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转:常见的PCB表面处理工艺  

2012-08-29 14:51:25|  分类: Reading notes |  标签: |举报 |字号 订阅

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常见的PCB表面处理工艺


这里的“表面”指的是PCB上为电子元器件或其他系统到PCB的电路之间提供电气连接的连接点,如焊盘或接触式连接的连接点。


裸铜本身的可焊性很好,但是暴露在空气中很容易氧化,而且容易受到污染。这也是PCB必须要进行表面处理的原因。


1、HASL


在穿孔器件占主导地位的场合,波峰焊是最好的焊接方法。采用热风整平(HASL, Hot-air solder leveling)表面处理技术足以满足波峰焊的工艺要求,当然对于结点强度(尤其是接触式连接)要求较高的场合,多采用电镀镍/金的方法。HASL是在世界范围内主要应用的表面处理技术,但是有三个主要动力推动着电子工业不得不考虑HASL的替代技术:成本、新的工艺需求和无铅化需要。


从成本的观点来看,许多电子元件诸如移动通信和个人计算机正变成平民化的消费品。以成本或更低的价格销售,才能在激烈的竞争环境中立于不败之地。


组装技术发展到SMT以后, PCB焊盘在组装过程中要求采用丝网印刷和回流焊接工艺。在SMA场合,PCB表面处理工艺最初依然沿用了HASL技术,但是随着SMT器件的不断缩小,焊盘和网板开孔也在随之变小,HASL技术的弊端逐渐暴露了出来。HASL技术处理过的焊盘不够平整,共面性不能满足细间距焊盘的工艺要求。


环境的关注通常集中在潜在的铅对环境的影响。


2、有机可焊性保护层(OSP)


OSP的保护机理


故名思意,有机可焊性保护层(OSP, Organic solderability preservative)是一种有机涂层,用来防止铜在焊接以前氧化,也就是保护PCB焊盘的可焊性不受破坏。目前广泛使用的两种OSP都属于含氮有机化合物,即连三氮茚(Benzotriazoles)和咪唑有机结晶碱(Imidazoles)。它们都能够很好的附着在裸铜表面,而且都很专一―――只情有独钟于铜,而不会吸附在绝缘涂层上,比如阻焊膜。               


连三氮茚会在铜表面形成一层分子薄膜,在组装过程中,当达到一定的温度时,这层薄膜将被熔掉,尤其是在回流焊过程中,OSP比较容易挥发掉。咪唑有机结晶碱在铜表面形成的保护薄膜比连三氮茚更厚,在组装过程中可以承受更多的热量周期的冲击。


OSP涂附工艺


清洗: 在OSP之前,首先要做的准备工作就是把铜表面清洗干净。其目的主要是去除铜表面的有机或无机残留物,确保蚀刻均匀。


微蚀刻(Microetch):通过腐蚀铜表面,新鲜明亮的铜便露出来了,这样有助于与OSP的结合。可以借助适当的腐蚀剂进行蚀刻,如过硫化钠(sodium persulphate),过氧化硫酸(peroxide/sulfuric acid)等。


Conditioner:可选步骤,根据不同的情况或要求来决定要不要进行这些处理。


OSP:然后涂OSP溶液,具体温度和时间根据具体的设备、溶液的特性和要求而定。


清洗残留物:完成上面的每一步化学处理以后,都必须清洗掉多余的化学残留物或其他无用成分。一般清洗一到两次足夷。物极必反,过分的清洗反倒会引起产品氧化或失去光泽等,这是我们不希望看到的。


整个处理过程必须严格按照工艺规定操作,比如严格控制时间、温度和周转过程等。


OSP的应用


PCB 表面用OSP处理以后,在铜的表面形成一层薄薄的有机化合物,从而保护铜不会被氧化。Benzotriazoles型OSP的厚度一般为100A°,而 Imidazoles型OSP的厚度要厚一些,一般为400 A°。OSP薄膜是透明的,肉眼不容易辨别其存在性,检测困难。


在组装过程中(回流焊),OSP很容易就熔进到了焊膏或者酸性的Flux里面,同时露出活性较强的铜表面,最终在元器件和焊盘之间形成Sn/Cu金属间化合物,因此,OSP用来处理焊接表面具有非常优良的特性。


OSP不存在铅污染问题,所以环保。


OSP的局限性


    1)由于OSP透明无色,所以检查起来比较困难,很难辨别PCB是否涂过OSP。


    2)OSP本身是绝缘的,它不导电。Benzotriazoles类的OSP比较薄,可能不会影响到电气测试,但对于Imidazoles类 OSP,形成的保护膜比较厚,会影响电气测试。OSP更无法用来作为处理电气接触表面,比如按键的键盘表面。


    3)OSP在焊接过程中,需要更加强劲的Flux,否则消除不了保护膜,从而导致焊接缺陷。


    4)在存储过程中,OSP表面不能接触到酸性物质,温度不能太高,否则OSP会挥发掉。


随着技术的不断创新,OSP已经历经了几代改良,其耐热性和存储寿命、与Flux的兼容性已经大大提高了。


3、化镍浸金(ENIG)


ENIG的保护机理


通过化学方法在铜表面镀上Ni/Au。内层Ni的沉积厚度一般为120~240μin(约3~6μm),外层Au的沉积厚度比较薄,一般为2~4μinch (0.05~0.1μm)。Ni在焊锡和铜之间形成阻隔层。焊接时,外面的Au会迅速融解在焊锡里面,焊锡与Ni形成Ni/Sn金属间化合物。外面镀金是为了防止在存储期间Ni氧化或者钝化,所以金镀层要足够密,厚度不能太薄。


       ENIG处理工艺


清洗:清洗的目的与OSP工艺一样,清楚铜表面的有机或无机残留物,为蚀刻和催化做好准备。


蚀刻(Microetch):同OSP工艺……


催化剂:这一步的作用是在铜表面沉积一层催化剂薄膜,从而降低铜的活性能量,这样Ni就比较容易沉积在铜表面。钯、钌都是可以使用的催化剂。


化学镀镍:这里就不详细介绍其具体过程了。镍沉积含有6~11%的磷,根据实际的具体用途,镍可能用作焊接表面,也可能作为接触表面,但不论怎样,必须确保镍有足够的厚度,以达到保护铜的作用。


浸金:在这个过程中,目的是沉积一层薄薄的且连续的金保护层,主要金的厚度不能太厚,否则焊点将变得很脆,严重影响焊电可靠性。与镀镍一样,浸金的工作温度很高,时间也很长。在浸洗过程中,将发生置换反应―――在镍的表面,金置换镍,不过当置换到一定程度时,置换反应会自动停止。金强度很高,耐磨擦,耐高温,不易氧化,所以可以防止镍氧化或钝化,并适合工作在强度要求高的场合。


清洗残留物:完成上面的每一步化学处理以后,都必须清洗掉多余的化学残留物或其他无用成分。一般清洗一到两次足夷。物极必反,过分的清洗反倒会引起产品氧化或失去光泽等,这是我们不希望看到的。


ENIG的应用


ENIG处理过的PCB表面非常平整,共面性很好, 用于按键接触面非他莫属。其次,ENIG可焊性极佳,金会迅速融入熔化的焊锡里面,从而露出新鲜的Ni。


ENIG的局限性


ENIG 的工艺过程比较复杂,而且如果要达到很好的效果,必须严格控制工艺参数。最为麻烦的是,ENIG处理过的PCB表面在ENIG或焊接过程中很容易产生黑盘效应(Black pad),从而给焊点的可靠性带来灾难性的影响。黑盘的产生机理非常复杂,它发生在Ni与金的交接面,直接表现为Ni过度氧化。金过多,会使焊点脆化,影响可靠性。


4、化镍钯浸金(ENEPIG)


化镍钯浸金的原理


ENEPIG与ENIG相比,在镍和金之间多了一层钯。Ni的沉积厚度为120~240μin(约3~6μm),钯的厚度为4~20μin(约0.1~0.5μm),金的厚度为1~4μin(约 0.02~0.1μm)。钯可以防止出现置换反应导致的腐蚀现象,为浸金作好充分准备。金则紧密的覆盖在钯上面,提供良好的接触面。


化镍钯浸金的工艺步骤


化镍钯浸金的工艺步骤见表3


化镍钯浸金的应用


化镍钯浸金的应用非常广泛,可以替代化镍浸金。在焊接过程中,钯和金都会融解到熔化的焊锡里面,从而形成镍/锡金属间化合物。


化镍钯浸金的局限性


化镍钯浸金虽然有很多优点,但是钯的价格很贵,同时钯是一种短缺资源,主要发布在前苏联。同时与化镍浸金一样,其工艺控制要求很严。


5、浸银(Immersion silver)


浸银的工作原理


通过浸银工艺处理,薄(5~15μin,约0.1~0.4μm)而密的银沉积提供一层有机保护膜,铜表面在银的密封下,大大延长了寿命。浸银的表面很平,而且可焊性很好。


浸银的工作步骤


浸银的工作步骤见表4。


其他步骤这里不再赘述,预浸的目的主要是防止污染物的引入。浸银过程也是一个在铜表面银替换铜的置换反映过程。银沉积层同时含有有机添加剂和有机表面活性剂,有机添加剂用来确保浸银平整,而有机表面活性剂则可以保护PCB在储藏过程中银吸收潮气。


浸银的应用


浸银焊接面可焊性很好,在焊接过程中银会融解到熔化的锡膏里,和HASL和OSP一样在焊接表面形成Cu/Sn金属间化合物。浸银表面共面性很好,同时不像OSP那样存在导电方面的障碍,但是在作为接触表面(如按键面)时,其强度没有金好。


浸银的局限性


浸银的一个让人无法忽略的问题是银的电子迁移问题。当暴露在潮湿的环境下时,银会在电压的作用下产生电子迁移。通过向银内添加有机成分可以降低电子迁移的发生。


6、浸锡


浸锡原理


由于两个原因才采用了浸锡工艺:其一是浸锡表面很平,共面性很好;其二是浸锡无铅。但是在浸锡过程中容易产生Cu/Sn金属间化合物,Cu/Sn金属间化合物可焊性很差。


如果采用浸锡工艺,必须克服两障碍:颗粒大小和Cu/Sn金属间化合物的产生。浸锡颗粒必须足够小,而且要无孔。锡的沉积厚度不低于40μin(1.0μm)是比较合理的,这样才能提供一个纯锡表面,以满足可焊性要求。


浸锡的工艺步骤预浸银基本相似,这里不再赘述。


浸锡的应用和局限性:


浸锡的最大弱点是寿命短,尤其是存放于高温高湿的环境下时,Cu/Sn金属间化合物会不断增长,直到失去可焊性。



比较:

每种表面处理工艺各有起独到之处,应用范围也不大相同。但化镍钯浸金(ENEPIG)是一种万能的处理方法,它能够满足各种组装场合的要求。

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