通过工艺优化消除PCB沉银层缺陷

　　摘要：沉银工艺已经成为印制线路板主要的最终表面处理方式之一。随着它的成功应用,在PWB制造厂商和装配厂商中得到了相当多的有关使用性能的信息。由于先进高密度互联技术的线路板对低缺陷率的严格要求,我们对亚洲主要的使用厂商进行了为期一年(到2005年7月为止)的调查。基于这个调查结果,本文主要探讨造成银层缺陷的最普遍原因和如何通过优化沉银工艺来减少在量产时的各种缺陷。
　　关键词：酸性镀锡；专用处理剂
　　一、调查
　　本调查共有93家厂商(包括64家PWB制造厂商和29家装配厂商)参与,根据他们的反馈,造成缺陷或报废有6个主要的原因:贾凡尼效应、腐蚀、露铜、离子污染、微空洞、可焊性
　　很明显,因为印制线路板完成装配后不能重工,所以因微空洞而报废所造成的成本损失最高。虽然其中有八个PWB 制造厂商因为客户退件而注意到了该缺陷,但是此类缺陷主要还是由装配厂商提出。
　　可焊性问题根本没有被PWB制造厂商报告过,只有三家装配厂商误将发生在内部有大散热槽/面的高纵横比(HAR) 厚板上的”缩锡”问题(是指在波峰焊后焊锡只填充到孔深度的一半)归咎于沉银层。经由原始设备商(OEM)针对此问题更深入的研究验证,此问题完全是由于线路板设计所产生的可焊性问题,与沉银工艺或其他最终表面处理方式无关。
　　二、根本原因分析
　　通过对造成缺陷的根本原因分析,可经由工艺改善和参数优化相结合的方式将这些缺陷率降到最低。
　　贾凡尼效应通常出现在阻焊膜和铜面之间的裂缝下。在沉银过程中,因为裂缝的缝隙非常小,限制了沉银液对此处的银离子供应,但是此处的铜可以被腐蚀为铜离子,然后在裂缝外的铜表面上发生沉银反应。因为离子转换是沉银反应的源动力,所以裂缝下铜面受攻击程度与沉银厚度直接相关。
　　2Ag+ + 1Cu = 2 Ag + 1Cu++ (+ 是失去一个电子的金属离子)
　　下面任何一个原因都会形成裂缝:侧蚀/显影过度或阻焊膜与铜面结合不好;不均匀的电镀铜层(孔口薄铜处);阻焊膜下基材铜上有明显的深刮痕。
　　腐蚀  是由于空气中的硫或氧与金属表面反应而产生的。银与硫反应会在表面生成一层黄色的硫化银(Ag2S)膜,若硫含量较高,硫化银膜最终会转变成黑色。银被硫污染有几个途径,空气(如前所述)或其他污染源,如PWB包装纸。银与氧的反应则是另外一种过程,通常是氧和银层下的铜发生反应,生成深褐色的氧化亚铜。这种缺陷通常是因为沉银速度非常快,形成低密度的沉银层,使得银层低部的铜容易与空气接触,因此铜就会和空气中的氧产生反应。疏松的晶体结构的晶粒间空隙较大,因而需要更厚的沉银层才能达到抗氧化。这意味着生产中要沉积更厚的银层从而增加了生产成本,也增加了可焊性出现问题的机率,如微空洞和焊接不良。
　　露铜  通常与沉银前的化学工序有关。这种缺陷在沉银工艺后显现,主要是因为前制程未完全去除的残留膜阻碍了银层的沉积而产生的。最常见的是由阻焊工艺带来的残留膜,它是在显影液中显影未净所致, 也就是所谓的“残膜”,这层残膜阻碍了沉银反应。机械处理过程也是产生露铜的原因之一,线路板的表面结构会影响板面与溶液接触的均匀程度,溶液循环不足或过多同样会形成不均匀的沉银层。
　　离子污染 线路板表面存在的离子物质会干扰线路板的电性能。这些离子主要来自沉银液本身(残存在沉银层或在阻焊膜下)。不同沉银溶液离子含量不同,离子含量越高的溶液,在同样的水洗条件下,离子污染值越高。沉银层的孔隙度也是影响离子污染的重要因素之一,孔隙度高的银层容易残存溶液中的离子,使得水洗的难度增大,最终会导致离子污染值的相应升高。后水洗效果同样会直接影响离子污染,水洗不充分或水质不合格都会引起离子污染超标。
　　微空洞 通常直径小于1mil,位于焊料和焊接面之间的金属界面化合物之上的空洞被称为微空洞,因为它实际上是焊接面的“平面空泡群”,所以极大的减小了焊接结合力。OSP、ENIG以及沉银表面都会出现微空洞,其形成的根本原因尚未明确,但已确认了几个影响因素。尽管沉银层的所有微空洞都发生在厚银(厚度超过15μm)表面,但并非所有的厚银层都会发生微空洞。当沉银层底部的铜表面结构非常粗糙时更容易产生微空洞。微空洞的发生似乎也与共沉积在银层中的有机物的种类及成分有关。针对以上所述之现象,原始设备厂商(OEM)、设备生产服务商(EMS)、PWB制造厂商以及化学品供应商进行了数个模拟条件下焊接研究,但没有一个能够彻底消除微空洞。