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PCB表面处理技术 CPCA梁志立2010 08 目次 SMT装配对PCB表面涂覆的要求PCB无铅化PCB表面处理方式3 1 无铅热风整平3 2 OSP3 3 化学锡3 4 化学银3 5 电镀镍金3 6 化镍金3 7 小结六种表面涂覆层主要特征比较 1 1 0 SMT装配对PCB表面涂覆的基本要求 符合法律法规要求 ROHS 中国ROHS 可焊性 耐热 焊接温度 润湿 保存期 保护性 防氧化能力 可靠性 焊点的内应力 缺陷 寿命 成本 材料 设备 人力 废水处理 成品率 适用范围 同阻焊剂兼容 适合PCB品种 例如刚一挠板 无Pb 环保 易处理 无烟雾 污染性 2 2 0 PCB无铅化 1 ROHS禁令 禁6种物质 Pb Hg Cr6 六价铬 PBB 多溴联苯 PBDE 多溴联苯乙醚 其中一种就是铅 2 铅的毒性 智力下降 失眠 恶梦 无力 腹胀痛 头痛 食欲不振 典型有害影响 贫血 中枢神经系统紊乱 3 何为无铅 物质含量中的Pb 1000ppm 即0 1 为无铅 只要不是故意在焊料中加铅就应是无铅 4 PCB厂向客户证明生产的PCB为无铅 应包含的内容 所用的板材符合ROHS 3 阻焊油墨符合ROHS 表面涂覆无铅 替代 沉Ni Au 沉Ag 沉Sn OSP 无铅热风整平 喷锡 生产的PCB经检测符合ROHS 5 旧有的表面处理方式 热风整平铅锡 Pb Sn 37 63 其熔点最低183 常用焊料Pb Sn 40 60 熔融温度190 热熔铅锡 线路和焊盘及孔内镀铅锡 Pb Sn 40 60 然后在甘油浴中热熔 线路侧面也得到保护 不露铜 不少军品至今仍使用 图形镀Ni Au 板子在图形线路上镀Ni Au 镍金作抗蚀层 蚀刻图形后 线路 孔 焊盘覆盖Ni Au 但图形线路和板边上镀金浪费 在金面上印阻焊剂附着力难以保证 目前使用的产品已不多 6 无铅焊料的配方 4 美国熔焊 95 9Sn 3 9Ag 0 6Cu波焊 99 3Sn 0 7Cu 欧盟 95 5Sn 3 8Ag 0 7Cu 日本 96 5Sn 3 0Ag 0 5Cu 即305配方 3 0 银 0 5 铜 其余为锡 称之为305 上述配方 共熔点是217 比传统的铅锡合金183 熔点提高了34 无铅喷锡工艺 温度为265 270 有时候 板子喷得不平整 不合格 返工1 2次 引起板子分层起泡 或阻焊剂起泡 板子报废 据说 目前用得最广泛的是305焊料配方 SMT装配时用305 PCB厂喷锡往往不使用305焊料 这是一筐烂苹果中找到的一个好苹果 学者这样评说 在PCB厂作无铅喷锡 基于305焊料在使用过程中 Cu含量不断升高污染锡缸 引起SMT装配时 锡面流动性差 散锡性不理想 在PCB厂作无铅喷锡 较多的使用是这样的焊料 SCN 或SN100C 其焊料成份是 Sn 0 7Cu 0 05Ni 或锗Ge替代Ni 0 05 Ge Ni含量为0 02 0 05 在Sn 0 7Cu 0 05Ni的焊料配方中 镍的存在减缓了铜在界面金属化合物 IMC 的扩散速度 锗Ge的存在 目的是形成一层保护性的氧化膜 当熔融焊料中Cu含量 3 涂覆的焊料层会发生粗糙 脆裂等问题 5 3 0PCB表面处理方式 3 1无铅喷锡流程 微蚀 水洗 涂耐高温助焊剂 喷锡 水洗 有的厂在微蚀前先预热板子 过程 PCB喷锡时 浸在熔融的无铅焊料中 约270 快速提起PCB 热风刀 温度265 270 从板子的前后吹平液态焊料 使铜面上的弯月形焊料变平 并防止焊料桥搭 设备 水平式 垂直式无铅热平整平机 水平式得到的镀层均匀些 自动化生产 物料 无铅焊料 如SnCuNi SnCuCo SnCuGe或305焊料 耐高温助焊剂 要求 焊盘表面2 5微米 孔内应小于25微米 也有放宽到38微米 特点 涂覆层不够平坦 主要适用于宽线 大焊盘板子 HDI板通常不采用 对覆铜板耐热性要求高 喷锡制程比较脏 有异味 高温下操作 危险 其使用受到一定的限制 6 3 2OSP 有机可焊性保护剂 又称为preflux 耐热预焊剂 是早期松香型助焊剂的延续和发展 流程 除油 微蚀 酸洗 纯水洗 OSP 清洗 吹干 五代产品 咪唑 或苯并三氮唑 类 烷基咪唑类 苯并咪唑类 烷基苯并咪唑类 烷基苯基咪唑类 第4代 目前使用最多的是烷基苯并咪唑 热分解温度250 270 适用于无铅焊接温度 250 270 下多次回流焊接温度 第5代 烷基 苯基 咪唑类HT OSP 分解温度为354 具有好的热稳定性 在焊接界面上不容易形成微气泡 微空洞 提高了焊接结合力 原理 在铜表面上形成一层有机膜 牢固地保护着新鲜铜表面 并在高温下也能防氧化和污染 OSP厚度0 1 0 2微米 或0 2 0 5微米 特点 工艺简单 成本低廉 既可用在低技术含量的PCB上 也可用在高密度芯片封装基板上 是最有前途的表面涂覆工艺 争议点 装配时分不清颜色 OSP同铜色泽相仿 划伤板子 影响焊接 OSP储存期约6个月 目前 OSP可经受热应力 288 10s 三次 不氧化 不变色 7 3 3化学锡 流程 除油 微蚀 酸洗 纯水洗 沉锡 清洗 特点 由于目前所有焊料都是以锡为主体的 所以锡层能与任何种类焊料相兼容 从这个角度看 沉锡在PCB表面涂覆几个品种比较中有很好的发展前景 厚度 1 0 0 2微米 问题 经不起多次焊接 一次焊接后形成的界面化合物会变成不可焊表面 会产生锡须 影响可靠性 沉锡液易攻击阻焊膜 使膜溶解变色 对铜层产生倒蚀 沉锡温度高 60 1微米锡层需沉十分钟 改良 在沉锡液中加入有机添加剂 使锡层结构呈颗粒状 克服了锡须 锡迁移问题 热稳定性亦好 使用 有的客户指定 用沉锡镀层 比无铅喷锡层平坦 通信母板适用 沉锡后板子应存放在良好的房间中 在存贮有效期内使用 8 3 4化学银 流程 除油 脱脂 微蚀 酸洗 纯水洗 沉银 清洗 特点 工艺简单 快捷 成本不高 沉Ag液含一些有机物 防银层变色 银迁移 镀层厚度0 1 0 5微米 通常0 1 0 2微米 焊接性能优良 银层在组装时具有好的可检查性 银白色 问题 浸Ag生产线上全线用水为纯水 防银层变黄发黑 自来水中有氯离子 Ag ClAgCl 生成白色沉淀 银与空气中的硫易结合 形成硫化银 黄色或黑色 所有操作 贮存 包装 均需戴无硫手套 无硫纸包装 贮存环境要求高 不容许用普通纸相隔板子 不允许用橡皮圈包板子 防银离子迁移 已沉银板子不得存放在潮湿的环境中 在贮存期内使用 参看CPCA标准 印刷板的包装 运输和保管 CPCA1201 2009 应用 客户指定 在高频信号中 沉Ag板电性能良好 欧美不少用户要求作沉Ag板 9 3 5电镀镍金 流程 除油 微蚀 酸洗 纯水洗 镀镍 纯水洗 镀金 回收金 水洗镀层类型 镀硬金 用在 PCB插头 按键上 特点 耐磨 接触良好 有硬度 120 190 镍打底 Ni层厚度3 5微米 金厚度 0 1 0 25 0 5 0 8 1 0 微米 金镀层含有钴 Co 0 5 或Ni锑等金属 镀软金 纯金 24K金 用途 焊接用 特点 镍打底 2 5微米 防止金层向铜层扩散 镍层在焊接时牢固同焊料结合 镀Au层很薄 0 05 0 1微米 特点 线路上要镀上金 成本高 目前已很少使用 金面上印阻焊剂 阻焊易脱落 焊接时金层会变脆 焊料中金含量 3 时 10 3 6化镍金 英文全称 ElectrolessNickelandImmersionGold 简称ENIG 化镍沉金 3 6 1 流程 除油 脱脂 微蚀 活化 化学镍 化学金 清洗 3 6 2 特点 化学镀Ni Au镀层厚度均匀 共面性好 可焊接性好 优良的耐腐蚀性 耐磨性 广泛应用于手电 电脑等领域 镍层厚度3 5微米 目的防铜 金界面之间互相扩散 保证焊点可靠焊牢 化学Ni Au已迅速取代电镀Ni Au 化学镍是工艺关键 又是最大难点 化金层通常为0 05 0 15微米 3 6 3反应机理 化镍 铜面在金属钯催化下 通过溶液中的还原剂和镍离子开始镀镍反应 镍本身是进一步化学镀镍的催化剂 在溶液中的还原剂次磷酸钠的作用下 化学沉镍过程会不断继续下去 直至产品在槽液中取出 磷在沉积过程中同镍共镀到镀层中 化学沉镍 实际是化学沉镍磷合金 沉金 氧化还原反应 通过镍金置换反应在镍面上沉积上金 11 3 6 4磷的含量 占镍磷合金镀层的比例 低磷 1 5 焊锡性 润湿性好 含磷少 会形成颗粒状结构 耐腐蚀性差 镀层易氧化 中磷 6 9 焊锡性 润湿性 耐腐蚀性均好 磷含量控制在中磷范围为好 高磷 9 13 耐腐蚀性好 但焊锡性 润湿性均一般 焊接过程容易形成富磷层 高磷会使Ni P层产生内应力过大而产生脆裂 3 6 5 焊接时产生的IMCIMC IntermetallicCompound的缩写 中文 介面金属间化合物 化Ni沉Au层作无铅焊接时 金层在充足的热量下 会迅速溶入焊锡的主体中 形成四处分散的AuSn4的介面金属间化合物 金溶入的速度比镍要快几万倍 溶速为117微英寸 秒 而只有镍和锡在较慢的速度下形成的共晶化合物Ni3Sn4而焊牢 所以说 沉Ni Au层在焊接时形成焊接牢固的是Ni3Sn4这一层IMC 介面金属间化合物 化Ni沉Au焊接中IMC的厚度一般在1 3微米 过厚 过薄的IMC层都会影响到焊接强度 12 3 6 6焊接时 焊接的实质是在镍的表面进行的 金层是为了保护新鲜的镍表面不被氧化 金层不应太厚 在焊接的温度下 很薄的金层会迅速融入焊料中 焊接时 在镍表面首先形成Ni3Sn4的IMC结构 是一层平整针状的表面 这层化合物能够降低焊料与Ni P层之间的反应 成为很好的阻挡层 但是 熔融的Sn易于通过NiSn的空隙进入到Ni3Sn4界面 并形成Ni3SnP的界面共晶化合物 IMC 引起Ni3Sn4破裂 造成可焊性问题 3 6 7化镍金主要缺陷 黑点 黑斑 黑盘 浅白 色泽不一 可焊性差 焊点裂开 金脆 富磷层 导致焊点强度不足 元件会脱落 13 3 6 8缺陷原因分析 当镍层厚度小于2微米时 或不均匀的Ni层 表面处理不好 这时Ni表面显得浅白 当镍 金面受到了污染 腐蚀时 会产生黑点 黑盘 化镍后 水洗不良 水质差 或在空气中暴露太久 沉金反应过度 镍层氧化 沉金后水洗不良 沉镍金后储存条件差 当金层太厚 金在焊料中的重量比 0 3 时 或焊接温度不足时 会引起金的不完全扩散 这时的焊接层IMC强度不足 脆性增大 这就是金脆 当富磷层太厚 镀层中含P太高 9 会导致焊点强度不足 元件易脱落 太厚的IMC层在一定程度上降低焊点的机械结合强度 镍层的含磷量 对镀层的可焊性和腐蚀性至关重要 P占6 9 合适 IMC不能太厚 控制1 3微米为宜 难点 关键点是控制好镍槽 14 3 6 9富磷层太厚原因 沉镍液中磷含量偏高 化镍过程控制不当 镍镀液寿命短 通常4 5MTO后 重新开缸 MTO 金属置换周期 沉镍后水洗 清洁不良 镍面被污染 氧化 被氧化 污染了的镍不会参与镍金之间的置换反应 在被沉金层覆盖后表现为富磷层 沉金过程金层越厚 置换出的镍越多 镍面受到过度腐蚀 形成的富磷层越厚 沉金不是越厚越好 焊接用金层控制在0 03 0 08微米 1 3微英寸为佳 IMC太厚 焊接过程中是镍与锡形成焊接层IMC 磷不参与焊接 所以在失去镍的部分磷含量则相对富集 IMC层越厚参与焊接的镍层越多 则富磷层越厚 IMC控制1 3微米为合适 富磷层中P含量为15 18 焊点开裂 焊接强度不足 元件脱落 往往发生在IMC与富磷层之间 15 图1 浸金之前的良好镍面结构 镍磷均匀的分布 16 图2 进入浸金槽时 未进行反应 的镍金状况 镍金即将与置换反应的形式原子交换 17 图3 浸金反应完成后 镍金交换位置 镍离子游离于槽液中 金覆盖在原来镍的位置 磷由于不参与置换则镍游走之后磷的比例自然上升 18 图4 ENIG完成之后的线路板 19 图5 印刷完锡膏后之ENIG板 20 图6 焊接过程中金开始融化并扩散到焊料中 锡与镍将形成IMC层 21 图7 焊接完成镍与锡形成IMC层 金完全融解后扩散到IMC层中 磷由于部份镍参与形成IMC再次富集在镍层与IMC层之间 22 图8 浸金之前良好镍面的SEM图片 为后续良好之化金提供了良好的基础 镍面1000倍SEM图片 镍面5000倍SEM图片 23 图9 浸金之前良好镍面的SEM图片 切片后的SEM图片 24 图10 浸金之前已出现污染 腐蚀的镍面SEM图片 为得到良好的化金层埋下严重的隐患 镍面1000倍SEM图片 镍面3000倍SEM图片 25 图11 浸金之前已出现腐蚀的镍面 切片后的SEM图片 26 图12 浸金反应完成后的良好金面SEM图片 良好之镍面 化金过程中又没有受到过度的攻击和腐蚀则可得到良好之金面 27 图13 浸金反应完成后金面出现局部腐蚀污染的SEM图片 本身已出现污染 腐蚀的镍面或在浸金过程中受到过度的药水攻击必然得不到良好的金层 28 图14 焊接完成后形成的良好IMC层 完全无腐蚀和明显富磷层的SEM照片 如此焊接镀层肯定不会有任何的失效问题 良好之IMC层 无腐蚀 富磷层之镍层 29 图15 焊接完成后形成的不连续之针状IMC层 富磷层明显的SEM照片 但镍层未见明显腐蚀刺入所以在没有受特别外力作用的情况下还不至于造成零件脱落的严重后果 富磷层 不连续之针状IMC层 30 图16 焊接完成后形成过厚的IMC层和富磷层 并有明显腐蚀刺入现象 的SEM照片 如此焊接层失效的可能性基本无法避免 IMC层 富磷层 腐蚀 刺入点 31 图17 焊接完成后形成过厚的IMC层和富磷层 并有明显腐蚀刺入现象 的失效SEM照片 32 3 6 10如何保证化Ni Au产品的可靠性 严格控制化镍工艺参数 确保制程参数稳定 确保P含量为6 9 中磷 范围内 严格控制沉金工艺参数 确保制程参数稳定 确保沉金过程镍面不受到过度腐蚀 化镍金板贮存在良好环境中 使镀层不受污染 腐蚀 焊接装量时 管控好焊接温度和参数 确保IMC厚度1 3微米 金层厚度控制0 03 0 08微米 1 3微英寸 3 7小结 目前常见的PCB表面处理工艺有 OSP 沉Ag 沉Sn 化镍沉金 无铅热风整平 电镀Ni Au 选用哪一种工艺 与SMT装配工艺 最终产品用途 客户习惯与要求 成本有关 最有发展希望与应用前景的表面涂覆 OSP 沉Ag 化Ni沉Au ENIG 说的不一定对 供参考 也有学者认为 OSP Ni An 沉Su 33 4 0六类表面涂覆尽主要特征比较 34 END 结束 谢谢 CPCA梁志立2010 08打印 黄玉莹