝕刻圖形后，線路、孔、焊盤覆蓋Ni/Au。但圖形線路和板邊上鍍金浪費，在金面上印阻焊劑附著力難以保證。目前使用的產品已不多。 （6）、無鉛焊料的配方。,4,美國熔焊： 95.9 Sn-3.9 Ag- 0.6Cu 波焊：

4、99.3 Sn-0.7 Cu 歐盟：95.5 Sn-3.8 Ag-0.7 Cu 日本：96.5 Sn-3.0 Ag-0.5 Cu ，即305配方（3.0銀，0.5銅，其余為 錫，稱之為305）。 上述配方，共熔點是217。比傳統(tǒng)的鉛錫合金183熔點提高了34。 無鉛噴錫工藝，溫度為265-270。有時候，板子噴得不平整，不合格，返 工1-2次，引起板子分層起泡，或阻焊劑起泡，板子報廢。 據說，目前用得最廣泛的是305焊料配方。SMT裝配時用305，PCB廠噴錫往往不使用305焊料。 “這是一筐爛蘋果中找到的一個好蘋果”學者這樣評說。 在PCB廠作無鉛噴錫，基于305焊料在使用過程中，Cu含量不

5、斷升高污染錫缸，引起SMT裝配時，錫面流動性差，散錫性不理想。在PCB廠作無鉛噴錫，較多的使用是這樣的焊料：SCN,或SN100C，其焊料成份是：Sn-0.7Cu-0.05Ni（或鍺Ge替代Ni，0.05Ge）。（Ni含量為0.02-0.05）。 在Sn-0.7 Cu-0.05 Ni的焊料配方中，鎳的存在減緩了銅在界面金屬化合物（IMC）的擴散速度。鍺Ge的存在，目的是形成一層保護性的氧化膜。 當熔融焊料中Cu含量3%，涂覆的焊料層會發(fā)生粗糙，脆裂等問題。,5,3.0 PCB表面處理方式,3.1無鉛噴錫 流程：微蝕-水洗-涂耐高溫助焊劑-噴錫-水洗。（有的廠在微蝕前先預熱板子）。 過程：PCB

6、噴錫時，浸在熔融的無鉛焊料中（約270），快速提起PCB，熱風刀（溫度265-270）從板子的前后吹平液態(tài)焊料，使銅面上的彎月形焊料變平，并防止焊料橋搭。 設備：水平式，垂直式無鉛熱平整平機。（水平式得到的鍍層均勻些，自動化生產）。 物料：無鉛焊料，如SnCuNi，SnCuCo, SnCuGe或305焊料。耐高溫助焊劑。 要求：焊盤表面2-5微米，孔內應小于25微米（也有放寬到38微米）。 特點：涂覆層不夠平坦，主要適用于寬線，大焊盤板子，HDI板通常不采用。對覆銅板耐熱性要求高。噴錫制程比較臟，有異味，高溫下操作，危險。其使用受到一定的限制。,6,3.2 OSP（有機可焊性保護劑）,又稱為p

7、reflux（耐熱預焊劑），是早期松香型助焊劑的延續(xù)和發(fā)展。 流程：除油-微蝕-酸洗-純水洗-OSP-清洗-吹干。 五代產品：咪唑（或苯并三氮唑）類；烷基咪唑類；苯并咪唑類； 烷基苯并咪唑類。烷基苯基咪唑類。 第4代：目前使用最多的是烷基苯并咪唑，熱分解溫度250-270，適用于無鉛焊接溫度（250-270）下多次回流焊接溫度。 第5代: 烷基-苯基-咪唑類HT-OSP。分解溫度為354，具有好的熱穩(wěn)定性，在焊接界面上不容易形成微氣泡，微空洞，提高了焊接結合力。 原理：在銅表面上形成一層有機膜，牢固地保護著新鮮銅表面，并在高溫下也能防氧化和污染。OSP厚度0.1-0.2微米，或0.2-0.5微

8、米。 特點：工藝簡單，成本低廉，既可用在低技術含量的PCB上，也可用在高密度芯片封裝基板上。是最有前途的表面涂覆工藝。（爭議點：裝配時分不清顏色，OSP同銅色澤相仿，劃傷板子，影響焊接，OSP儲存期約6個月）。 目前，OSP可經受熱應力（288，10s）三次，不氧化，不變色。,7,3.3化學錫,流程：除油-微蝕-酸洗-純水洗-沉錫-清洗。 特點：由于目前所有焊料都是以錫為主體的，所以錫層能與任何種類 焊料相兼容。從這個角度看，沉錫在PCB表面涂覆幾個品種比較中有很好的發(fā)展前景。 厚度：1.00.2微米。 問題：經不起多次焊接，一次焊接后形成的界面化合物會變成不可 焊表面。 會產生錫須，影響可靠

9、性。 沉錫液易攻擊阻焊膜，使膜溶解變色，對銅層產生倒蝕。 沉錫溫度高，60，1微米錫層需沉十分鐘。 改良：在沉錫液中加入有機添加劑，使錫層結構呈顆粒狀，克服了錫 須，錫遷移問題，熱穩(wěn)定性亦好。 使用：有的客戶指定，用沉錫鍍層，比無鉛噴錫層平坦。通信母板適用。 沉錫后板子應存放在良好的房間中，在存貯有效期內使用。,8,3.4 化學銀,流程：除油（脫脂）-微蝕-酸洗-純水洗-沉銀-清洗。 特點：工藝簡單，快捷，成本不高。 沉Ag液含一些有機物，防銀層變色，銀遷移。 鍍層厚度0.1-0.5微米（通常0.1-0.2微米）焊接性能優(yōu)良。 銀層在組裝時具有好的可檢查性（銀白色）。 問題：浸Ag生產線上全線

10、用水為純水。防銀層變黃發(fā)黑。 （自來水中有氯離子，Ag+Cl AgCl，生成白色沉淀） 銀與空氣中的硫易結合，形成硫化銀，黃色或黑色。 所有操作，貯存，包裝，均需戴無硫手套，無硫紙包裝，貯存環(huán)境要 求高。不容許用普通紙相隔板子，不允許用橡皮圈包板子。 防銀離子遷移，已沉銀板子不得存放在潮濕的環(huán)境中。在貯存期內 使用。 參看CPCA標準“印刷板的包裝、運輸和保管”（CPCA 1201-2009）。 應用：客戶指定。在高頻信號中，沉Ag板電性能良好。歐美不少用戶要求作 沉Ag板。,9,3.5 電鍍鎳金,流程：除油-微蝕-酸洗-純水洗-鍍鎳-純水洗-鍍金-回收金-水洗 鍍層類型： 鍍硬金。 用在：P

11、CB插頭，按鍵上。 特點：耐磨，接觸良好，有硬度（120-190 鎳打底，Ni層厚度3-5微米；金厚度：0.1,0.25,0.5,0.8,1.0微米。 金鍍層含有鈷（Co，0.5，或Ni銻等金屬。 鍍軟金。 純金,24K金。 用途：焊接用。 特點：鎳打底，2.5微米，防止金層向銅層擴散，鎳層在焊接時牢固同焊料結合。 鍍Au層很薄，0.05-0.1微米。 特點： 線路上要鍍上金，成本高，目前已很少使用。 金面上印阻焊劑，阻焊易脫落。 焊接時金層會變脆。（焊料中金含量3時）,10,3.6 化鎳金,英文全稱：Electroless Nickel and Immersion Gold。簡稱ENIG?；?/p>

12、鎳沉金。 3.6.1流程：除油（脫脂）-微蝕-活化-化學鎳-化學金-清洗。 3.6.2特點： 化學鍍Ni/Au鍍層厚度均勻，共面性好，可焊接性好，優(yōu)良的耐腐蝕性，耐磨性。 廣泛應用于手電、電腦等領域。 鎳層厚度3-5微米，目的防銅-金界面之間互相擴散，保證焊點可靠焊牢。 化學Ni/Au已迅速取代電鍍Ni/Au。 化學鎳是工藝關鍵，又是最大難點。 化金層通常為0.05-0.15微米。 3.6.3反應機理： 化鎳：銅面在金屬鈀催化下，通過溶液中的還原劑和鎳離子開始鍍鎳反應。 鎳本身是進一步化學鍍鎳的催化劑，在溶液中的還原劑次磷酸鈉的作用 下，化學沉鎳過程會不斷繼續(xù)下去，直至產品在槽液中取出。 磷在

13、沉積過程中同鎳共鍍到鍍層中，化學沉鎳，實際是化學沉鎳磷合 金。 沉金：氧化還原反應。通過鎳金置換反應在鎳面上沉積上金。,11,3.6.4磷的含量：（占鎳磷合金鍍層的比例） 低磷：1-5。焊錫性，潤濕性好。含磷少，會形成顆粒狀結構，耐腐蝕性差， 鍍層易氧化。 中磷：6-9。焊錫性，潤濕性，耐腐蝕性均好。磷含量控制在中磷范圍為好。 高磷：9-13。耐腐蝕性好，但焊錫性，潤濕性均一般。焊接過程容易形成富磷層。 高磷會使Ni-P層產生內應力過大而產生脆裂。 3.6.5焊接時產生的IMC IMC：Intermetallic Compound的縮寫。中文：介面金屬間化合物。 化Ni沉Au層作無鉛焊接時，金

14、層在充足的熱量下，會迅速溶入焊錫的主體中，形成四處分散的AuSn4的介面金屬間化合物。金溶入的速度比鎳要快幾萬倍（溶速為117微英寸/秒）。而只有鎳和錫在較慢的速度下形成的共晶化合物Ni3Sn4而焊牢。所以說，沉Ni/Au層在焊接時形成焊接牢固的是Ni3Sn4這一層IMC（介面金屬間化合物）。 化Ni沉Au焊接中IMC的厚度一般在1-3微米。過厚，過薄的IMC層都會影響到焊接強度。,12,3.6.6焊接時 焊接的實質是在鎳的表面進行的。 金層是為了保護新鮮的鎳表面不被氧化。金層不應太厚。 在焊接的溫度下，很薄的金層會迅速融入焊料中。 焊接時，在鎳表面首先形成Ni3Sn4的IMC結構，是一層平整

15、針狀的表面。 這層化合物能夠降低焊料與Ni-P層之間的反應，成為很好的阻擋層。 但是，熔融的Sn易于通過NiSn的空隙進入到Ni3Sn4界面，并形成 Ni3SnP的界面共晶化合物（IMC），引起Ni3Sn4破裂，造成可焊性問題。 3.6.7化鎳金主要缺陷 黑點，黑斑，黑盤。 淺白（色澤不一）。 可焊性差，焊點裂開。 金脆。 富磷層，導致焊點強度不足，元件會脫落。,13,3.6.8缺陷原因分析 當鎳層厚度小于2微米時，或不均勻的Ni層（表面處理不好），這時Ni表面顯得 淺白。 當鎳、金面受到了污染，腐蝕時，會產生黑點，黑盤。 化鎳后，水洗不良，水質差，或在空氣中暴露太久。 沉金反應過度，鎳層氧化

16、。 沉金后水洗不良。 沉鎳金后儲存條件差。 當金層太厚，金在焊料中的重量比0.3時；或焊接溫度不足時，會引起金的不完 全擴散。 這時的焊接層IMC強度不足，脆性增大，這就是金脆。 當富磷層太厚，鍍層中含P太高（9），會導致焊點強度不足，元件易脫落。 太厚的IMC層在一定程度上降低焊點的機械結合強度。 鎳層的含磷量，對鍍層的可焊性和腐蝕性至關重要，P占6-9合適。 IMC不能太厚，控制1-3微米為宜。 難點，關鍵點是控制好鎳槽。,14,3.6.9富磷層太厚原因 沉鎳液中磷含量偏高，化鎳過程控制不當。鎳鍍液壽命短。通常4-5MTO后，重新開缸。 （MTO金屬置換周期） 沉鎳后水洗，清潔不良，鎳面被

17、污染、氧化。被氧化、污染了的鎳不會參與鎳金之間 的置換反應，在被沉金層覆蓋后表現為富磷層。 沉金過程金層越厚，置換出的鎳越多，鎳面受到過度腐蝕，形成的富磷層越厚。 沉金不是越厚越好。焊接用金層控制在0.03-0.08微米（1-3微英寸為佳）。 IMC太厚。焊接過程中是鎳與錫形成焊接層IMC，磷不參與焊接。 所以在失去鎳的部分磷含量則相對富集，IMC層越厚參與焊接的鎳層越多，則富 磷層越厚。IMC控制1-3微米為合適。 富磷層中P含量為15-18%，焊點開裂，焊接強度不足，元件脫落。往往發(fā)生在IMC與 富磷層之間。,15,圖1、浸金之前的良好鎳面結構（鎳磷均勻的分布）,16,圖2、進入浸金槽時（

18、未進行反應）的鎳金狀況（鎳金即將與置換反應的形式原子交換）,17,圖3、浸金反應完成后（鎳金交換位置，鎳離子游離于槽液中，金覆蓋在原來鎳的位置，磷由于不參與置換則鎳游走之后磷的比例自然上升。）,18,圖4、ENIG完成之后的線路板,19,圖5、印刷完錫膏后之ENIG板,20,圖6、焊接過程中金開始融化并擴散到焊料中， 錫與鎳將形成IMC層。,21,圖7、焊接完成鎳與錫形成IMC層（金完全融解后擴散到IMC層中，磷由于部份鎳參與形成IMC再次富集在鎳層與IMC層之間。）,22,圖8、浸金之前良好鎳面的SEM圖片（為后續(xù)良好之化金提供了良好的基礎）,鎳面1000倍SEM圖片,鎳面5000倍SEM圖

19、片,23,圖9、浸金之前良好鎳面的SEM圖片（切片后的SEM圖片）,24,圖10、浸金之前已出現污染、腐蝕的鎳面SEM圖片（為得到良好的化金層埋下嚴重的隱患）,鎳面1000倍SEM圖片,鎳面3000倍SEM圖片,25,圖11、浸金之前已出現腐蝕的鎳面（切片后的SEM圖片）,26,圖12、浸金反應完成后的良好金面SEM圖片（良好之鎳面、化金過程中又沒有受到過度的攻擊和腐蝕則可得到良好之金面）,27,圖13、浸金反應完成后金面出現局部腐蝕污染的SEM圖片（本身已出現污染、腐蝕的鎳面或在浸金過程中受到過度的藥水攻擊必然得不到良好的金層）,28,圖14、焊接完成后形成的良好IMC層、完全無腐蝕和明顯富磷層的SEM照片（如此焊接鍍層肯定不會有任何的失效問題）,良好之IMC層,無腐蝕、富磷層之鎳層