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常見PCB表面處理工藝的特點(diǎn)、用途和發(fā)展趨勢

文章出處:http://m.qyrtzss.cn網(wǎng)責(zé)任編輯:恒成和電路板作者:恒成和線路板人氣:-發(fā)表時(shí)間:2015-09-28 09:57:00

  一. 引言 

  隨著人類對于居住環(huán)境要求的不斷提高,目前PCB生產(chǎn)過程中涉及到的環(huán)境問題顯得尤為突出。目前有關(guān)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(fā)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(yuǎn)的事情,但是應(yīng)該注意到:長期的緩慢變化將會(huì)導(dǎo)致巨大的變化。在環(huán)保呼聲愈來愈高的情況下,PCB的表面處理工藝未來肯定會(huì)發(fā)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(jìn)行其他處理。雖然在后續(xù)的組裝中,可以采用強(qiáng)助焊劑除去大多數(shù)銅的氧化物,但強(qiáng)助焊劑本身不易去除,因此業(yè)界一般不采用強(qiáng)助焊劑。 

PCB

  三. 常見的五種表面處理工藝 

  現(xiàn)在有許多PCB表面處理工藝,常見的是熱風(fēng)整平、有機(jī)涂覆、化學(xué)鍍鎳/浸金、浸銀和浸錫這五種工藝,下面將逐一介紹。 

  1. 熱風(fēng)整平(噴錫) 

  熱風(fēng)整平又名熱風(fēng)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(fēng)整平時(shí)焊料和銅在結(jié)合處形成銅錫金屬間化合物。保護(hù)銅面的焊料厚度大約有1-2mil。 PCB進(jìn)行熱風(fēng)整平時(shí)要浸在熔融的焊料中;風(fēng)刀在焊料凝固之前吹平液態(tài)的焊料;風(fēng)刀能夠?qū)~面上焊料的彎月狀最小化和阻止焊料橋接。熱風(fēng)整平分為垂直式和水平式兩種,一般認(rèn)為水平式較好,主要是水平式熱風(fēng)整平鍍層比較均勻,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。熱風(fēng)整平工藝的一般流程為:微蝕→預(yù)熱→涂覆助焊劑→噴錫→清洗。 

  2. 有機(jī)涂覆(OSP) 

  有機(jī)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(dāng)阻隔層;有機(jī)涂覆工藝簡單、成本低廉,這使得它能夠在業(yè)界廣泛使用。早期的有機(jī)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(xué)鍵合氮功能團(tuán)到PCB上的銅。在后續(xù)的焊接過程中,如果銅面上只有一層的有機(jī)涂覆層是不行的,必須有很多層。這就是為什么化學(xué)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(jī)涂覆分子與銅結(jié)合,直至二十甚至上百次的有機(jī)涂覆分子集結(jié)在銅面,這樣可以保證進(jìn)行多次回流焊。試驗(yàn)表明:最新的有機(jī)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(jī)涂覆工藝的一般流程為:脫脂→微蝕→酸洗→純水清洗→有機(jī)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(xué)鍍鎳/浸金(化學(xué)沉金) 

  化學(xué)鍍鎳/浸金工藝不像有機(jī)涂覆那樣簡單,化學(xué)鍍鎳/浸金好像給PCB穿上厚厚的盔甲;另外化學(xué)鍍鎳/浸金工藝也不像有機(jī)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(shí)現(xiàn)良好的電性能。因此,化學(xué)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(hù)PCB;另外它也具有其它表面處理工藝所不具備的對環(huán)境的忍耐性。鍍鎳的原因是由于金和銅間會(huì)相互擴(kuò)散,而鎳層能夠阻止金和銅間的擴(kuò)散;如果沒有鎳層,金將會(huì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)擴(kuò)散到銅中去?;瘜W(xué)鍍鎳/浸金的另一個(gè)好處是鎳的強(qiáng)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(xué)鍍鎳/浸金也可以阻止銅的溶解,這將有益于無鉛組裝。 化學(xué)鍍鎳/浸金工藝的一般流程為:酸性清潔→微蝕→預(yù)浸→活化→化學(xué)鍍鎳→化學(xué)浸金,主要有6個(gè)化學(xué)槽,涉及到近100種化學(xué)品,因此過程控制比較困難。 

  4. 浸銀(沉銀) 

  浸銀工藝介于有機(jī)涂覆和化學(xué)鍍鎳/浸金之間,工藝比較簡單、快速;不像化學(xué)鍍鎳/浸金那樣復(fù)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(huán)境中,銀仍然能夠保持良好的可焊性,但會(huì)失去光澤。浸銀不具備化學(xué)鍍鎳/浸金所具有的好的物理強(qiáng)度因?yàn)殂y層下面沒有鎳。 浸銀是置換反應(yīng),它幾乎是亞微米級的純銀涂覆。有時(shí)浸銀過程中還包含一些有機(jī)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(jī)物,分析表明有機(jī)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(chǔ)的,所以錫層能與任何類型的焊料相匹配。從這一點(diǎn)來看,浸錫工藝極具有發(fā)展前景。但是以前的PCB經(jīng)浸錫工藝后出現(xiàn)錫須,在焊接過程中錫須和錫遷徙會(huì)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(jī)添加劑,可使得錫層結(jié)構(gòu)呈顆粒狀結(jié)構(gòu),克服了以前的問題,而且還具有好的熱穩(wěn)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(gè)特性使得浸錫具有和熱風(fēng)整平一樣的好的可焊性而沒有熱風(fēng)整平令人頭痛的平坦性問題;浸錫也沒有化學(xué)鍍鎳/浸金金屬間的擴(kuò)散問題——銅錫金屬間化合物能夠穩(wěn)固的結(jié)合在一起。浸錫板不可存儲太久,組裝時(shí)必須根據(jù)浸錫的先后順序進(jìn)行。 

  6. 其他表面處理工藝 

  其他表面處理工藝的應(yīng)用較少,下面來看應(yīng)用相對較多的電鍍鎳金和化學(xué)鍍鈀工藝。 電鍍鎳金是PCB表面處理工藝的鼻祖,自從PCB出現(xiàn)它就出現(xiàn),以后慢慢演化為其他方式。它是在PCB表面導(dǎo)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(kuò)散?,F(xiàn)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(shí)打金線;硬金主要用在非焊接處的電性互連。 

  考慮到成本,業(yè)界常常通過圖像轉(zhuǎn)移的方法進(jìn)行選擇性電鍍以減少金的使用。目前選擇性電鍍金在業(yè)界的使用持續(xù)增加,這主要是由于化學(xué)鍍鎳/浸金過程控制比較困難。 正常情況下,焊接會(huì)導(dǎo)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(jìn)行焊接;但化學(xué)鍍鎳/浸金由于金很薄,且很一致,變脆現(xiàn)象很少發(fā)生。 

  化學(xué)鍍鈀的過程與化學(xué)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(dòng)反應(yīng)的催化劑,因而可得到任意厚度的鈀鍍層?;瘜W(xué)鍍鈀的優(yōu)點(diǎn)為良好的焊接可靠性、熱穩(wěn)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(chǎn)、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(fēng)整平(噴錫) 

  熱風(fēng)整平曾經(jīng)在PCB表面處理工藝中處于主導(dǎo)地位。二十世紀(jì)八十年代,超過四分之三的PCB使用熱風(fēng)整平工藝,但過去十年以來業(yè)界一直都在減少熱風(fēng)整平工藝的使用,估計(jì)目前約有25%-40%的PCB使用熱風(fēng)整平工藝。熱風(fēng)整平制程比較臟、難聞、危險(xiǎn),因而從未是令人喜愛的工藝,但熱風(fēng)整平對于尺寸較大的元件和間距較大的導(dǎo)線而言,卻是極好的工藝。在密度較高的PCB中,熱風(fēng)整平的平坦性將影響后續(xù)的組裝;故HDI板一般不采用熱風(fēng)整平工藝。隨著技術(shù)的進(jìn)步,業(yè)界現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了適于組裝間距更小的QFP和BGA的熱風(fēng)整平工藝,但實(shí)際應(yīng)用較少。目前一些工廠采用有機(jī)涂覆和化學(xué)鍍鎳/浸金工藝來代替熱風(fēng)整平工藝;技術(shù)上的發(fā)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(fēng)整平使用受到進(jìn)一步的限制。雖然目前已經(jīng)出現(xiàn)所謂的無鉛熱風(fēng)整平,但這可將涉及到設(shè)備的兼容性問題。 

  2. 有機(jī)涂覆(OSP) 

  估計(jì)目前約有25%-30%的PCB使用有機(jī)涂覆工藝,該比例一直在上升(很可能有機(jī)涂覆現(xiàn)在已超過熱風(fēng)整平居于第一位)。有機(jī)涂覆工藝可以用在低技術(shù)含量的PCB,也可以用在高技術(shù)含量的PCB上,如單面電視機(jī)用PCB、高密度芯片封裝用板。對于BGA方面,有機(jī)涂覆應(yīng)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(jī)涂覆將是最理想的表面處理工藝。 

  3. 化學(xué)鍍鎳/浸金(化學(xué)沉金) 

  化學(xué)鍍鎳/浸金工藝與有機(jī)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(jī)按鍵區(qū)、路由器殼體的邊緣連接區(qū)和芯片處理器彈性連接的電性接觸區(qū)。由于熱風(fēng)整平的平坦性問題和有機(jī)涂覆助焊劑的清除問題,二十世紀(jì)九十年代化學(xué)鍍鎳/浸金使用很廣;后來由于黑盤、脆的鎳磷合金的出現(xiàn),化學(xué)鍍鎳/浸金工藝的應(yīng)用有所減少,不過目前幾乎每個(gè)高技術(shù)的PCB廠都有化學(xué)鍍鎳/浸金線??紤]到除去銅錫金屬間化合物時(shí)焊點(diǎn)會(huì)變脆,相對脆的鎳錫金屬間化合物處將出現(xiàn)很多的問題。因此,便攜式電子產(chǎn)品(如手機(jī))幾乎都采用有機(jī)涂覆、浸銀或浸錫形成的銅錫金屬間化合物焊點(diǎn),而采用化學(xué)鍍鎳/浸金形成按鍵區(qū)、接觸區(qū)和EMI的屏蔽區(qū)。估計(jì)目前大約有10%-20%的PCB使用化學(xué)鍍鎳/浸金工藝。 

  4. 浸銀(沉銀) 

  浸銀比化學(xué)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(gè)好的選擇;加上浸銀良好的平坦度和接觸性,那就更應(yīng)該選擇浸銀工藝。在通信產(chǎn)品、汽車、電腦外設(shè)方面浸銀應(yīng)用的很多,在高速信號設(shè)計(jì)方面浸銀也有所應(yīng)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?yàn)樗子诮M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(diǎn)空洞等缺陷使得其增長緩慢(但沒有下降)。估計(jì)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(xiàn)是生產(chǎn)自動(dòng)化的要求的結(jié)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(zhì)而被限制使用。估計(jì)目前大約有5%-10%的PCB使用浸錫工藝。 

  五. 結(jié)束語 

  隨著客戶要求愈來愈高,環(huán)境要求愈來愈嚴(yán),表面處理工藝愈來愈多,到底該選擇那種有發(fā)展前景、通用性更強(qiáng)的表面處理工藝,目前看來好像有點(diǎn)眼花繚亂、撲朔迷離。PCB表面處理工藝未來將走向何方,現(xiàn)在亦無法準(zhǔn)確預(yù)測。不管怎樣,滿足客戶要求和保護(hù)環(huán)境必須首先做到! 

  在真空包裝情況下,表面處理方式和保存期限: 

  OSP(有機(jī)防腐助焊劑)六個(gè)月 

  HASL(熱風(fēng)整平-噴錫) 六個(gè)月 

  Immersion gold (化學(xué)沉金) 十二個(gè)月 

  Immersion tin (化學(xué)沉錫)十二個(gè)月 

  Immersion silver (化學(xué)沉銀)十二個(gè)月 

  Electrolytic gold (電鍍金)十八個(gè)月 

  真空包開封后,OSP為24小時(shí),其它為48小時(shí)。實(shí)際上, 保存期過了,只要焊錫性O(shè)K就可以使用,并不一定非要限定一個(gè)時(shí)間!

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