PCB焊盘涂层对焊接可靠性的影响

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一、PCB常用可焊性涂层的特性描述

1.ENIG Ni（P）/Au镀层 1）镀层特点ENIG Ni（P）/Au（化学镀镍、金）工艺是在PCB涂敷阻焊层（绿油）之后进行的。对ENIG Ni/Au工艺的最基本要求是可焊性和焊点的可靠性。化学镀Ni层厚度为3～5μm，化学镀薄Au层（又称浸Au、置换Au），厚度为0.025～0.1μm。化学镀厚Au层（又称还原Au），厚度为0.3～1μm，一般在0.5μm左右。化学镀镍的含P量，对镀层可焊性和耐腐蚀性是至关重要的。一般以含P 7%～9%为宜（中磷）。含P量太低，镀层耐腐蚀性差，易氧化。而且在腐蚀环境中由于Ni/Au的腐蚀原电池作用，会对Ni/Au的Ni表面层产生腐蚀，生成Ni的黑膜（NixOy），这对可焊性和焊点的可靠性都是极为不利的。P含量高，镀层抗腐蚀性提高，可焊性也可以改善2）应用特性
●成本高；
●黑盘问题很难根除，虚焊缺陷率往往居高不下；
●ENIG Ni/Au表面的二级互连可靠性比OSP、Im-Ag、Im-Sn及HASL-Sn等涂敷层的可靠性都要差；
●由于ENIG Ni/Au用的是Ni和5%～12%的P一起镀上去的，因此，当PCBA工作频率超过5GHz，趋肤效应很明显时，信号传输中由于Ni-P复合镀层的导电性比铜差，所以信号的传输速度变慢；
- d! o) ^' I6 k$ E●焊接中Au溶入钎料后与Sn形成的AuSn4金属间化合物碎片，导致高频阻抗不能“复零”；
. n* f2 V$ L# q) r# H: q% R7 z% M& H●存在“金脆”是降低焊点可靠性的隐患。一般情况下，焊接时间很短，只在几秒内完成，所以Au不能在焊料中均匀地扩散，这样就会在局部形成高浓度层，这层的强度最低。2.Im-Sn镀层1）镀层特点Im-Sn是近年来无铅化过程中受重视的可焊性镀层。浸Sn化学反应（用硫酸亚锡或氯化亚锡）所获得的Sn层厚度在0.1～1.5μm之间（经多次焊接至少浸Sn厚度应为1.5μm）。
      该厚度与镀液中的亚锡离子浓度、温度及镀层疏孔度等有关。由于Sn具有较高的接触电阻，在接触探测测试方面，不像浸银的那样好。常规Im-Sn工艺，镀层呈灰色，由于表面呈蜂窝状排列，以致疏孔较多，容易渗透导致老化程度加快。
2）应用特性
●成本比ENIG Ni/Au及Im-Ag、OSP低；
* y8 G; y1 d; ~●存在锡晶须问题，对精细间距与长使用寿命器件影响较大，但对PCB的影响不大；
" s; z) l- o- K; W3 j●存在锡瘟现象，Sn相变点为13.2℃，低于这个温度时变成粉末状的灰色锡（α锡），使强度丧失；
, _, @& g$ W  P" m●Sn镀层在温度环境下会加速与铜层的扩散运动而导致SnCu金属间化合物（IMC）的生长，如表1所示；
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●经过高温处理后，由于锡层厚度的消耗，将导致储存时间缩短，如表2所示；

●新板的润湿性好，但存储一段时间后，或多次再流后润湿性下降快，因此后端应用工艺性较差。

3.OSP涂层1）涂层特点OSP是20世纪90年代出现的Cu表面有机助焊保护膜（简称OSP）。某些环氮化合物，如含有苯骈三氮唑（BTA）、咪唑、烷基咪唑、苯骈咪唑等的水溶液很容易和清洁的铜表面起反应，这些化合物中的氮杂环与Cu表面形成络合物，这层保护膜防止了Cu表面被氧化。
) D9 g4 f& Z) k2）应用特性
% P, W) @6 ^9 |* x: `' Q' a) S●成本较低，工艺较简单；
% P9 N" F& j: |- U8 U) \" O●当焊接加热时，铜的络合物很快分解，只留下裸铜，因为OSP只是一个分子层，而且焊接时会被稀酸或助焊剂分解，所以不会有残留物污染问题；
# B) Z1 s& Y" E" s% r5 V* C1 Q●对有铅焊接或无铅焊接均能较好地兼容；
( |! [6 p) n  c7 v$ }●OSP保护涂层与助焊剂RMA（中等活性）兼容，但与较低活性的松香基免清洗助焊剂不兼容；
! O% v8 P* g+ @& m" L# Y* O●OSP的厚度（目前较多采用0.2～0.4μm）对所选用的助焊剂的匹配性要求较高，不同的厚度对助焊剂的匹配性要求也不同；
4 y* D0 n6 [, o●储存环境条件要求高，车间寿命短，若生产管理不能配合，就不能选用。
      4.Im-Ag镀层
' b  f1 w4 Y8 _1）镀层特点Ag在常温下具有最好的导热性、导电性和焊接性，有极强的反光能力，高频损耗小，表面传导能力高。然而，Ag对S的亲和力极高，大气中微量的S（H2S、SO2或其他硫化物）都会使其变色，生成Ag2S、Ag2O而丧失可焊性。Ag的另一个不足是Ag离子很容易在潮湿环境中沿着绝缘材料表面及体积方向迁移，使材料的绝缘性能劣化甚至短路。Ag沉积在基材铜上厚0.075～0.225μm，表面平滑，可引线键合。
2）应用特性
! w, A2 S: ?) P: H! K6 p●与Au或Pd相比其成本相对便宜；
●有良好的引线键合性，先天具有与Sn基钎料合金的优良可焊性；
●在Ag和Sn之间形成的金属间化合物（Ag3Sn）并没有明显的易碎性；
/ R4 r1 Y, H1 [8 g- ~' n●在射频（RF）电路中由于趋肤效应，Ag的高电导率特性正好发挥出来；
/ T6 w$ W4 h2 t3 }& {●与空气中的S、Cl、O接触时，在表面分别生成AgS、AgCl、Ag2O，使其表面会失去光泽而发暗，影响外观和可焊性。
1 P/ P8 q! |- u& i; v3 V- ]) J二、国内外PCB镀层的应用情况
       1.有铅应用情况大面积使用的是HASL Sn37P钎料工艺，也有使用OSP工艺的。
+ W+ J! ~6 V" a      2.无铅应用情况在无铅用PCB表面可焊性保护涂层中，发现现有的4种涂层（ENIG Ni/Au、Im-Sn、Im-Ag、OSP）谁也没有明显的优势，因此造成了不同地区和国家选用的类型都不一样。例如，北美优选Im-Ag，欧洲只用Im-Sn，日本较普遍采用OSP（少量采用HASL-Sn），国内较多采用ENIG Ni/Au、OSP等。综合各种PCB表面涂层的主要特性，如表3。

三、综合提升PCB镀层可焊性和抗环境侵蚀能力对改善工艺可靠性的现实意义
     （1）现在电子产品的制造质量越来越依赖于焊接质量。在焊接质量缺陷中占据第一位同时也是影响最严重的是虚焊，它是威胁电子产品工作可靠性的头号杀手。
    （2）虚焊现象成因复杂，影响面广，隐蔽性大，因此造成的损失也大。在实际工作中为了查找一个虚焊点，往往要花费大量的人力和物力，而且根治措施涉及面广，建立稳定、长期的解决措施也是不容易的。为此，虚焊问题一直是电子行业关注的焦点。
    （3）背板产品表面保护镀层不仅要求可焊性好，抗工作环境侵蚀能力强，而且还要求与压接工艺有良好的适应性。寻求合适的背板产品表面镀层新的镀涂层工艺，能同时适应上述要求的镀层，国内外均在研究中。
    （4）系统PCBA单板无铅化实施中，由于无铅钎料SAC的熔点比有铅钎料的高了34℃，而且润湿性也差很多，在现有的PCB涂层工艺下，焊接缺陷率（虚焊）将比有铅情况明显增加。因此，针对系统PCBA单板的无铅制程全面实施，有必要对影响系统单板焊接质量的主要因素进行预先研究和试验。
. b/ f" T; |* L2 w7 |" t3 {   （5）利用上述4种PCB表面处理涂层组装的PCBA组件，在抗恶劣环境侵蚀能力方面都不理想。以盐雾试验为例，4种工艺的大样品数试验结果如图1～图4所示。

（6）采用ENIG Ni/Au镀层的背板产品在用户应用中也不时发生点状锈蚀而返修，如图5所示。

     经过上述大样品数的应用性能分析，现有的4种工艺虽各有优点和不足，但没有一种综合性能均较优的。电子组装业一直在从事有关与可能解决HASL、OSP和ENIG、Im（化学镀）等涂层相关缺点的替代表面涂层的试验和研究，寻找一种新的涂层工艺，是同时抑制PCB焊盘虚焊和提高表面非焊金属部分抗环境侵蚀能力的唯一出路。
7 B+ \4 B3 \( w; W; f  z5 q! @四、Im-Sn+重熔工艺在恶劣环境下改善抗腐蚀能力和可焊性的机理
1.Im-Sn+重熔工艺流程
为了解决现有PCB表面涂层在存储一段时间后，在恶劣环境条件下耐腐蚀性能差，可焊性不良的问题，有必要研究一种改进的新工艺，以提供一种PCB耐腐蚀可焊涂层的新的处理方法，通过该方法处理后的PCB，同时具有抗恶劣环境侵蚀，延长车间寿命，保持可焊性和降低焊接缺陷（如虚焊、冷焊）的优点。
2.Im-Sn+重熔工艺改善抗腐蚀能力和可焊性的机理
（1）改善了镀层组织结构。由于热处理温度范围已超出Sn的熔点（232℃），镀Sn层在热处理过程中发生了重熔，使原Im-Sn表面组织由无定形状改质为粗大结晶状，因而抗老化能力增强，如图4所示。

% Y* Q2 Y* P  L3 ^( r; h（2）改善了镀层的可焊性。如图2.20所示，为Im-Sn镀层在热处理前和热处理后镀层断面放大250倍后的微结构。图2.20（a）所示为未经热处理的Im-Sn镀层断面切片微结构，由该图可以看到镀层疏松、多针孔；而图2.20（b）所示的经热处理的Im-Sn镀层断面切片微结构中镀层致密，间隙、针孔消失，厚度薄而连续。

9 x, Q0 w( F0 W& |$ Y6 ]" N7 Q（3）如图2.21所示，为Im-Sn镀层在热处理前和热处理后镀层断面切片电镜扫描（SEM）的微结构。图2.21（a）所示为未经热处理的Im-Sn镀层断面切片电镜扫描（SEM），由该图可以看到镀层晶粒粗大，颗粒大小不均，疏松、晶隙多；而图7（b）所示的经热处理的Im-Sn镀层断面切片电镜扫描（SEM）镀层晶粒细化，颗粒均匀致密，镀层厚度均匀连续。

（4）原Im-Sn镀层与基体金属Cu表面是原子结合，而经过重熔后Im-Sn层和底层金属Cu之间在温度的作用下发生了冶金反应，生成了一层薄的金属间化合物（Cu6Sn5），这种金属间化合物增强了镀Sn层与底层金属Cu间的结合力。（5）由于纯Sn易产生片状晶须，以及低温下（12.3℃）存在锡瘟现象，经过处理（重熔）后使Im-Sn层中掺入了微量的铜，从而使得上述现象得到了抑制。

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学习了，谢谢楼主