原创常见的PCB表面处理工艺

 2007-11-15 17:58  6396 16 16 分类: 工程师职场

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。 7、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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