高速光模块PCB板金手指腐蚀失效研究

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第五代移动通信（5G）技术已迈入商用化进程，光模块作为光电信号的转换器，是5G网络物理层的基础构成单元，也是光设备与光纤连接的核心器件，被广泛应用于无线及传输等设备。高速光模块PCB作为光通信模块封装的电路载体，外观如图1所示，PCB 上的板边插头或称印制插头，作为插拔连接部件，在光电信号的传输过程中起着至关重要的作用。
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8 K, e# C  a* P- b0 _, f! m随着产品的应用环境越来越复杂，金手指部分长期裸露在外部环境中，因此，部分应用端客户针对光模块PCB产品除了要求印制插头表面镀层有良好的耐磨性之外，还要求具有较好的耐腐蚀性，以确保产品在使用过程中有良好的可靠性。为了满足这些品质要求，插头的表面处理方式一般选用电镀铜镍金（厚金）、化学镍金+电厚金、化学镍钯金[1]等工艺。但是，在光模块PCB产品的整个生产过程和服役周期中，影响板边插头耐腐蚀性能的因素较多，导致在应用过程中腐蚀失效时有发生，腐蚀失效外观如图2所示。大量研究表明，在盐雾[1]、硝酸蒸汽、SO2气体[2]、稀硫酸[3]等环境条件下，金镀层表面微孔隙是导致其耐腐蚀性能下降的主要原因。
( M/ f9 O! q$ V0 v本文对光模块PCB金手指腐蚀失效的共性失效模式及其失效机理进行了总结，探讨了光模块PCB板边插头的各类腐蚀的失效原因，提出了避免腐蚀的改善措施
1 腐蚀机理及失效模式
7 D& I: ]* J! B% }. ^光模块PCB板边插头一般用金(Au)层作电接触材料，Au不易与其它物质发生化学反应，能有效地抵抗外界环境中有害物质的侵蚀，但是当金手指的Au面存在微孔、晶格缺陷、缝隙、漏镀等缺陷时，Ni层或Cu层的化学性质比较活泼，会与渗入的腐蚀性介质接触，发生腐蚀失效。因此，金手指的腐蚀主要是指Au层底部的金属Ni和Cu镀层与周围腐蚀性介质（酸性气体、盐雾、含硫气体等）之间发生化学或电化学作用而引起的破坏，其腐蚀机理主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀两个方面。金属Ni或Cu镀层（阳极）与Au（阴极）形成原电池反应，由于Au与Ni的电位差要大于Au与Cu的电位差，电极电位相差较大，原电池腐蚀动力越大，所以一般Cu镀层的腐蚀程度较Ni层更严重。板边插头腐蚀位置垂直切片截面代表性形貌如图3所示。
9 |# k7 g: m/ A8 b1 r  J5 P* _图片图3 板边插头腐蚀位置截面代表性形貌

: q+ J6 K2 M, o' X  X对大量光模块PCB板边插头腐蚀失效样品进行分析发现，根据腐蚀点的分布情况，可将腐蚀模式主要分为4种：尖端磨损腐蚀、表面腐蚀、末端腐蚀和侧壁腐蚀。

2 腐蚀失效原因分析
2.1 尖端磨损腐蚀失效
9 `) v# G# |9 D& @; t/ c+ z5 H一般板边插头表面的Au 层厚度为0.8~3.0 μm，有较好的耐磨性能。当光模块PCB产品经多次插拔后，连接器插座中的弹片会在板边插头表面造成插拔接触的痕迹，如图5a所示。由于板边插头尖端位置是呈90°的直角，在插拔过程中，尖端位置受到的机械应力较集中，会更容易出现磨损，如图5b所示，这导致金层的致密性下降，对镍铜镀层的保护性不足，最终发生腐蚀失效。另外，在插头的插拔过程中，从外界环境带入的杂质颗粒附着在金面或插座的弹片上，也会增加板边插头的磨损程度，增大腐蚀失效风险。
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- W) {+ C' ~$ ^2 i( H2.2 表面腐蚀失效
板边插头表面腐蚀现象如图6a，其主要原因为表面金层厚度不足或金面存在漏镀（图6b）、划伤（图6c）、晶格异常（图6d）等缺陷，无法有效保护Ni层和Cu层，造成腐蚀介质渗入到金手指镀层内部，发生局部的点状腐蚀。这些影响因素往往与PCB制程的表面处理工艺类型和生产操作控制相关。
图片图5 板边插头尖端插拔磨损图片
  a+ g- M. C: Y图片图6 板边插头表面腐蚀外观及金面缺陷图片
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3 B* F9 |) \% j* J: E: }( C2.3 末端腐蚀失效
+ }# |2 p, [4 E板边插头的末端一般直接与导线相连，由阻焊油墨覆盖，当油墨本身存在裂缝、孔洞等缺陷或是与底部线路间结合较差存在缝隙时，腐蚀介质从缝隙处渗入，与阻焊底部的线路直接接触。由于阻焊底部的线路表面一般为电镀薄镍金或化学镍金层，Au层厚度较薄，一般为0.025 μm~0.15 μm，较难有效抵抗硝酸蒸汽、MFG（工业气体腐蚀）和硫化蒸汽等严苛条件下腐蚀性介质的渗透腐蚀，最终造成板边插头末端的油墨底部镀层被腐蚀，如图7a和图7b，阻焊底部线路腐蚀位置垂直切片如图7c。
图片图7 板边插头末端腐蚀外观及垂直切片图
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2.4 侧壁腐蚀失效
金手指有侧壁不包覆镍金和包覆镍金两类常见的工艺，这两种镀覆工艺制作的板边插头侧壁的垂直切片图分别如图8a和图8b所示。金手指侧壁不包覆镍金的光模块PCB常用于温和且稳定的环境中，具备较好的耐磨性能，但耐高盐、强酸碱等复杂环境的性能稍弱，在盐雾试验、硝酸蒸汽、工业气体腐蚀试验和硫化实验中，侧壁裸露的Ni层、Cu层会直接与腐蚀性介质接触，发生不同程度的腐蚀失效。侧壁包覆镍金的金手指采用引线电镀工艺，在侧壁Cu层上盖覆有一层均匀的镍金层，因此具备较好的耐腐蚀性能，但当侧壁金镀层质量存在缺陷或侧壁镀层与基材结合位置致密性较差时（如图8c），底部的Ni、Cu层会与渗入的腐蚀性介质接触，发生局部的点状腐蚀，如图8d；另外，当金手指位置的PCB基材存在裂纹、铜箔起泡、金手指底部坑裂等缺陷时，也会导致底部位置的镍铜层与腐蚀介质接触，造成腐蚀失效。
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3 改善措施
& o# H% x; j' y2 a) j2 q5 l+ i通过分析板边插头常见腐蚀失效的产生原因可知，在无法改变外部腐蚀介质类型及温湿度等环境条件下，无论是化学腐蚀还是电化学腐蚀，必须避免活泼金属Ni和Cu镀层与腐蚀性介质直接接触，因此，主要的改善方向就是优化生产工艺和加强生产管控措施，提高板边插头表面Au镀层的致密性，消除镀层孔隙，降低发生化学反应和微原电池反应的风险，减缓腐蚀现象的发生。

# @- X+ [+ _' }% n  h8 O3.1 适当增加镀金层的厚度
0 T  ~& w( A3 P据有关文献报道[4]镀层厚度跟镀层孔隙成反比，镀层厚度越厚，孔隙越少；相反镀层越薄、孔隙越多。根据MFG 3A级测试方法，对比两种相同生产工艺但不同金厚的板边插头，发现Au厚1.27 μm的金手指出现严重腐蚀，而Au厚1.5 μm的耐腐蚀性较好，如图9所示。因此，在工艺可控和成本允许的情况下，适当增加镀金层的厚度，降低金层孔隙率，可有效改善板边插头的耐腐蚀性能。
, C& q. M" n9 E; i) h+ a图片图9 不同金厚板边插头MFG测试结果对比

3.2 适当增加镀铜层的厚度
在插拔过程中，板边插头尖端受到较大的机械应力，研究发现，在电镀薄镍金（图镀铜镍金）流程中，先加镀一层5 μm~8 μm厚度的薄Cu层，由于薄Cu层有四面包裹的作用，可改善板边插头尖端和侧壁的平整度，将尖端位置的90°直角（如图10a）优化为弧形的钝角（如图10b），优化了线型，使板边插头尖端更平滑，可明显减弱插拔过程中的应力集中现象，降低尖端位置金层被磨损的风险，从而改善板边插头的耐腐蚀性能。
图片图10 加镀薄铜对金手指尖端线型的改善效果
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3.3 使用低粗糙度的铜箔
PCB在蚀刻线路图形后，基材表面会呈现出与铜箔毛面铜牙对应的“蜂窝状”凹痕，铜箔毛面的粗糙度越大，基材表面对应的凹痕越粗糙度越大。而基材表面的粗糙度过大，会导致金手指侧壁的镍金镀层与基材结合处的致密性不足，严重时会产生微小缝隙，腐蚀性介质透过裂缝渗入，与镍铜层发生反应，造成腐蚀失效。常用的普通铜箔铜牙长度为4~7 μm，在基材表面形成的凹痕粗糙度较大，如图11a。采用铜牙长度为1.2~2.3μm的低粗糙度RTF铜箔，可减少基材凹痕，如图11b，提升金手指侧壁镀层与基材结合处的致密性，有效阻挡腐蚀性介质的渗入，从而提高板边插头侧壁的耐腐蚀性能。

3.4 使用封孔剂
从金手指的腐蚀失效现象和机理可知，腐蚀性介质会透过金层表面的微小孔隙，对底部的Ni层和Cu层造成腐蚀。有相关研究发现[5]，使用封孔剂对金手指表面进行渗透交换清洗、逐层螯合钝化、表面氢健成膜等一系列的处理，在金层表面形成一层10 nm~20 nm左右的保护膜，来改善镀层表面孔隙，可有效提升金手指的耐腐蚀性能。目前常用的有六价铬化合物钝化剂、油相封孔剂和水相封孔剂技术，其中水相封孔剂综合性能最好，而且安全环保，在电镀领域中应用较广泛。

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4 结论
* W: N+ t# S; _8 F6 x( F/ B3 ]4 c7 {- j5 b光模块PCB金手指镀层的共性腐蚀模式主要包括尖端磨损腐蚀、表面腐蚀、末端腐蚀和侧壁腐蚀这4种。可通过适当增加镀Au层厚度、加镀5 μm~8 μm的薄Cu层、采用低粗糙度铜箔或封孔剂等措施，提高板边插头表面Au镀层的致密性或隔断腐蚀介质的渗入，降低腐蚀性介质与Ni层 和Cu层发生化学反应和原电池反应的风险，从而减少腐蚀现象的发生。

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随着产品的应用环境越来越复杂，金手指部分长期裸露在外部环境中，因此，部分应用端客户针对光模块PCB产品除了要求印制插头表面镀层有良好的耐磨性之外，还要求具有较好的耐腐蚀性，以确保产品在使用过程中有良好的可靠性。

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光模块PCB板边插头一般用金(Au)层作电接触材料，Au不易与其它物质发生化学反应，能有效地抵抗外界环境中有害物质的侵蚀，但是当金手指的Au面存在微孔、晶格缺陷、缝隙、漏镀等缺陷时，Ni层或Cu层的化学性质比较活泼，会与渗入的腐蚀性介质接触，发生腐蚀失效。

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一般板边插头表面的Au 层厚度为0.8~3.0 μm，有较好的耐磨性能。当光模块PCB产品经多次插拔后，连接器插座中的弹片会在板边插头表面造成插拔接触的痕迹，如图5a所示。由于板边插头尖端位置是呈90°的直角，在插拔过程中，尖端位置受到的机械应力较集中，会更容易出现磨损，如图5b所示，这导致金层的致密性下降，对镍铜镀层的保护性不足，最终发生腐蚀失效。另外，在插头的插拔过程中，从外界环境带入的杂质颗粒附着在金面或插座的弹片上，也会增加板边插头的磨损程度，增大腐蚀失效风险。

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板边插头表面腐蚀现象如图6a，其主要原因为表面金层厚度不足或金面存在漏镀（图6b）、划伤（图6c）、晶格异常（图6d）等缺陷，无法有效保护Ni层和Cu层，造成腐蚀介质渗入到金手指镀层内部，发生局部的点状腐蚀。这些影响因素往往与PCB制程的表面处理工艺类型和生产操作控制相关。