消除PCB沉银层的技术和方法

艾佳兴

一、目前现状

   大家都知道,因为印制线路板完成装配后不能重工,所以因微空洞而报废所造成的成本损失最高。虽然其中有八个PWB 制造厂商因为客户退件而注意到了该缺陷,但是此类缺陷主要还是由装配厂商提出。可焊性问题根本没有被PWB制造厂商报告过,只有三家装配厂商误将发生在内部有大散热槽/面的高纵横比(HAR) 厚板上的”缩锡”问题(是指在波峰焊后焊锡只填充到孔深度的一半)归咎于沉银层。经由原始设备商(OEM)针对此问题更深入的研究验证,此问题完全是由于线路板设计所产生的可焊性问题,与沉银工艺或其他最终表面处理方式无关。

二、根本原因分析　
　　通过对造成缺陷的根本原因分析,可经由工艺改善和参数优化相结合的方式将这些缺陷率降到最低。贾凡尼效应通常出现在阻焊膜和铜面之间的裂缝下。在沉银过程中,因为裂缝的缝隙非常小,限制了沉银液对此处的银离子供应,但是此处的铜可以被腐蚀为铜离子,然后在裂缝外的铜表面上发生沉银反应。因为离子转换是沉银反应的源动力,所以裂缝下铜面受攻击程度与沉银厚度直接相关。2Ag+ + 1Cu = 2 Ag + 1Cu++ (+ 是失去一个电子的金属离子)下面任何一个原因都会形成裂缝:侧蚀/显影过度或阻焊膜与铜面结合不好;不均匀的电镀铜层(孔口薄铜处);阻焊膜下基材铜上有明显的深刮痕。

　　腐蚀是由于空气中的硫或氧与金属表面反应而产生的。银与硫反应会在表面生成一层黄色的硫化银(Ag2S)膜,若硫含量较高,硫化银膜最终会转变成黑色。银被硫污染有几个途径,空气(如前所述)或其他污染源,如PWB包装纸。银与氧的反应则是另外一种过程,通常是氧和银层下的铜发生反应,生成深褐色的氧化亚铜。这种缺陷通常是因为沉银速度非常快,形成低密度的沉银层,使得银层低部的铜容易与空气接触,因此铜就会和空气中的氧产生反应。疏松的晶体结构的晶粒间空隙较大,因而需要更厚的沉银层才能达到抗氧化。这意味着生产中要沉积更厚的银层从而增加了生产成本,也增加了可焊性出现问题的机率,如微空洞和焊接不良。

　　露铜通常与沉银前的化学工序有关。这种缺陷在沉银工艺后显现,主要是因为前制程未完全去除的残留膜阻碍了银层的沉积而产生的。最常见的是由阻焊工艺带来的残留膜,它是在显影液中显影未净所致, 也就是所谓的“残膜”,这层残膜阻碍了沉银反应。机械处理过程也是产生露铜的原因之一,线路板的表面结构会影响板面与溶液接触的均匀程度,溶液循环不足或过多同样会形成不均匀的沉银层。

　　离子污染线路板表面存在的离子物质会干扰线路板的电性能。这些离子主要来自沉银液本身(残存在沉银层或在阻焊膜下)。不同沉银溶液离子含量不同,离子含量越高的溶液,在同样的水洗条件下,离子污染值越高。沉银层的孔隙度也是影响离子污染的重要因素之一,孔隙度高的银层容易残存溶液中的离子,使得水洗的难度增大,最终会导致离子污染值的相应升高。后水洗效果同样会直接影响离子污染,水洗不充分或水质不合格都会引起离子污染超标。

　　微空洞通常直径小于1mil,位于焊料和焊接面之间的金属界面化合物之上的空洞被称为微空洞,因为它实际上是焊接面的“平面空泡群”,所以极大的减小了焊接结合力。OSP、ENIG以及沉银表面都会出现微空洞,其形成的根本原因尚未明确,但已确认了几个影响因素。尽管沉银层的所有微空洞都发生在厚银(厚度超过15μm)表面,但并非所有的厚银层都会发生微空洞。当沉银层底部的铜表面结构非常粗糙时更容易产生微空洞。微空洞的发生似乎也与共沉积在银层中的有机物的种类及成分有关。针对以上所述之现象,原始设备厂商(OEM)、设备生产服务商(EMS)、PWB制造厂商以及化学品供应商进行了数个模拟条件下焊接研究,但没有一个能够彻底消除微空洞。

三、预防措施　
　　预防措施的制订需要考量实际生产中化学品和设备对各种缺陷的贡献度,才能避免或消除缺陷并提升良品率。贾凡尼效应的预防可以追溯到前制程的镀铜工序,对高纵横比孔和微通孔而言,均匀的电镀层厚度有助于消除贾凡尼效应的隐患。剥膜,蚀刻以及剥锡工序中的过度腐蚀或侧蚀都会促使裂缝的形成,裂缝中会残留微蚀溶液或其他溶液。尽管如此,阻焊膜的问题仍是发生贾凡尼效应的最主要原因,大多数发生贾凡尼效应的缺陷板都有侧蚀或阻焊膜脱落现象,这种问题主要来自于曝光显影工序。因此如果阻焊膜显影后都呈“正向脚”同时阻焊膜也被完全固化,那么贾凡尼效应问题就几乎可以被消除。要得到好的沉银层,在沉银的位置必须是100%金属铜,每个槽溶液都有良好的贯孔能力,而且通孔内溶液能够有效交换。若是非常精细的结构,如HDI 板,在前处理和沉银槽液中安装超声波或喷射器非常有用。对于沉银工艺生产管理而言,控制微蚀速率形成光滑、半光亮的表面也可以改善贾凡尼效应。对于原始设备商(OEM)而言,应尽量避免大铜面或高纵横比的通孔与细线路相连接的设计,消除发生贾凡尼效应的隐患。对化学品供应商而言,沉银液不能有很强的攻击性,要保持适当pH值,沉银速度受控并能生成预期的晶体结构,能以最薄银厚达到最佳的抗蚀性能。

　　腐蚀可以通过提高镀层密度,降低孔隙度来减小。使用无硫材料包装,同时以密封来隔绝板与空气的接触,也防止了空气中夹带的硫接触银表面。最好将包装好的板存放在温度30℃、相对湿度40%的环境中。虽然沉银板的保存期很长,但是存储时仍要遵循先进先出原则。

　　露铜可以通过优化沉银的前工序来降低或消除。为了达到这个目的,可在微蚀后通过“破水”实验或“亮点”实验来检查铜表面,清洁的铜表面可以保持水膜至少40秒。定期维护保养设备以确保溶液循环均匀稳定,通过DOE优化时间、温度、搅拌来获得最佳的沉银操作参数,进而确保得到理想的厚度和高品质的银层。根据需要使用超声波或喷射器来提高沉银液对微通孔、高纵横比孔及厚板的润湿能力,同时也为生产HDI板提供可行的解决方案,这些辅助的机械方法可被应用在前处理和沉银液中来确保孔壁完全被润湿。

　　离子污染可通过降低沉银溶液的离子浓度来降低。基于这个原因,在不影响溶液性能的条件下,沉银液的离子含量应尽可能保持在较低水平。通常最后的清洗段要用去离子水清洗至少1分钟,同时还必须定期检测离子含量(阴离子和阳离子)是否符合工业标准。区别主要污染的来源,这些测试的结果必须记录并保留。

　　微空洞是最难预防的一种缺陷,因为它产生的真正原因尚未明确。诚如前面所述,我们已经知道有些因素似乎会引发微空洞或伴随微空洞而出现,可以通过消除或尽量减少这些因素来达到控制出现微空洞问题。其中沉银厚度是引发微空洞的最显著因素,所以控制沉银层厚度是首要步骤。其次还应该调整微蚀速度和沉银速度以获得光滑均匀的表面结构。还要通过测试槽液在使用周期内不同时间点的沉银层的纯度,来监控沉银层中的有机物含量,合理的银含量应控制在90% (原子比) 以上。

四、理想工艺- AlphaSTAR　
　　一个“理想工艺”除了是性能优异之外,还必须满足2006年7月1日公布的电子工业对于安全、环保以及可靠性的要求。虽然早在1994年乐思化学就拥有AlphaLEVEL产品系列的专利权,但是乐思化学依旧持续不断的进行着工艺的改善和研发,现已成功研发出应用于印制线路板的第三代沉银技术€€AlphaSTAR。AlphaSTAR工艺特别为满足当今日益严格的最终表面处理的要求而设计,它解决了以上探讨的几个导致线路板报废、成本增加、环保和安全等问题，并且符合现在和未来可能影响印制线路板工业的相关法规。本工艺共有7个步骤(其中三个为水洗步骤),其性能及优点如下所述:

　　前处理 分为以下四个步骤:除油、水洗、微蚀及水洗。除油溶液的表面张力非常低，能够润湿所有的铜表面，这样既消除了露铜问题，又促进了银层在高纵横比孔和微通孔内的沉积。独特的微蚀配方可产生微粗化，半光亮的表面结构，这样的表面结构有利于形成具有精细而且致密的晶体结构的银层,因此即使在银层厚度很低时也可获得高密度、低孔隙的沉银层。这就大大提高了银层的抗蚀性能。

   沉银分为以下三个步骤:预浸、沉银和最后的去离子水洗。设立预浸的目的有三个，一是用作牺牲溶液,防止从微蚀槽带进铜和其他物质污染沉银液，二是为沉银置换反应提供清洁的铜面,使铜面获得与沉银液中相同的化学环境和pH值。由于预浸的成分和沉银液一样(除了金属银外)，此工序的第三个功能就是对沉银槽的自动补充。在沉银反应中唯一消耗的是金属银,沉银液中有机组分含量的变化仅仅是由槽液带出所造成的损失，而预浸和沉银溶液有同样的成分,预浸带进的量等于沉银带出的量,因此沉银液不会积聚不必要的有机物。沉银反应是通过铜和银离子之间的置换反应进行的。经过AlphaSTAR 微蚀溶液微粗化处理的铜表面，可以确保在受控的沉银速度下能够缓慢生成均匀一致的沉银层。慢的沉银速度有利于沉积出致密的晶体结构，避免了由于沉淀和结块而产生的微粒增长,形成高密度的银层。这种结构紧密，厚度适中(6 - 12u”)的银层不仅具有高的抗蚀性能,同时也具有非常良好的导电性能。沉银液非常稳定，有很长的使用周期,对光和微量卤化物不敏感。AlphaSTAR的其他优点如:大大缩短了停工期，低离子污染以及设备成本低。

五、结论　
　　AlphaSTAR工艺集中了几种最终表面处理的最佳性能，它满足并超越了全球印制电路板工业对可焊性，可靠性，安全性以及符合法规的要求。AlphaSTAR工艺有宽阔的操作窗口;易于操作、控制及维护，可进行返工操作,在同类最终表面处理中生产成本最低。AlphaSTAR 工艺针对以上探讨的六个与沉银工艺相关的问题，消除或减少了这些问题对高品质产品的直接影响。另外此工艺符合RoHS 和WEEE 的规定，沉银层完全无铅。