去除PCB沉銀層的重要技術(shù)和方法

一、目前現狀

大家都知道，因為印制線(xiàn)路板完成裝配后不能重工，所以因微空洞而報廢所造成的成本損失最高。雖然其中有八個(gè)PWB制造廠(chǎng)商因為客戶(hù)退件而注意到了該缺陷，但是此類(lèi)缺陷主要還是由裝配廠(chǎng)商提出?？珊感詥?wèn)題根本沒(méi)有被PWB制造廠(chǎng)商報告過(guò)，只有三家裝配廠(chǎng)商誤將發(fā)生在內部有大散熱槽/面的高縱橫比(HAR)厚板上的”縮錫”問(wèn)題(是指在波峰焊后焊錫只填充到孔深度的一半)歸咎于沉銀層。經(jīng)由原始設備商(OEM)針對此問(wèn)題更深入的研究驗證，此問(wèn)題完全是由于線(xiàn)路板設計所產(chǎn)生的可焊性問(wèn)題，與沉銀工藝或其他最終表面處理方式無(wú)關(guān)。

二、根本原因分析

通過(guò)對造成缺陷的根本原因分析，可經(jīng)由工藝改善和參數優(yōu)化相結合的方式將這些缺陷率降到最低。賈凡尼效應通常出現在阻焊膜和銅面之間的裂縫下。在沉銀過(guò)程中，因為裂縫的縫隙非常小，限制了沉銀液對此處的銀離子供應，但是此處的銅可以被腐蝕為銅離子，然后在裂縫外的銅表面上發(fā)生沉銀反應。因為離子轉換是沉銀反應的源動(dòng)力，所以裂縫下銅面受攻擊程度與沉銀厚度直接相關(guān)。2Ag++1Cu=2Ag+1Cu2+(+是失去一個(gè)電子的金屬離子)下面任何一個(gè)原因都會(huì )形成裂縫:側蝕/顯影過(guò)度或阻焊膜與銅面結合不好;不均勻的電鍍銅層(孔口薄銅處);阻焊膜下基材銅上有明顯的深刮痕。

腐蝕是由于空氣中的硫或氧與金屬表面反應而產(chǎn)生的。銀與硫反應會(huì )在表面生成一層黃色的硫化銀(Ag2S)膜，若硫含量較高，硫化銀膜最終會(huì )轉變成黑色。銀被硫污染有幾個(gè)途徑，空氣(如前所述)或其他污染源，如PWB包裝紙。銀與氧的反應則是另外一種過(guò)程，通常是氧和銀層下的銅發(fā)生反應，生成深褐色的氧化亞銅。這種缺陷通常是因為沉銀速度非?？?，形成低密度的沉銀層，使得銀層低部的銅容易與空氣接觸，因此銅就會(huì )和空氣中的氧產(chǎn)生反應。疏松的晶體結構的晶粒間空隙較大，因而需要更厚的沉銀層才能達到抗氧化。這意味著(zhù)生產(chǎn)中要沉積更厚的銀層從而增加了生產(chǎn)成本，也增加了可焊性出現問(wèn)題的機率，如微空洞和焊接不良。

露銅通常與沉銀前的化學(xué)工序有關(guān)。這種缺陷在沉銀工藝后顯現，主要是因為前制程未完全去除的殘留膜阻礙了銀層的沉積而產(chǎn)生的。最常見(jiàn)的是由阻焊工藝帶來(lái)的殘留膜，它是在顯影液中顯影未凈所致，也就是所謂的“殘膜”，這層殘膜阻礙了沉銀反應。機械處理過(guò)程也是產(chǎn)生露銅的原因之一，線(xiàn)路板的表面結構會(huì )影響板面與溶液接觸的均勻程度，溶液循環(huán)不足或過(guò)多同樣會(huì )形成不均勻的沉銀層。

離子污染線(xiàn)路板表面存在的離子物質(zhì)會(huì )干擾線(xiàn)路板的電性能。這些離子主要來(lái)自沉銀液本身(殘存在沉銀層或在阻焊膜下)。不同沉銀溶液離子含量不同，離子含量越高的溶液，在同樣的水洗條件下，離子污染值越高。沉銀層的孔隙度也是影響離子污染的重要因素之一，孔隙度高的銀層容易殘存溶液中的離子，使得水洗的難度增大，最終會(huì )導致離子污染值的相應升高。后水洗效果同樣會(huì )直接影響離子污染，水洗不充分或水質(zhì)不合格都會(huì )引起離子污染超標。

微空洞通常直徑小于1mil，位于焊料和焊接面之間的金屬界面化合物之上的空洞被稱(chēng)為微空洞，因為它實(shí)際上是焊接面的“平面空泡群”，所以極大的減小了焊接結合力。OSP、ENIG以及沉銀表面都會(huì )出現微空洞，其形成的根本原因尚未明確，但已確認了幾個(gè)影響因素。盡管沉銀層的所有微空洞都發(fā)生在厚銀(厚度超過(guò)15μm)表面，但并非所有的厚銀層都會(huì )發(fā)生微空洞。當沉銀層底部的銅表面結構非常粗糙時(shí)更容易產(chǎn)生微空洞。微空洞的發(fā)生似乎也與共沉積在銀層中的有機物的種類(lèi)及成分有關(guān)。針對以上所述之現象，原始設備廠(chǎng)商(OEM)、設備生產(chǎn)服務(wù)商(EMS)、PWB制造廠(chǎng)商以及化學(xué)品供應商進(jìn)行了數個(gè)模擬條件下焊接研究，但沒(méi)有一個(gè)能夠徹底消除微空洞。

三、預防措施

預防措施的制訂需要考量實(shí)際生產(chǎn)中化學(xué)品和設備對各種缺陷的貢獻度，才能避免或消除缺陷并提升良品率。賈凡尼效應的預防可以追溯到前制程的鍍銅工序，對高縱橫比孔和微通孔而言，均勻的電鍍層厚度有助于消除賈凡尼效應的隱患。剝膜，蝕刻以及剝錫工序中的過(guò)度腐蝕或側蝕都會(huì )促使裂縫的形成，裂縫中會(huì )殘留微蝕溶液或其他溶液。盡管如此，阻焊膜的問(wèn)題仍是發(fā)生賈凡尼效應的最主要原因，大多數發(fā)生賈凡尼效應的缺陷板都有側蝕或阻焊膜脫落現象，這種問(wèn)題主要來(lái)自于曝光顯影工序。因此如果阻焊膜顯影后都呈“正向腳”同時(shí)阻焊膜也被完全固化，那么賈凡尼效應問(wèn)題就幾乎可以被消除。要得到好的沉銀層，在沉銀的位置必須是100%金屬銅，每個(gè)槽溶液都有良好的貫孔能力，而且通孔內溶液能夠有效交換。若是非常精細的結構，如HDI板，在前處理和沉銀槽液中安裝超聲波或噴射器非常有用。對于沉銀工藝生產(chǎn)管理而言，控制微蝕速率形成光滑、半光亮的表面也可以改善賈凡尼效應。對于原始設備商(OEM)而言，應盡量避免大銅面或高縱橫比的通孔與細線(xiàn)路相連接的設計，消除發(fā)生賈凡尼效應的隱患。對化學(xué)品供應商而言，沉銀液不能有很強的攻擊性，要保持適當pH值，沉銀速度受控并能生成預期的晶體結構，能以最薄銀厚達到最佳的抗蝕性能。

腐蝕可以通過(guò)提高鍍層密度，降低孔隙度來(lái)減小。使用無(wú)硫材料包裝，同時(shí)以密封來(lái)隔絕板與空氣的接觸，也防止了空氣中夾帶的硫接觸銀表面。最好將包裝好的板存放在溫度30℃、相對濕度40%的環(huán)境中。雖然沉銀板的保存期很長(cháng)，但是存儲時(shí)仍要遵循先進(jìn)先出原則。

露銅可以通過(guò)優(yōu)化沉銀的前工序來(lái)降低或消除。為了達到這個(gè)目的，可在微蝕后通過(guò)“破水”實(shí)驗或“亮點(diǎn)”實(shí)驗來(lái)檢查銅表面，清潔的銅表面可以保持水膜至少40秒。定期維護保養設備以確保溶液循環(huán)均勻穩定，通過(guò)DOE優(yōu)化時(shí)間、溫度、攪拌來(lái)獲得最佳的沉銀操作參數，進(jìn)而確保得到理想的厚度和高品質(zhì)的銀層。根據需要使用超聲波或噴射器來(lái)提高沉銀液對微通孔、高縱橫比孔及厚板的潤濕能力，同時(shí)也為生產(chǎn)HDI板提供可行的解決方案，這些輔助的機械方法可被應用在前處理和沉銀液中來(lái)確?？妆谕耆粷櫇?。

離子污染可通過(guò)降低沉銀溶液的離子濃度來(lái)降低?；谶@個(gè)原因，在不影響溶液性能的條件下，沉銀液的離子含量應盡可能保持在較低水平。通常最后的清洗段要用去離子水清洗至少1分鐘，同時(shí)還必須定期檢測離子含量(陰離子和陽(yáng)離子)是否符合工業(yè)標準。區別主要污染的來(lái)源，這些測試的結果必須記錄并保留。

微空洞是最難預防的一種缺陷，因為它產(chǎn)生的真正原因尚未明確。誠如前面所述，我們已經(jīng)知道有些因素似乎會(huì )引發(fā)微空洞或伴隨微空洞而出現，可以通過(guò)消除或盡量減少這些因素來(lái)達到控制出現微空洞問(wèn)題。其中沉銀厚度是引發(fā)微空洞的最顯著(zhù)因素，所以控制沉銀層厚度是首要步驟。其次還應該調整微蝕速度和沉銀速度以獲得光滑均勻的表面結構。還要通過(guò)測試槽液在使用周期內不同時(shí)間點(diǎn)的沉銀層的純度，來(lái)監控沉銀層中的有機物含量，合理的銀含量應控制在90%(原子比)以上。