新型沉银工艺的生产经验及特性

新型沉银工艺的生产经验及特性

姚永恒 , 范崇伦 , 关力 , 肖喜平 , 谈国志 , K. Wengenroth, J. Abys Enthone Inc., Cookson lectronics West Haven , CT 06516 , USA 永仓雅之 , 佐佐木忠 , 木內诚一 , 熊谷博之 , 戶田顯 Meltex Inc.

　　简介

　　为了满足电子工业对于禁用铅的迫切要求，印刷电路板（ PWB ）工业正将最后表面处理从热风整平的喷锡（锡铅共晶）转移到其他表面处理，包括沉银、沉锡、化学镍沉金以及有机保护膜（ OSP ） 。其中，由于沉银的优异性能及合理的成本，被认为是最佳的选择。新型沉银工艺的一般特性已在 叙述。此论文探讨典型水平线的生产经验以说明其卓越性及沉银工艺的几个可靠性问题，如细小铜线路的“贾凡尼效应”、焊接強度及 BGA 焊接点的完整性。

　　实验

　　通过水平线上印刷电路板的生产经验（工艺步骤如表 1 所示）来评估此工艺的优越性（ robustness ）。除油和微蚀的前处理对于沉银的外观很重要。总微蚀量大约为 1 – 2 μ m ，并且取决于所使用铜材的质量。

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　　通过工业水平线上电路板来评估铜面的“贾凡尼效应”。首先，测试板以 1 米 / 分的正常线速进行沉银处理， ( 停留时间为 2.5 分钟 ) ，银厚度为 0.25 μ m （在尺寸为 1.9 x 1.9 mm 的焊盘上测量）。其次，测试板在同样的条件下进行预浸，但沉银速度减为 0.5 米 / 分， ( 停留时间为 5 分钟 ) ，银厚度为 0.48 μ m 。在剥离阻焊膜之前和之后用电子显微镜观察铜线路的咬蚀痕迹來決定“贾凡尼效应”。

　　通过剪切测试可以测量焊接结合力。在直径为 0.5 mm 的 BGA 焊盘测试板上鍍 0.05 、 0.2 和 0.5 μ m 厚的沉银，然后在最高温度 262 ° C 下进行 3 次无铅回流。再分别用 Sn63Pb37 和 SAC 305 錫球（直径为 0.76 mm ）焊接在焊盘上。然后用 Dage PC-400 粘合力测试仪（如图 1 所示）以 200 μ m/sec 的速度剪切。

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　　使用 Nicolet 图象系统在 55 KV 、 30 μ A 下通过 X 光可以测量 BGA 焊盘粘合的完整性。该系统利用 X 光穿透力强、无破坏并且可以在显示屏上形成图象的特性，可以观察物体的内部结构。从图象可观察到物体是否有隐藏的缺陷或内部不规则。 X 光图象系统是一种有效的工具，只要在相同的测试条件下（包括检测样品的条件和 X 光机设定的参数），就可比较组件和印刷电路板之间焊接结合处零缺陷和其他缺陷的百分比；也可以测量样品的横截面作对比。

　　结果及讨论

　　生产经验以 1 个完整槽液寿命周期的生产经验作例。在 9 周的时间里， 700 L 的银槽共处理总板表面积 12,200 m 2 ，产能为 17.5 m 2 /L ，包括 7000 m 2 的“厚银板”（ 0.225 μ m – 0.3 μ m ）和 5,200 m 2 的“薄银板”（ 0.15 μ m – 0.2 μ m ）。在尺寸为 2 mmx 2 mm 的焊盘上的平均银层厚度为 0.203 μ m 。在溶液寿命的前期及后期，沉银层的厚度、外观、粘合力、贾凡尼效应、 IR 回流（ 260 ° C /2 次）后的抗蚀性、湿老化（ 85 ° C /85% RH ， 12 小时）后的、干烘（ 155 ° C ， 4 小时）后的抗蚀性以及可焊性都满足客户的要求。在整个槽液寿命里的日常测试可显示出干烘后可焊性和抗蚀性以及离子污染度均在接受范围内。

　　沉银工艺是利用溶液中银离子和印刷电路板的金属铜间的置换反应。由于沉积率是決定於银离子的还原速度 ，所以沉积率随银离子浓度、溶液搅拌以及温度的增加而增加。改变在沉银槽中的停留时间以及溶液温度可以获得不同的沉银厚度。此置换反应的结果是需要不断的补充银离子而铜离子逐渐在银溶液中积聚。因此，影响溶液寿命的一个原因是溶液的铜离子负载力。

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　　如图 2 所示，银的添加量随产量直线增加。平均来说， 1 m2 的印刷电路板消耗 0.53 g 的银，也就是 0.53 g /m 2 。利用沉银层的 0.203 μ m 平均厚度，可计算出 13% 的印刷电路板表面是铜。基于置换反应原理，铜离子的“理想”积聚率为 0.156 g /m 2 ，如圖中虚线所示。然而，实际的铜离子积聚率逐渐偏离“理想率”并在 1.6 g /L 達到稳定状态。这是因为铜离子不断的被印制电路板带出沉银液。當铜离子浓度增加到 1.6 g /L ，带出量和置换反应产生的量相等。因此， 2 g /L 的铜负载力足以应付正常的生产。

　　沉银工艺的一个特殊现象是银厚随焊盘尺寸的增加而减少。由于沉银性能直接受厚度的影响，对厚度的要求因每个沉银工艺而异。 IPC-4553 规定了尺寸为 1.5 mm x 1.5 mm 焊盘为测试沉银厚度的标准 。如图 3 所示，当焊盘面积从 1 mm 2 （ 1 mm x 1 mm 的焊盘）增加到 25 mm 2 （ 5 mm x 5 mm 的焊盘）时，平均银厚逐渐从 0.23 μ m 降到 0.16 μ m 。 30% 的差异比通常在其它沉银工艺里观察到的要小；当小焊盘上的银厚符合要求时，此小差异可确保大焊盘上的银厚的性能。

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　　贾凡尼效应

　　铜线路“贾凡尼效应”的机理与“缝隙”腐蚀机理类似 。在正常条件下，铜既是阳极也是阴极，这样，铜的氧化和银离子的还原同時进行，形成均匀的镀银层。然而，如果阻焊膜和铜线路之间出现“缝隙”，缝隙里银离子的供应就会受限，阻焊膜下面的铜就变成牺牲阳极，为暴露在外的铜焊盘上的银离子还原反应提供电子（如图 4 所示）。由于所需的电子数量与还原的银离子数量成比例，贾凡尼效应的强度随暴露铜焊盘表面积及镀银层厚度而增加。

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　　在正常生产条件下 ( 即 2.5 分钟、 0.25 μ m) ，贾凡尼效应的强度，可通过扫描电子显微镜显示出（如图 5 所示）。在阻焊膜剥离前，可见铜焊盘完全被银覆盖，甚至在阻焊膜侧蚀下的铜线上也是一样；阻焊膜剥离后，在左边和中间的样品中看不出任何贾凡尼效应，但在右图中可见轻微的咬蚀。重要的是要注意咬蚀不是在阻焊膜侧蚀下面，而是在阻焊膜 / 铜分界面之后区域里。

若停留时间特意加倍至 5 分钟以形成 0.48 μ m 厚的镀银层，那么贾凡尼效应会变得更强。如图 6 所示，阻焊膜下面铜线路上形成宽约为 20 μ m 、深为 10 μ m 的凹槽。

因此，贾凡尼效应的风险可以通过以下方法防止或减少：（ 1 ）选择一個沉银工艺它的腐蚀性较小（避免 pH 过低）並且不需厚银即可满足抗蚀性的要求；（ 2 ）控制微蚀在要求的微蚀量内；（ 3 ）在设计中避免大的铜面和细小铜线路结合；（ 4 ）通过优化前处理、成像、固化、显影工艺以及使用抗化学阻焊膜来提高阻焊膜的结合力。

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　　焊接结合力

　　SnPb 和 SAC 305 焊锡球的剪切测试结果非常相似，此处只显示 SAC 锡球的结果。如图 7 所示，测试开始剪切力迅速增加直线上升到约 8 N ，然后逐渐达到最大值 10 – 12 N ，然后下降直到球被剪切掉。最大值被视为焊接结合力。由于焊结合力取决于剪切的横切面积，结果会因焊球的几何形状及剪切和焊盘之间的间隙而有所差异（参看图 1 ）。如图 7 所示，在 0.05 – 0.5 μ m 沉银厚度范围内，用 0 次和 3 次回流焊处理后 SAC305 的焊接结合力的结果是相同的。 SnPb 的结果亦相类似。

　　剪切测试后用 EDS 分析印刷电路板上的断裂表面（图 8 ）显示只有微量的铜，很可能是来自 SAC 305 合金中的铜（ 0.5% ）。这就确定了断裂是发生于 SAC 焊锡合金內，而不是在焊锡与铜之间的界面。 SnPb 焊接亦有同样的情况。图 8. SAC 合金断裂表面的 SEM 和 EDS 分析

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　　BGA 焊接点的完整性

　　通过 2D X 光检验在印刷电路板上 2 个 BGA （ 26x26 ）中的 160 个焊接点時，只发现一个面积为总面积的 1.78% 的空洞（如图 9 ）。这是在焊膏内成分挥发時产生的“大空洞”或“工艺”空洞。由于 X 光的敏感度不足以识别出小空洞，因此进一步检查样品的横截面。

　　如图 10 所示， BGA 焊接点的焊锡 / 铜界面上有 3 – 5 μ m 厚的金属间化合物（ IMC ），但在界面无对焊接点可靠性有害的“平面”微空洞 。因此，在适当的操作条件下，沉银层可形成完整可靠的 BGA 焊接点。

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　　结论

　　新型的沉银工艺已经由稳定的实际生产经验证明可以为印刷电路板提供高品质的表面处理。贾凡尼效应的存在和程度与银层的厚度和镀液的化学成分直接有关，不一定是由阻焊膜的侧蚀引起。在测试的条件下，焊接力与银的厚度和无铅回流处理无关。 BGA 焊接点內无对焊接力和可靠性有害的“平面”微空洞。 (电邮 : yhyau#cooksonelectronics.com )

　参考

　　 F. van der Pas, “New Highest Reliable Generation of PWB Surface Finishes forLead-Free Soldering and Future Applications”, EIPC, Stockholm , June, 2005

　　 Y-H. Yau et al., “The Chemistry and Properties of a Newly Developed ImmersionSilver Coating for PWB”, IPC/APEX, Anaheim , 2004

　　 Y-H. Yau et al. “The properties of Immersion Silver Coating for Printed Wiring
Boards”, IPC/APEX, Anaheim , 2005 IPC-4553 Specification for Immersion Silver Plating for Printed CircuitBoards, 2005

　　 M. G. Fontana and N. G. Greene, Corrosion Engineering , p 39, second edition, 1978, McGraw-Hill Book Company, NY, New York

　　 R. Aspandiar, “Voids in Solder Joint”, IPC/CCA PCB Assembly and Test Symposium, May 19, 2005

　　 D. P. Cullen, “Characterization, Reproduction, and Resolution of SolderJoint Microvoiding”, IPC/APEX, Anaheim , CA 2005

http://www.ichina2008.org/chin ... 5.htm



http://www.ichina2008.org/chin ... g.htm

http://thesis.lib.ncu.edu.tw/E ... 2.pdf（2.3M下载）

http://gscip.e-environment.com ... 3.pdf（2M下载）

http://etd.lib.nsysu.edu.tw/ET ... 2.pdf（0.7M下载）

http://140.117.53.39/reser92/report92/033.pdf（0.4M下载）