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新型沉银工艺的生产经验及特性
[作者:姚永恒]    2008/4/23 9:33:01    本文被阅读4646次
     摘要

  延续本文作者之前对最新化学沉银工艺特性的简介,本文着重于介绍该工艺配合水平线作 业的生产经验以及该化学沉银工艺的稳定性。同时文章也讨论了目前在一般化学沉银工艺中共有的几个可靠性问题,如“贾凡尼效应”,焊接点强度以及BGA 焊盘粘合的完整性。研究表明阻焊油墨的侧蚀不是发生“贾凡尼效应”的必要条件,沉银厚度才是最直接的原因。在锡铅和SAC305 合金焊接面的剪切强度与沉银厚度(0.05 – 0.5 μm)和无铅回流焊处理无关。在BGA 焊接点中没有发现降低焊接强度和可靠性的“平面”微空洞。

  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)工业正逐步将最终表面处理从锡铅热风整平转移到其他表面处理,如沉银、沉锡、化学沉镍金以及有机保护膜(OSP [1]。其中,沉银工艺由于它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[2,3]叙述。本文着重探讨水平线的生产经验,该工艺的稳定性以及现有沉银工艺共有的几个可靠性问题,如细线路的“贾凡尼效应”、焊接点強度及BGA 焊盘粘合的完整性。

  实验

  沉银工艺的稳定性是通过监控在水平生产线的产品来评估(工艺步骤如表1 所示)。作为前处理步骤的除油段和微蚀段对于控制沉银层的外观很重要,总微蚀深度大约为1 – 2 μm,该微蚀深度与铜面实际状况有关。

   铜线路上“贾凡尼效应”的发生趋势是通过在水平生产线上处理沉银测试板来评估。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),沉银厚度为0.25 μm(在尺寸为1.9 x 1.9 mm 的焊盘上测量)。其次,测试板在预浸段前使用和第一次相同的生产条件,但在沉银段的线速度减为0.5 米/分,(停留时间为5 分钟),沉银厚度为0.48 μm。在阻焊油墨剥除之前和之后用电子显微镜检查铜线路被咬蚀的状况來決定“贾凡尼效应”。

   焊接点的结合力用剪切测试来测量。在有BGA 焊盘(直径为0.5 mm)的测试板上分别鍍0.05、0.2 和0.5 μm 厚的银,然后将测试板在最高温度262 °C 下进行3 次无铅回流焊处理,再分别将Sn63Pb37 和SAC305 錫球(直径为0.76 mm)用与之相匹配的焊膏焊接在BGA 焊盘上。最后用Dage PC-400 推力测试仪(如图1 所示)以200 μm/sec 的速度完成剪切测试。

  BGA 焊盘粘合的完整性是使用Nicolet 图象系统在55 KV、30 μA 下的X 光测量。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,如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;也可以和样品的横截面作对比。

结果及讨论
  生产经验

  以一个完整槽液寿命周期的生产经验为例,在9 周的时间里,700 L 的沉银槽共处理板面积12,200 m2,单位耗量为17.5 m2/L。其中包括7000 m2 的“厚银板”(0.225 – 0.3 μm)和5,200 m2 的“薄银板”(0.15 – 0.2 μm)。在尺寸为2 mm x 2 mm 的焊盘上的平均银层厚度为0.203 μm。在槽液寿命的前期及后期,分别测试沉银层的厚度、外观、结合力、贾凡尼效应、IR 回流处理(260 °C/2 次)后的抗蚀性、湿老化(85 °C/85% RH,12 小时)后和干烘(155 °C,4 小时)后的抗蚀性以及可焊性,结果都满足客户的要求。另外在整个槽液寿命周期里的日常品质测试结果,包括干烘后的可焊性和抗蚀性以及离子污染度等,也均表明品质稳定可靠。

  沉银工艺是基于溶液中的银离子和印刷电路板上金属铜之间的置换反应。由于沉银速率是取决于银离子的还原速度[2],因而沉银速率随银离子浓度、溶液搅拌以及温度的增加而增加。对不同银厚度的要求可以很容易通过改变线速度(沉银槽中的停留时间)和槽液温度获得。此置换反应的结果是需要不断的补充银离子,同时铜离子含量在银溶液中逐渐增加。 所以铜离子含量也是影响溶液寿命的一个因素。

  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/m2。根据已知的平均沉银厚度0.203 μm,可计算出印刷电路板表面有效沉银面积为13%。基于置换反应原理,铜离子的“理论”积聚率为0.156 g/m2,如圖中虚线所示。然而,实际的铜离子积聚率逐渐偏离“理论积聚率”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从沉银槽带出。随着铜离子浓度的不断增加,铜离子的带出量和置换反应产生的量最终会达到平衡。这最终平衡状态的铜离子浓度随着生产线的设备而异。一般而言,2 g/L 的铜负载力足以应付正常的生产。

  沉银工艺的一个独特的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焊盘尺寸[4]。如图3 所示,当焊盘面积从1 mm2 (1 mm x 1 mm的焊盘)增加到25 mm2 (5 mm x 5 mm 的焊盘)时,平均银厚逐渐从0.23 μm 降到0.16μm。大焊盘和小焊盘的沉银厚度差异约为30%,这个差异比通常在其它沉银工艺里观察到的要小,这也意味着当小焊盘上的银厚符合要求时,这样的差异仍可确保大焊盘上的银厚及性能。

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[5]。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时进行,在铜面上形成均匀的镀银层。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,阻焊膜下面缝隙里的铜就变成牺牲阳极,为暴露在外的铜焊盘上发生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的表面积及镀银层厚度增加而增加。

  在正常生产条件下(即2.5 分钟、0.25 μm),贾凡尼效应发生的情况如图5 中的扫描电子显微镜照片所示。在阻焊膜剥离前,可以看到铜焊盘完全被银覆盖,甚至在阻焊膜侧蚀下的铜线上也同样被银层覆盖。阻焊膜剥离后,在左边和中间的样品中,铜线路上看不出任何贾凡尼效应,但在右图中可看到轻微的咬蚀。需要注意的是咬蚀不是发生在阻焊膜侧蚀下面,而是发生在阻焊膜/铜分界面之后的区域里。如果将停留时间特意加倍至5 分钟以形成0.48 μm 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 μm、深为10 μm 的咬蚀凹槽。

  因此,发生贾凡尼效应的风险可以通过以下方法防止或减少:(1)选择一个腐蚀性较小的沉银工艺(有适当的pH)而且不需要通过提高银厚来满足抗蚀性的要求;(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连接;(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与铜表面的结合力。

焊接点强度

  图7 为SAC305 焊锡球的剪切测试(推力测试)结果。该图可以看到剪切力(推力)迅速增加并直线上升到约8N,然后逐渐达到最大值10 – 12 N,接着再下降直到锡球被推掉,所得到的最大值被视为焊接强度。图中给出了不同的银厚(0.05 – 0.5 μm)以及经过不同次数回流焊处理后的焊接强度测试结果。由于焊接强度取决于所剪切(推断)锡球的横切面积,所测结果会因锡球的几何形状及推刀和焊盘之间的间隙而有所差异(参看图1)。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,这是来自SAC305 合金中的铜(0.5%)。这表明断裂是发生于SAC 焊锡合金內,而不是在焊锡与铜焊盘的界面,因此也说明焊锡与铜焊盘之间的焊接强度大于SAC305 焊锡本身的强度。

  SnPb 合金焊接有同样的测试结果。图9 中给出了不同的银厚和经过不同次数回流焊处理后的焊接强度测试结果。图10 是印刷电路板上断裂面的EDS 分析结果。值得注意的是断裂面上虽然有不同程度的空洞,但是断裂面都在SnPb 焊球内部而不是在焊锡与铜焊盘的界面。

BGA焊接点的完整性

  文中研究的BGA 是26x26 的矩阵排列,每个BGA 用2D X 光分别检查四角和中心部位的4x4 小矩阵排列(共5 个小矩阵)。图11 是#2 BGA 的右上角落部位的X 光图像,在焊盘2 上发现一个小空洞,面积为锡球总截面积的1.78%。表2 是对4 个BGA 上320 个焊盘的统计汇总,平均的空洞面积仅为锡球总截面积的0.62%。因为这种图像不能看出空洞在焊接点中的立体位置,而且X 光系统的灵敏度也不足以识别出小空洞,因此进一步检查样品的横截面。

  图12 是通过X 光检查已知一个BGA 焊点中有空洞,然后针对该焊点所做横截面切片图。从该图可以看出空洞发生在零件面,这种空洞多是由锡膏中的助焊剂的挥发成分造成。BGA焊接点的焊锡/铜界面上有3 – 5 μm 厚的金属界面化合物(IMC),在金属界面化合物中没有发现对焊接点可靠性有害的“平面”微空洞[6,7]。因此,在适当的焊接条件下,沉银层可形成完整可靠的BGA 焊接点。沉银层中有机物含量是产生“平面”微空洞的一个因素已有报告[8,9],因此,这种新型沉银工艺所形成的低有机物含量的银层必然降低了产生“平面”微空洞的风险。

  结 论

  1. 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。
  2. “贾凡尼效应”的程度与银层的厚度直接有关,不一定是由阻焊膜的侧蚀引起。
  3. 剪切测试表明铜/锡界面焊接强度大于SnPb 和SAC 合金的强度,并且与银层厚度及无铅回流焊处理无关。
  4. BGA 焊接点內无对焊接力和可靠性有害的“平面”微空洞。


参考文献
[1] F. van der Pas, “New Highest Reliable Generation of PWB Surface Finishes for
   Lead-Free Soldering and Future Applications”, EIPC, Stockholm, June, 2005
[2] Y-H. Yau et al., “The Chemistry and Properties of a Newly Developed Immersion
   Silver Coating for PWB”, IPC/APEX, Anaheim, CA, 2004
[3] Y-H. Yau et al., “The properties of Immersion Silver Coating for Printed Wiring
   Boards”, IPC/APEX, Anaheim, CA, 2005
[4] IPC-4553 Specification for Immersion Silver Plating for Printed Circuit Boards,
   2005
[5] M. G. Fontana and N. G. Greene, Corrosion Engineering, p 39, second edition, 1978,
  McGraw-Hill Book Company, NY, New York
[6] R. Aspandiar, “Voids in Solder Joint”, IPC/CCA PCB Assembly and Test Symposium,
  May 2005
[7] D. P. Cullen, “Characterization, Reproduction, and Resolution of Solder Joint
  Microvoiding”, IPC/APEX, Anaheim, CA, 2005
[8] S-P. Yu et al., “Optimal Reflow Profile for Lead-free Server Board and Failure
  Analysis of Solder Joint after Temperature Cyclic Test”, TPCA Forum, Taipei,
  Taiwan, 2005
[9] N-C. Lee, “How to Control Voiding in Reflow Soldering”, Chip Scale Review,
  August-September 2005

转自:[pcbmst.net]


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