表面處理工藝簡介.ppt

1、PCB表面處理工藝簡介 2011.03.27,前言,電子產品一直趨向體積細小及輕巧，同時包含更多功能而又有更快速的運作效率。為了達到以上要求，電子封裝工業(yè)便發(fā)展出多樣化的封裝技術及方法，使之能在同一塊線路板上增加集成電路（IC）的密度，數(shù)量及種類。 增加封裝及連接密度推動封裝方法從通孔技術（THT）到面裝配技術（SMT）的演化，它導致了更進一步的應用打線結合的方法（Wire bonding）?？s小了連接線的間距和應用芯片尺寸封裝技術（CSP），使得封裝的密度增大，而多芯片組件（MCM）及系統(tǒng)封裝技術（SIP）使得在同一芯片上嵌入更多功能從不可能變?yōu)楝F(xiàn)實。 至今，當半導體工業(yè)多年來從縮小線寬來致

2、力于增進裝置的性能時，很少有設計這樣的想法，也就是在一個電子系統(tǒng)中，裝置間應該通過包含這個系統(tǒng)的封裝來傳遞信息。大量的I/O需求及信號傳送質量已成為半導體工業(yè)重要考慮的因素，無論在IC內部的連接或把裝置封裝在線路板上，為了達到可靠的連接，封裝過程的要求及線路板最終表面處理技術同樣重要。 本文將就線路板的最終表面處理技術做簡單介紹。,電鍍技術,電鍍(Electroplating)就是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過程，是利用電解作用使金屬或其它材料制件的表面附著一層金屬膜的工藝從而起到防止腐蝕,提高耐磨性、導電性、反光性及增進美觀等作用。 工藝要求： 1）鍍層與基體金屬鍍

3、層與鍍層之間，應有良好的結合力。 2）鍍層應結晶細致平整厚度均勻。 3） 鍍層應具有規(guī)定的厚定和盡可能少的孔隙。 4） 鍍層應具有規(guī)定的各項指標，如光亮度硬度導電性等。 線路板的最終表面處理用到的電鍍工藝主要有電鍍鎳、電鍍鎳金、電鍍錫等。,1、概述 鎳：元素符號Ni，原子量58.7，密度8.88g/cm3，Ni2+的電化當量1.095g/Ah。 用于印制板的鍍鎳層分為半光亮鎳（又稱為低應力鎳或啞鎳）和光亮鎳兩種類型。主要作為板面鍍金或插頭鍍金的底層，根據需要也可作為面層，鍍層厚度按照IPC-6012標準規(guī)定不低于2-2.5um。 鎳鍍層應具有均勻細致，孔隙率低，延展性好等特點，而且低應力鎳應具

4、有宜于釬焊或壓焊的功能。 2、鍍鎳機理 陰極：在陰極上，鍍液中的鎳離子獲得電子沉積出鎳原子，同時伴隨有少量氫氣析出。 Ni2+2eNi 0Ni2+/Ni= -0.25V 2H+2e H2 0H+/ H2 = -0.0V,電鍍鎳,陽極：普通鍍鎳使用可溶性鎳陽極。陽極的主反應為金屬鎳的電化學溶解： Ni 2e Ni2+ 3、 常見故障和糾正方法,1、概述 金：元素符號Au，原子量197，密度19.32g/cm3，Au2+的電化當量0.1226g/Ah。 板面鍍金：板面鍍金層是24K純金，具有柱狀結構，它有極好的導電性和可焊性。鍍層厚度0.01-0.05um。 板面鍍金層是以低應力鎳或光亮鎳為底層，

5、鍍鎳層厚度3-5um，鍍鎳層作為中間層起著金、銅之間的阻擋層的作用，它可以阻止金銅間的相互擴散和阻礙銅穿透到金表面。鎳層存在相當于提高了金鎳層的硬度。 板面鍍金層既是堿性蝕刻的保護層，也是有IC鋁線壓焊和按鍵式印制板的最終表面鍍層。 插頭鍍金：插頭鍍金也稱鍍硬金，俗稱“金手指”。它是含有Co、Ni、Fe、Sb等合金元素的合金鍍層，它的硬度、耐磨性都高于純金鍍層，硬金鍍層具有層狀結構。用于印制板的插頭鍍金層一般0.5-1.5um或更厚。合金元素含量0.2%。插頭鍍金用于高穩(wěn)定、高可靠的電接觸的鏈接，對鍍層厚度、耐磨、孔隙率均有要求，硬金鍍層的技術指標見下表。,電鍍金,硬金鍍層的技術指標,硬金鍍層

6、以低應力鎳為阻擋層，防止金銅之間的相互擴散。為了提高硬金鍍層的結合力和減少孔隙率，也為了保護鍍液減少污染，在鎳層和硬金層之間需鍍以0.02 0.05um的純金層。,2、鍍鎳機理 鍍金通常采用不溶性陽極，如果槽電壓比較高，陽極上會發(fā)生析氧反應： H2O - 4e O2+4H+ 在微氰鍍液中，Au以Au（CN）2-的形式存在，在電場的作用下，金氰絡離子在陰極放電： Au（CN）2-+e Au+2CN- 0Au/ Au（CN）2- = -0.60V 在陰極上同時發(fā)生析氫反應： 2H+2e H2 鍍液中有足夠的金氰絡離子供應，陰極上機會不斷得到金鍍層。 3、 常見故障和糾正方法,我國行業(yè)標準SJ-24

7、31對插頭鍍鎳、鍍金層厚度有所規(guī)定，見下表。,化學鍍是一種新型的金屬表面處理技術，該技術以其工藝簡便、節(jié)能、環(huán)保日益受到人們的關注?；瘜W鍍使用范圍很廣，鍍金層均勻、裝飾性好。在防護性能方面，能提高產品的耐蝕性和使用壽命；在功能性方面，能提高加工件的耐磨導電性、潤滑性能等特殊功能，因而成為全世界表面處理技術的一個發(fā)展。 化學鍍是在金屬表面的催化作用下，經控制化學還原反應進行的金屬沉積過程。反應必須在具有自催化性的材料表面進行，金屬的沉積過程是純化學反應，因不用外電源也稱為無電鍍或不通電鍍。 化學沉積過程可分為三類：置換法、接觸鍍、還原法。 置換法：將還原性較強的金屬（基材、待鍍的工件）放入另一種

8、氧化性較強的金屬鹽溶液中，還原性強的金屬是還原劑，它給出的電子被溶液中金屬離子接收后，在基體金屬表面沉積出溶液中所含的那種金屬離子的金屬涂層。這種工藝又稱為化學浸鍍，應用不多。,化學鍍技術,接觸鍍：將待鍍的金屬工件與另一種輔助金屬接觸后浸入沉積金屬鹽的溶液中，輔助金屬的電位應低于沉積出的金屬。金屬工件與輔助金屬浸入溶液后構成原電池，后者活性強是陽極，被溶解放出電子，陰極（工件）上就會沉積出溶液中金屬離子還原出的金屬層。本法雖然缺乏實際應用意義，但想在非催化活性基材上引發(fā)化學鍍過程時是可以應用的。 還原法：在溶液中添加還原劑，由它被氧化后提供的電子還原沉積出金屬鍍層。這種化學反應如不加以控制，在

9、整個溶液中進行沉積是沒有實用價值的。目前討論的還原法是專指在具有催化能力的活性表面上沉積出金屬涂層，由于施鍍過程中沉積層仍具有自催化能力，使該工藝可以連續(xù)不斷的沉積形成一定厚度且有實用價值的金屬涂層。這就是我們所指的“化學鍍”工藝，前面討論的兩種方法只不過在原理上同屬于化學反應范疇，不用外電源而已。用還原劑在自催化活性表面實現(xiàn)金屬沉積的方法是唯一能用來代替電鍍法的濕法沉積過程。 目前印制板行業(yè)常用的化學鍍層主要有： OSP、化學鍍鎳、化學鍍金、化學鍍鈀、化學鍍錫、化學鍍銀等。,1、概述 隨著表面貼裝技術（SMT）的廣泛應用，對印制板焊盤的平整度及板面翹曲度的要求越來越嚴格，而細導線、細間距的印

10、制板對其制作技術也提出了更高的要求。但傳統(tǒng)的熱風焊料整平（HASL）工藝存在以下缺點： 1）焊盤不平整，致使SMT貼片時易偏離，造成錯位或短路； 2）受熱風整平操作時高溫熱沖擊，印制板板面易產生翹曲； 3）受熱風整平操作時的熱沖擊，細導線易斷裂造成短路，細間距的導線間容易產生橋接以及短路。 4）焊料與銅間易形成晶間化合物，易脆； 5）操作時的高溫和噪聲不利于環(huán)保，同時還存在火警的隱患； 6）生產費用高。 有機助焊保護膜（Organic Solderability Preservative簡稱OSP）技術是通過將裸銅印制板浸入一種水溶液中，通過化學反應在銅表面形成一層厚度,OSP,0.2-0.5

11、um的憎水性有機保護膜，這層膜能保護銅表面避免氧化，有助焊功能，對各種焊劑兼容并能承受三次以上熱沖擊，數(shù)年來的應用，已日益廣泛，稱為熱風整平工藝的替代工藝。該工藝的特點是： 1）表面均勻平坦，膜厚0.2-0.5um，適于SMT裝聯(lián)，適于細導線、細間距印制板的制造； 2）水溶液操作，操作溫度在80以下，不會造成基板翹曲； 3）膜層不脆，易焊，與任何焊料兼容并能承受三次以上熱沖擊； 4）避免了生產過程的高溫、噪聲和火警隱患； 5）操作成本比熱風整平工藝低25-50%； 6）保存期可達一年，并且易于返修。 2、OSP反應機理 銅表面有機助焊保護膜分為兩種類型：溶劑型和水溶型。 1）溶劑型：也就是目前

12、單面板生產中廣泛應用的松香型預涂助焊膜。在松香基的預涂助焊劑中添加如咪唑類的化合物，涂于裸銅板表面上形成防氧化助焊膜。膜層厚度3-5um，用探針不易刺透，不利于探針對其進行電氣性測試，并且必須,在波峰焊及印錫膏前將其除去。由于膜層內含有溶劑和松香，容易出現(xiàn)發(fā)粘的現(xiàn)象，好像干不透一樣，也不易清洗。這種工藝主要用于單面板生產。 2）水溶型：根據膜層能承受設沖擊的次數(shù)不同，水劑型工藝非為能承受一次熱沖擊和能承受三次熱沖擊兩種。 將含有苯駢三氮唑，咪唑，烷基咪唑，苯駢咪唑等化合物的水溶液與銅表面作用，這些化合物中的氮雜環(huán)與銅表面形成絡合物，這層保護層防止了銅表面被繼續(xù)氧化。但這層膜太薄，耐熱性差，只能

13、承受一次熱沖擊，而且保存期短。 近年來引起廣泛注意的有機助焊保護膜是能承受三次以上熱沖擊的保護膜，膜厚0.2-0.5um，可以代替熱風整平工藝，并且比熱風整平板更具優(yōu)點。 3、故障及糾正方法,1、概述 化學鍍鎳工藝廣泛用于金屬和非金屬表面處理行業(yè)，依據不同的基體，化學鍍鎳可以在酸性、中性、堿性溶液中進行。但PCB化學鍍鎳只能在酸性溶液中進行。 化學鍍鎳所用還原劑有次磷酸鈉、氨基硼烷、肼等，化學鍍鎳層的組成，依還原劑不同也不同，如以次磷酸鈉為還原劑可達含P 4-14%，以氨基硼烷為還原劑可達含B 0.2-5%，以肼為還原劑可得含Ni 99.5%以上的鍍層。 2、化學鍍鎳機理 以次磷酸鈉為還原劑的

14、化學鍍鎳溶液中，次磷酸根離子H2PO2-在有催化劑（如Pd、Fe）存在時，會釋放出具有很強活性的原子氫。 H2PO2- + H2O H2PO3- + 2H+2e Ni2e + 2e Ni H2PO2- + 2H+e 2H2O +P 2H+2e H2 從機理來看，化學鍍鎳過程中，產生大量H+使溶液PH降低，同時也產生氫氣，故有大量氣泡逸出。,化學鍍鎳,就印制板化學鍍鎳而言，在沉鎳過程中產生大量H+，而H+存在于阻焊層與銅的界面處，在高溫條件下（80-90）， H+的大量產生會破壞阻焊層，嚴重時導致阻焊劑起泡。所以需要選擇操作溫度比較低，反應速度適中的鍍液，盡量減少H+的大量生成。 3、 常見故障

15、和糾正方法,1、概述 用于化學鍍金的工藝有兩種：化學鍍薄金和化學鍍厚金?；瘜W鍍鎳薄金工藝，即適用于錫焊，又是鋁基導線壓焊的理想表面，化學鍍鎳厚金工藝提供了金絲導線壓焊的理想表面。 2、化學鍍金機理 化學鍍薄金又稱為浸金、置換金。它直接沉積在化學鎳的基體上。其基理應為置換反應： Ni + 2Au（CN）- 2Au+Ni2+2CN- Ni和Au的電極電位相差極大，Ni可以置換出溶液中的金，當鎳表面置換金后，由于金層多孔隙，其孔隙下的鎳仍可繼續(xù)置換，但反應速度減慢直至鎳全部被覆蓋為止。因此這層金的厚度僅為0.03-0.1um，不可能再增厚。 化學鍍厚金是在化學浸金的鍍層上進行，鍍液中加入特殊的還原劑

16、，使在置換與自催化作用下鍍金。鍍層厚度達0.5-1um，是金線壓焊的理想鍍層。有特殊要求也可鍍2um。,化學鍍金,化學鍍Pd是PCB上理想的銅、鎳保護層，它即可焊接又可“邦定”（壓焊）。它可直接鍍在銅上，而且因為Pd具有自催化能力，鍍層可以增厚。其厚度可達0.08-0.2um，它也可以鍍在化學鎳層上。Pd層耐熱性高，穩(wěn)定，能經受多次熱沖擊。在置換與自催化作用下鍍金。鍍層厚度達0.5-1um，是金線壓焊的理想鍍層。有特殊要求也可鍍2um。 在組裝焊接時，對Ni/Au鍍層，當鍍金層與熔化焊料接觸后，金被熔與焊料中形成AuSn4，當焊料中重量比達3%，焊料會發(fā)脆影響焊點的可靠性，但被熔的焊料不與Pd

17、形成化合物，Pd漂浮在焊料表面，很穩(wěn)定。 隨著IC集成度的提高和組裝技術的進步，化學鍍Pd在芯片極組裝（CSP）上將發(fā)揮更有效的作用。,化學鍍鈀,1、概述 PCB裸銅板化學鍍錫也是近年來受到普遍重視的可焊性鍍層。 2、化學鍍錫機理 銅基體上化學鍍錫從本質上講是化學浸錫，是銅與溶液中的絡合錫離子發(fā)生置換反應，生成錫鍍層，當銅表面被錫完全覆蓋，反應即停止。 普通酸性溶液中，銅的標準電極電位0Cu+/Cu=0.51V，錫的標準電極電位0Sn2+/Sn=-0.136V，故金屬銅不可能置換溶液中的錫離子而生成金屬錫。在有絡合物（例如硫脲）存在的情況下，硫脲與Cu+生成穩(wěn)定的絡離子，從而改變了銅的電極電位

18、，可以達到-0.39V，使銅置換溶液中的錫離子稱為可能。,化學鍍錫,1、概述 化學鍍銀既可以焊接又可“邦定”（壓焊），因而受到普遍重視。 2、化學鍍錫機理 化學鍍銀層其本質也是浸銀，銅的標準電極電位0Cu+/Cu=0.51V，銀的標準電極電位0Ag+/Ag=0.799V，故而銅可以置換溶液中的銀離子而在銅表面生成沉積銀層： Ag+ + Cu Cu+ + Ag 為控制反應速度，溶液中的銀離子會以絡離子狀態(tài)存在，當銅表面被完全覆蓋或溶液中Cu達到一定濃度，反應即告結束。,化學鍍銀,1、電鍍鎳金的優(yōu)缺點 雖然電鍍鎳金（軟金）能提供優(yōu)良的助焊、打金線結合的性能，但它有著三大不足之處，而每一不足之處都阻礙著它在領先領域中的應用。 1）較厚的金層厚度要求使得生產成本上升。 2）在通常所用的厚的金層情況下，由于容易產生脆弱的錫金金屬合金化合物（IMC），焊點之可靠性便下降。而為了增加焊點的可靠性，可在需要焊錫的地方使用不同的表面處理，然而會造成生產成本上升。 3）電鍍工藝要求使用導線連通每個線路，這樣就限制了封裝載板的最高線