如何消除PCB線路板的沉銀層

大家都知道,因?yàn)橛≈凭€路板完成裝配后不能重工,所以因微空洞而報(bào)廢所造成的成本損失最高。雖然其中有八個(gè)PWB制造廠商因?yàn)榭蛻敉思⒁獾搅嗽撊毕?但是此類缺陷主要還是由裝配廠商提出。可焊性問題根本沒有被PWB制造廠商報(bào)告過,只有三家裝配廠商誤將發(fā)生在內(nèi)部有大散熱槽/面的高縱橫比(HAR) 厚板上的”縮錫”問題(是指在波峰焊后焊錫只填充到孔深度的一半)歸咎于沉銀層。經(jīng)由原始設(shè)備商(OEM)針對此問題更深入的研究驗(yàn)證,此問題完全是由于線路板設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的可焊性問題,與沉銀工藝或其他最終表面處理方式無關(guān)。

二、根本原因分析

通過對造成缺陷的根本原因分析,可經(jīng)由工藝改善和參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合的方式將這些缺陷率降到最低。賈凡尼效應(yīng)通常出現(xiàn)在阻焊膜和銅面之間的裂縫下。在沉銀過程中,因?yàn)榱芽p的縫隙非常小,限制了沉銀液對此處的銀離子供應(yīng),但是此處的銅可以被腐蝕為銅離子,然后在裂縫外的銅表面上發(fā)生沉銀反應(yīng)。因?yàn)殡x子轉(zhuǎn)換是沉銀反應(yīng)的源動(dòng)力,所以裂縫下銅面受攻擊程度與沉銀厚度直接相關(guān)。2Ag+ + 1Cu = 2 Ag + 1Cu++ (+ 是失去一個(gè)電子的金屬離子)下面任何一個(gè)原因都會(huì)形成裂縫:側(cè)蝕/顯影過度或阻焊膜與銅面結(jié)合不好;不均勻的電鍍銅層(孔口薄銅處);阻焊膜下基材銅上有明顯的深刮痕。

腐蝕 是由于空氣中的硫或氧與金屬表面反應(yīng)而產(chǎn)生的。銀與硫反應(yīng)會(huì)在表面生成一層$的硫化銀(Ag2S)膜,若硫含量較高,硫化銀膜最終會(huì)轉(zhuǎn)變成黑色。銀被硫污染有幾個(gè)途徑,空氣(如前所述)或其他污染源,如PWB包裝紙。銀與氧的反應(yīng)則是另外一種過程,通常是氧和銀層下的銅發(fā)生反應(yīng),生成深褐色的氧化亞銅。這種缺陷通常是因?yàn)槌零y速度非?？?形成低密度的沉銀層,使得銀層低部的銅容易與空氣接觸,因此銅就會(huì)和空氣中的氧產(chǎn)生反應(yīng)。疏松的晶體結(jié)構(gòu)的晶粒間空隙較大,因而需要更厚的沉銀層才能達(dá)到抗氧化。這意味著生產(chǎn)中要沉積更厚的銀層從而增加了生產(chǎn)成本,也增加了可焊性出現(xiàn)問題的機(jī)率,如微空洞和焊接不良。

露銅通常與沉銀前的化學(xué)工序有關(guān)。這種缺陷在沉銀工藝后顯現(xiàn),主要是因?yàn)榍爸瞥涛赐耆コ臍埩裟ぷ璧K了銀層的沉積而產(chǎn)生的。最常見的是由阻焊工藝帶來的殘留膜,它是在顯影液中顯影未凈所致, 也就是所謂的“殘膜”,這層殘膜阻礙了沉銀反應(yīng)。機(jī)械處理過程也是產(chǎn)生露銅的原因之一,線路板的表面結(jié)構(gòu)會(huì)影響板面與溶液接觸的均勻程度,溶液循環(huán)不足或過多同樣會(huì)形成不均勻的沉銀層。

離子污染線路板表面存在的離子物質(zhì)會(huì)干擾線路板的電性能。這些離子主要來自沉銀液本身(殘存在沉銀層或在阻焊膜下)。不同沉銀溶液離子含量不同,離子含量越高的溶液,在同樣的水洗條件下,離子污染值越高。沉銀層的孔隙度也是影響離子污染的重要因素之一,孔隙度高的銀層容易殘存溶液中的離子,使得水洗的難度增大,最終會(huì)導(dǎo)致離子污染值的相應(yīng)升高。后水洗效果同樣會(huì)直接影響離子污染,水洗不充分或水質(zhì)不合格都會(huì)引起離子污染超標(biāo)。

微空洞通常直徑小于1mil,位于焊料和焊接面之間的金屬界面化合物之上的空洞被稱為微空洞,因?yàn)樗鼘?shí)際上是焊接面的“平面空泡群”,所以極大的減小了焊接結(jié)合力。OSP、ENIG以及沉銀表面都會(huì)出現(xiàn)微空洞,其形成的根本原因尚未明確,但已確認(rèn)了幾個(gè)影響因素。盡管沉銀層的所有微空洞都發(fā)生在厚銀(厚度超過15μm)表面,但并非所有的厚銀層都會(huì)發(fā)生微空洞。當(dāng)沉銀層底部的銅表面結(jié)構(gòu)非常粗糙時(shí)更容易產(chǎn)生微空洞。微空洞的發(fā)生似乎也與共沉積在銀層中的有機(jī)物的種類及成分有關(guān)。針對以上所述之現(xiàn)象,原始設(shè)備廠商(OEM)、設(shè)備生產(chǎn)服務(wù)商(EMS)、PWB制造廠商以及化學(xué)品供應(yīng)商進(jìn)行了數(shù)個(gè)模擬條件下焊接研究,但沒有一個(gè)能夠徹底消除微空洞。

三、預(yù)防措施

預(yù)防措施的制訂需要考量實(shí)際生產(chǎn)中化學(xué)品和設(shè)備對各種缺陷的貢獻(xiàn)度,才能避免或消除缺陷并提升良品率。賈凡尼效應(yīng)的預(yù)防可以追溯到前制程的鍍銅工序,對高縱橫比孔和微通孔而言,均勻的電鍍層厚度有助于消除賈凡尼效應(yīng)的隱患。剝膜,蝕刻以及剝錫工序中的過度腐蝕或側(cè)蝕都會(huì)促使裂縫的形成,裂縫中會(huì)殘留微蝕溶液或其他溶液。盡管如此,阻焊膜的問題仍是發(fā)生賈凡尼效應(yīng)的最主要原因,大多數(shù)發(fā)生賈凡尼效應(yīng)的缺陷板都有側(cè)蝕或阻焊膜脫落現(xiàn)象,這種問題主要來自于曝光顯影工序。因此如果阻焊膜顯影后都呈“正向腳”同時(shí)阻焊膜也被完全固化,那么賈凡尼效應(yīng)問題就幾乎可以被消除。要得到好的沉銀層,在沉銀的位置必須是100%金屬銅,每個(gè)槽溶液都有良好的貫孔能力,而且通孔內(nèi)溶液能夠有效交換。若是非常精細(xì)的結(jié)構(gòu),如HDI 板,在前處理和沉銀槽液中安裝超聲波或噴射器非常有用。對于沉銀工藝生產(chǎn)管理而言,控制微蝕速率形成光滑、半光亮的表面也可以改善賈凡尼效應(yīng)。對于原始設(shè)備商(OEM)而言,應(yīng)盡量避免大銅面或高縱橫比的通孔與細(xì)線路相連接的設(shè)計(jì),消除發(fā)生賈凡尼效應(yīng)的隱患。對化學(xué)品供應(yīng)商而言,沉銀液不能有很強(qiáng)的攻擊性,要保持適當(dāng)pH值,沉銀速度受控并能生成預(yù)期的晶體結(jié)構(gòu),能以最薄銀厚達(dá)到最佳的抗蝕性能。

腐蝕可以通過提高鍍層密度,降低孔隙度來減小。使用無硫材料包裝,同時(shí)以密封來隔絕板與空氣的接觸,也防止了空氣中夾帶的硫接觸銀表面。最好將包裝好的板存放在溫度30℃、相對濕度40%的環(huán)境中。雖然沉銀板的保存期很長,但是存儲(chǔ)時(shí)仍要遵循先進(jìn)先出原則。

露銅可以通過優(yōu)化沉銀的前工序來降低或消除。為了達(dá)到這個(gè)目的,可在微蝕后通過“破水”實(shí)驗(yàn)或“亮點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)來檢查銅表面,清潔的銅表面可以保持水膜至少40秒。定期維護(hù)保養(yǎng)設(shè)備以確保溶液循環(huán)均勻穩(wěn)定,通過DOE優(yōu)化時(shí)間、溫度、攪拌來獲得最佳的沉銀操作參數(shù),進(jìn)而確保得到理想的厚度和高品質(zhì)的銀層。根據(jù)需要使用超聲波或噴射器來提高沉銀液對微通孔、高縱橫比孔及厚板的潤濕能力,同時(shí)也為生產(chǎn)HDI板提供可行的解決方案,這些輔助的機(jī)械方法可被應(yīng)用在前處理和沉銀液中來確保孔壁完全被潤濕。

離子污染可通過降低沉銀溶液的離子濃度來降低?；谶@個(gè)原因,在不影響溶液性能的條件下,沉銀液的離子含量應(yīng)盡可能保持在較低水平。通常最后的清洗段要用去離子水清洗至少1分鐘,同時(shí)還必須定期檢測離子含量(陰離子和陽離子)是否符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。區(qū)別主要污染的,這些測試的結(jié)果必須記錄并保留。

微空洞是最難預(yù)防的一種缺陷,因?yàn)樗a(chǎn)生的真正原因尚未明確。誠如前面所述,我們已經(jīng)知道有些因素似乎會(huì)引發(fā)微空洞或伴隨微空洞而出現(xiàn),可以通過消除或盡量減少這些因素來達(dá)到控制出現(xiàn)微空洞問題。其中沉銀厚度是引發(fā)微空洞的最顯著因素,所以控制沉銀層厚度是首要步驟。其次還應(yīng)該調(diào)整微蝕速度和沉銀速度以獲得光滑均勻的表面結(jié)構(gòu)。還要通過測試槽液在使用周期內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)的沉銀層的純度,來監(jiān)控沉銀層中的有機(jī)物含量,合理的銀含量應(yīng)控制在90% (原子比) 以上。

四、理想工藝- AlphaSTAR

一個(gè)“理想工藝”除了是性能優(yōu)異之外,還必須滿足2006年7月1日公布的電子工業(yè)對于安全、環(huán)保以及可靠性的要求。雖然早在1994年樂思化學(xué)就擁有AlphaLEVEL產(chǎn)品系列的專利權(quán),但是樂思化學(xué)依舊持續(xù)不斷的進(jìn)行著工藝的改善和研發(fā),現(xiàn)已成功研發(fā)出應(yīng)用于印制線路板的第三代沉銀技術(shù)—AlphaSTAR。AlphaSTAR工藝特別為滿足當(dāng)今日益嚴(yán)格的最終表面處理的要求而設(shè)計(jì),它解決了以上探討的幾個(gè)導(dǎo)致線路板報(bào)廢、成本增加、環(huán)保和安全等問題，并且符合現(xiàn)在和未來可能影響印制線路板工業(yè)的相關(guān)法規(guī)。本工藝共有7個(gè)步驟(其中三個(gè)為水洗步驟),其性能及優(yōu)點(diǎn)如下所述:

前處理 分為以下四個(gè)步驟:除油、水洗、微蝕及水洗。除油溶液的表面張力非常低，能夠潤濕所有的銅表面，這樣既消除了露銅問題，又促進(jìn)了銀層在高縱橫比孔和微通孔內(nèi)的沉積。獨(dú)特的微蝕配方可產(chǎn)生微粗化，半光亮的表面結(jié)構(gòu)，這樣的表面結(jié)構(gòu)有利于形成具有精細(xì)而且致密的晶體結(jié)構(gòu)的銀層,因此即使在銀層厚度很低時(shí)也可獲得高密度、低孔隙的沉銀層。這就大大提高了銀層的抗蝕性能。

沉銀分為以下三個(gè)步驟:預(yù)浸、沉銀和最后的去離子水洗。設(shè)立預(yù)浸的目的有三個(gè)，一是用作犧牲溶液,防止從微蝕槽帶進(jìn)銅和其他物質(zhì)污染沉銀液，二是為沉銀置換反應(yīng)提供清潔的銅面,使銅面獲得與沉銀液中相同的化學(xué)環(huán)境和pH值。由于預(yù)浸的成分和沉銀液一樣(除了金屬銀外)，此工序的第三個(gè)功能就是對沉銀槽的自動(dòng)補(bǔ)充。在沉銀反應(yīng)中唯一消耗的是金屬銀,沉銀液中有機(jī)組分含量的變化僅僅是由槽液帶出所造成的損失，而預(yù)浸和沉銀溶液有同樣的成分,預(yù)浸帶進(jìn)的量等于沉銀帶出的量,因此沉銀液不會(huì)積聚不必要的有機(jī)物。沉銀反應(yīng)是通過銅和銀離子之間的置換反應(yīng)進(jìn)行的。經(jīng)過AlphaSTAR 微蝕溶液微粗化處理的銅表面，可以確保在受控的沉銀速度下能夠緩慢生成均勻一致的沉銀層。慢的沉銀速度有利于沉積出致密的晶體結(jié)構(gòu)，避免了由于沉淀和結(jié)塊而產(chǎn)生的微粒增長,形成高密度的銀層。這種結(jié)構(gòu)緊密，厚度適中(6 - 12u”)的銀層不僅具有高的抗蝕性能,同時(shí)也具有非常良好的導(dǎo)電性能。沉銀液非常穩(wěn)定，有很長的使用周期,對光和微量鹵化物不敏感。AlphaSTAR的其他優(yōu)點(diǎn)如:大大縮短了停工期，低離子污染以及設(shè)備成本低。

五、結(jié)論

AlphaSTAR工藝集中了幾種最終表面處理的最佳性能，它滿足并超越了全球印制電路板工業(yè)對可焊性，可靠性，安全性以及符合法規(guī)的要求。AlphaSTAR工藝有寬闊的操作窗口;易于操作、控制及維護(hù)，可進(jìn)行返工操作,在同類最終表面處理中生產(chǎn)成本最低。AlphaSTAR 工藝針對以上探討的六個(gè)與沉銀工藝相關(guān)的問題，消除或減少了這些問題對高品質(zhì)產(chǎn)品的直接影響。另外此工藝符合RoHS和WEEE的規(guī)定，沉銀層完全無鉛。
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