PCB表面处理工艺特点及用途

【导读】随着人类对于居住环境要求的不断提高,目前PCB生产过程中涉及到的环境问题显得尤为突出。目前有关铅和溴的话题是最热门的;无铅化和无卤化将在很多方面影响着PCB的发展。虽然目前来看,PCB的表面处理工艺方面的变化并不是很大,好像还是比较遥远的事情,但是应该注意到:长期的缓慢变化将会导致巨大的变化。在环保呼声愈来愈高的情况下,PCB的表面处理工艺未来肯定会发生巨变。相关阅读:高通宣布骁龙移动处理器交由中芯国际代工
一. 表面处理的目的
表面处理最基本的目的是保证良好的可焊性或电性能。由于自然界的铜在空气中倾向于以氧化物的形式存在,不大可能长期保持为原铜,因此需要对铜进行其他处理。虽然在后续的组装中,可以采用强助焊剂除去大多数铜的氧化物,但强助焊剂本身不易去除,因此业界一般不采用强助焊剂。
二. 常见的五种表面处理工艺
现在有许多PCB表面处理工艺,常见的是热风整平、有机涂覆、化学镀镍/浸金、浸银和浸锡这五种工艺,下面将逐一介绍。
1. 热风整平
热风整平又名热风焊料整平,它是在PCB表面涂覆熔融锡铅焊料并用加热压缩空气整(吹)平的工艺,使其形成一层既抗铜氧化,又可提供良好的可焊性的涂覆层。热风整平时焊料和铜在结合处形成铜锡金属间化合物。保护铜面的焊料厚度大约有1-2mil。
PCB进行热风整平时要浸在熔融的焊料中;风刀在焊料凝固之前吹平液态的焊料;风刀能够将铜面上焊料的弯月状最小化和阻止焊料桥接。热风整平分为垂直式和水平式两种,一般认为水平式较好,主要是水平式热风整平镀层比较均匀,可实现自动化生产。热风整平工艺的一般流程为:微蚀→预热→涂覆助焊剂→喷锡→清洗。
2. 有机涂覆
有机涂覆工艺不同于其他表面处理工艺,它是在铜和空气间充当阻隔层;有机涂覆工艺简单、成本低廉,这使得它能够在业界广泛使用。早期的有机涂覆的分子是起防锈作用的咪唑和苯并三唑,最新的分子主要是苯并咪唑,它是化学键合氮功能团到PCB上的铜。在后续的焊接过程中,如果铜面上只有一层的有机涂覆层是不行的,必须有很多层。这就是为什么化学槽中通常需要添加铜液。在涂覆第一层之后,涂覆层吸附铜;接着第二层的有机涂覆分子与铜结合,直至二十甚至上百次的有机涂覆分子集结在铜面,这样可以保证进行多次回流焊。试验表明:最新的有机涂覆工艺能够在多次无铅焊接过程中保持良好的性能。
有机涂覆工艺的一般流程为:脱脂→微蚀→酸洗→纯水清洗→有机涂覆→清洗,过程控制相对其他表面处理工艺较为容易。
3. 化学镀镍/浸金
化学镀镍/浸金工艺不像有机涂覆那样简单,化学镀镍/浸金好像给PCB穿上厚厚的盔甲;另外化学镀镍/浸金工艺也不像有机涂覆作为防锈阻隔层,它能够在PCB长期使用过程中有用并实现良好的电性能。因此,化学镀镍/浸金是在铜面上包裹一层厚厚的、电性良好的镍金合金,这可以长期保护PCB;另外它也具有其它表面处理工艺所不具备的对环境的忍耐性。镀镍的原因是由于金和铜间会相互扩散,而镍层能够阻止金和铜间的扩散;如果没有镍层,金将会在数小时内扩散到铜中去。化学镀镍/浸金的另一个好处是镍的强度,仅仅5微米厚度的镍就可以限制高温下Z方向的膨胀。此外化学镀镍/浸金也可以阻止铜的溶解,这将有益于无铅组装。
化学镀镍/浸金工艺的一般流程为:酸性清洁→微蚀→预浸→活化→化学镀镍→化学浸金,主要有6个化学槽,涉及到近100种化学品,因此过程控制比较困难。
4. 浸银
浸银工艺介于有机涂覆和化学镀镍/浸金之间,工艺比较简单、快速;不像化学镀镍/浸金那样复杂,也不是给PCB穿上一层厚厚的盔甲,但是它仍然能够提供好的电性能。银是金的小兄弟,即使暴露在热、湿和污染的环境中,银仍然能够保持良好的可焊性,但会失去光泽。浸银不具备化学镀镍/浸金所具有的好的物理强度因为银层下面没有镍。另外浸银有好的储存性,浸银后放几年组装也不会有大的问题。
浸银是置换反应,它几乎是亚微米级的纯银涂覆。有时浸银过程中还包含一些有机物,主要是防止银腐蚀和消除银迁移问题;一般很难测量出来这一薄层有机物,分析表明有机体的重量少于1%。
5. 浸锡
由于目前所有的焊料都是以锡为基础的,所以锡层能与任何类型的焊料相匹配。从这一点来看,浸锡工艺极具有发展前景。但是以前的PCB经浸锡工艺后出现锡须,在焊接过程中锡须和锡迁徙会带来可靠性问题,因此浸锡工艺的采用受到限制。后来在浸锡溶液中加入了有机添加剂,可使得锡层结构呈颗粒状结构,克服了以前的问题,而且还具有好的热稳定性和可焊性。
浸锡工艺可以形成平坦的铜锡金属间化合物,这个特性使得浸锡具有和热风整平一样的好的可焊性而没有热风整平令人头痛的平坦性问题;浸锡也没有化学镀镍/浸金金属间的扩散问题——铜锡金属间化合物能够稳固的结合在一起。浸锡板不可存储太久,组装时必须根据浸锡的先后顺序进行。
6. 其他表面处理工艺
其他表面处理工艺的应用较少,下面来看应用相对较多的电镀镍金和化学镀钯工艺。
电镀镍金是PCB表面处理工艺的鼻祖,自从PCB出现它就出现,以后慢慢演化为其他方式。它是在PCB表面导体先镀上一层镍后再镀上一层金,镀镍主要是防止金和铜间的扩散。现在的电镀镍金有两类:镀软金(纯金,金表面看起来不亮)和镀硬金(表面平滑和硬,耐磨,含有钴等其他元素,金表面看起来较光亮)。软金主要用于芯片封装时打金线;硬金主要用在非焊接处的电性互连。
考虑到成本,业界常常通过图像转移的方法进行选择性电镀以减少金的使用。目前选择性电镀金在业界的使用持续增加,这主要是由于化学镀镍/浸金过程控制比较困难。
正常情况下,焊接会导致电镀金变脆,这将缩短使用寿命,因而要避免在电镀金上进行焊接;但化学镀镍/浸金由于金很薄,且很一致,变脆现象很少发生。
化学镀钯的过程与化学镀镍过程相近似。主要过程是通过还原剂(如次磷酸二氢钠)使钯离子在催化的表面还原成钯,新生的钯可成为推动反应的催化剂,因而可得到任意厚度的钯镀层。化学镀钯的优点为良好的焊接可靠性、热稳定性、表面平整性。
三. 表面处理工艺的选择
表面处理工艺的选择主要取决于最终组装元器件的类型;表面处理工艺将影响PCB的生产、组装和最终使用,下面将具体介绍常见的五种表面处理工艺的使用场合。
1. 热风整平
热风整平曾经在PCB表面处理工艺中处于主导地位。二十世纪八十年代,超过四分之三的PCB使用热风整平工艺,但过去十年以来业界一直都在减少热风整平工艺的使用,估计目前约有25%-40%的PCB使用热风整平工艺。热风整平制程比较脏、难闻、危险,因而从未是令人喜爱的工艺,但热风整平对于尺寸较大的元件和间距较大的导线而言,却是极好的工艺。在密度较高的PCB中,热风整平的平坦性将影响后续的组装;故HDI板一般不采用热风整平工艺。随着技术的进步,业界现在已经出现了适于组装间距更小的QFP和BGA的热风整平工艺,但实际应用较少。目前一些工厂采用有机涂覆和化学镀镍/浸金工艺来代替热风整平工艺;技术上的发展也使得一些工厂采用浸锡、浸银工艺。加上近年来无铅化的趋势,热风整平使用受到进一步的限制。虽然目前已经出现所谓的无铅热风整平,但这可将涉及到设备的兼容性问题。
2. 有机涂覆
估计目前约有25%-30%的PCB使用有机涂覆工艺,该比例一直在上升(很可能有机涂覆现在已超过热风整平居于第一位)。有机涂覆工艺可以用在低技术含量的PCB,也可以用在高技术含量的PCB上,如单面电视机用PCB、高密度芯片封装用板。对于BGA方面,有机涂覆应用也较多。PCB如果没有表面连接功能性要求或者储存期的限定,有机涂覆将是最理想的表面处理工艺。
3. 化学镀镍/浸金
化学镀镍/浸金工艺与有机涂覆不同,它主要用在表面有连接功能性要求和较长的储存期的板子上,如手机按键区、路由器壳体的边缘连接区和芯片处理器弹性连接的电性接触区。由于热风整平的平坦性问题和有机涂覆助焊剂的清除问题,二十世纪九十年代化学镀镍/浸金使用很广;后来由于黑盘、脆的镍磷合金的出现,化学镀镍/浸金工艺的应用有所减少,不过目前几乎每个高技术的PCB厂都有化学镀镍/浸金线。考虑到除去铜锡金属间化合物时焊点会变脆,相对脆的镍锡金属间化合物处将出现很多的问题。因此,便携式电子产品(如手机)几乎都采用有机涂覆、浸银或浸锡形成的铜锡金属间化合物焊点,而采用化学镀镍/浸金形成按键区、接触区和EMI的屏蔽区。估计目前大约有10%-20%的PCB使用化学镀镍/浸金工艺。
4. 浸银
浸银比化学镀镍/浸金便宜,如果PCB有连接功能性要求和需要降低成本,浸银是一个好的选择;加上浸银良好的平坦度和接触性,那就更应该选择浸银工艺。在通信产品、汽车、电脑外设方面浸银应用的很多,在高速信号设计方面浸银也有所应用。由于浸银具有其它表面处理所无法匹敌的良好电性能,它也可用在高频信号中。EMS推荐使用浸银工艺是因为它易于组装和具有较好的可检查性。但是由于浸银存在诸如失去光泽、焊点空洞等缺陷使得其增长缓慢(但没有下降)。估计目前大约有10%-15%的PCB使用浸银工艺。
5. 浸锡
锡被引入表面处理工艺是近十年的事情,该工艺的出现是生产自动化的要求的结果。浸锡在焊接处没有带入任何新元素,特别适用于通信用背板。在板子的储存期之外锡将失去可焊性,因而浸锡需要较好的储存条件。另外浸锡工艺中由于含有致癌物质而被限制使用。估计目前大约有5%-10%的PCB使用浸锡工艺。
四. 结束语
随着客户要求愈来愈高,环境要求愈来愈严,表面处理工艺愈来愈多,到底该选择那种有发展前景、通用性更强的表面处理工艺,目前看来好像有点眼花缭乱、扑朔迷离。PCB表面处理工艺未来将走向何方,现在亦无法准确预测。不管怎样,满足客户要求和保护环境必须首先做到!
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