揭開PCB最后表面處理之迷(DOC 10)

1、揭開PCB最后表面處理之迷電子工業(yè)都把注意力集中在作為潛在的HASL替代的OSP、浸銀和浸錫上面。雖然以產(chǎn)品生命周期短和迅猛的技術(shù)改變聞名，電子工業(yè)還不得不采用一種工業(yè)應(yīng)用廣泛的熱空氣焊錫均涂(HASL, hot air solder leveling)的替代技術(shù)。在過去十年，有無數(shù)的論文發(fā)表，預(yù)言HASL會由有機(jī)可焊性保護(hù)層(OSP, organic solderability preservatives)、無電鍍鎳/浸金(ENIG, electroless nickel/immersion gold)或新的金屬浸泡技術(shù)諸如銀與錫所取代。到目前為止，還沒有一個(gè)預(yù)言變成現(xiàn)實(shí)。HASL是在世界范

2、圍內(nèi)主要應(yīng)用的最終表面處理技術(shù)。一個(gè)可預(yù)計(jì)的、知名的涂層，HASL今天使用于億萬計(jì)的焊接點(diǎn)上。盡管如此，三個(gè)主要動力：成本、技術(shù)和無鉛材料的需要，推動著電子工業(yè)考慮HASL的替代技術(shù)。從成本的觀點(diǎn)來看，許多電子元件諸如移動通信和個(gè)人計(jì)算機(jī)正變成任意使用的商品，以成本或更低的價(jià)格銷售，來保證互連網(wǎng)或電話服務(wù)合約。這個(gè)策略使得這些商品大量生產(chǎn)和日用品化。因此，必須考慮成本和對環(huán)境的長期影響。環(huán)境的關(guān)注通常集中在潛在的鉛泄漏到環(huán)境中去。僅管在北美的立法禁止鉛的使用還是幾年后的事情，但是原設(shè)備制造商(OEM, original equipment manufacturer)必須滿足歐洲和日本的環(huán)境法令

3、，以使其產(chǎn)品作全球銷售。這個(gè)考慮已經(jīng)孕育出許多課題，評估在每一個(gè)主要的OEM那里消除鉛的可選方法。HASL的替代方法允許無鉛印刷電路板(PWB, printed wiring board)，也提供平坦的共面性表面，滿足增加的技術(shù)要求。更密的間距和區(qū)域陣列元件已允許增加電子功能性。通常，越高的技術(shù)對立著降低成本?？墒牵蠖鄶?shù)替代方法改進(jìn)高技術(shù)裝配和長期的可靠性，而還會降低成本。成本節(jié)約是整個(gè)過程成本的函數(shù)，包括過程化學(xué)、勞力和企業(yè)一般管理費(fèi)用(圖一)。象OSP、浸銀和浸錫等替代技術(shù)可提供最終表面處理成本的20 30%的減少。雖然每塊板的節(jié)約百分比在高層數(shù)多層電路板產(chǎn)品上可能低，日用電子的成本節(jié)約

4、，隨著更大的功能性和鉛的消除，將驅(qū)使替代方法使用的急劇增加。替代方法的使用將不僅會增加，而且將取代HASL作為最終表面處理的選擇。今天替代的問題是選擇的數(shù)量和已經(jīng)發(fā)表的數(shù)據(jù)的純卷積。諸如ENIG、OSP、浸錫和浸銀等替代方法都提供無鉛、高可焊性、平整、共面的表面，在生產(chǎn)中對第一次通過裝配合格率提供重大改進(jìn)。為了揭開最終表面處理的神秘面紗，這些HASL的替代方法可通過比較每個(gè)涂層對裝配要求和PWB設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)來區(qū)分。裝配要求HASL替代方法對裝配過程的作用反映表面的可焊性和它如何與使用的焊接材料相互作用。每一類替代的表面涂層 OSP、有機(jī)金屬的organometallic)(浸錫和銀)或金屬的(E

5、NIG) 具有不同的焊接機(jī)制。焊接機(jī)制的這種差異影響裝配過程的設(shè)定和焊接點(diǎn)的可靠性。OSP是焊接過程中必須去掉的保護(hù)性涂層。助焊劑必須直接接觸到OSP表面，以滲透和焊接到PWB表面的銅箔上。1浸洗工藝，如浸銀或錫，有機(jī)共同沉淀消除最終表面的氧化物。不象OSP，錫和銀溶解在焊錫里面，將成為焊接點(diǎn)的一部分，將幫助熔濕速度。錫和銀兩者都在PWB的銅表面直接形成焊接點(diǎn)。如果適當(dāng)?shù)爻恋恚贓NIG表面的金是純凈的，由于其可熔于焊錫，所以將提供焊接的最快的熔濕速度。可是，當(dāng)使用ENIG時(shí)，焊接點(diǎn)是在鎳障礙層上面形成的，不是直接在PWB的銅表面。所有三類替代涂層都提供最佳的印刷表面，對所有類型的錫膏都一樣。

6、錫膏直接印在表面涂層上面，提供助焊劑直接接觸、滲透OSP和熔濕PWB表面。印刷模板對沉積完美的錫膏印刷，形成有效的密封，消除了HASL的印糊和錫橋問題。結(jié)果是三種替代涂層都有很高的第一次通過裝配合格率，焊錫熔濕方面相差很小。區(qū)別在于焊接點(diǎn)的強(qiáng)度和可靠性。幾個(gè)研究已經(jīng)證實(shí)，使用OSP，直接焊接到銅的表面，提供最好強(qiáng)度的焊接點(diǎn)。2,3當(dāng)使用區(qū)域陣列片狀包裝的較小焊盤時(shí)，焊接點(diǎn)的強(qiáng)度變得重要。雖然使用上減少，波峰焊接還是今天裝配過程的構(gòu)成整體的一部分。每一種最終表面涂層的焊接機(jī)制將影響助焊劑化學(xué)成分的選擇和波峰焊接工藝的設(shè)定。金屬的和有機(jī)金屬的涂層有助于通孔的焊錫熔濕，通常要求很少的助焊劑、較低活性

7、的助焊劑和波峰的較少動蕩。免洗材料在生產(chǎn)條件下與OSP相處很好，但要求一些優(yōu)化來增加助焊劑和/或焊錫滲透到通孔內(nèi)。通常，這個(gè)優(yōu)化增加助焊劑的使用量，代替特定類型的助焊劑化學(xué)成分，或通過更高的動蕩或溫度來增加焊錫滲透。全球范圍內(nèi)正在實(shí)施取代傳統(tǒng)波峰焊接工藝的方法。插入式回流(intrusive reflow)、選擇性焊錫噴泉(selective solder fountain)和順應(yīng)針(compliant pin)正實(shí)際上使用在所有最終表面涂層上。至今為止所完成的工作表明，選擇性焊錫噴泉的動蕩改善了通孔(through-hole)的可熔濕性?？字绣a膏(paste-in-hole)或侵入式回流將助

8、焊劑和助焊劑載體直接接觸PWB的表面，使得通孔的可熔濕性對所有最終表面涂層都是類似的。最后，由于可預(yù)見的孔的誤差，HASL的替代方法比使用順應(yīng)針(compliant pin)的HASL要強(qiáng)。在替代方法中，較厚的浸錫為插件提供最光滑的表面，為順應(yīng)針提供最寬的操作窗口。4裝配工業(yè)現(xiàn)在正評估無鉛焊接替代品。雖然某些合金似乎是特別的OEM的選擇，但是，還要選擇整個(gè)工業(yè)所接受的合金。盡管如此，正在測試的所有合金都要求較高的回流溫度，并產(chǎn)生較慢的熔濕速度。錫膏供應(yīng)商已經(jīng)工程研究了專門的助焊劑化學(xué)成分，來改善這些新合金的熔濕。初始的研究表明較高的回流溫度不會影響OSP、浸銀或浸錫的可焊性或綁接強(qiáng)度。較高的熔

9、化溫度明顯地幫助OSP的滲透和錫與銀表面熔濕，甚至是雙面回流。另外的測試正在進(jìn)行中，以評估熔濕速度的影響和優(yōu)化對最終表面涂層的特定回流參數(shù)。PWB設(shè)計(jì)正如所討論的，裝配過程可以優(yōu)化，以適合所有的最終表面涂層。PWB的設(shè)計(jì)將最終決定適于各個(gè)應(yīng)用的最佳的HASL替代方法，但更專門的包裝和互連的類型： 象按鍵接觸(key contact)、元件屏蔽(component shielding)和插件連接器(edge connector)這樣的應(yīng)用要求在整個(gè)設(shè)備壽命內(nèi)的接觸電阻低。 柔性的電路板通常要求鋁的或不銹鋼的加強(qiáng)構(gòu)件或散熱器。 元件包裝和某些PWB要求引線接合(wire bonding)或與直接芯

10、片附著用的導(dǎo)電性膠的兼容性。 PWB上的高密度互連(HDI, high-density interconnect)幾何形狀戲劇性地影響使用傳統(tǒng)無電鍍涂層的合格率。 已經(jīng)看到由于裝配在ENIG上的區(qū)域陣列包裝的綁接強(qiáng)度不夠而出現(xiàn)的現(xiàn)場失效(field failure)。 為了滿足所有這些要求，電子工業(yè)正將注意力集中在三種主要的替代方法上：OSP、浸銀和浸錫。這三種涂層的每一種都提供適合特定PWB設(shè)計(jì)要求的優(yōu)勢。OSP是成本最低的替代方法，與多金屬表面兼容，提供最高的綁接強(qiáng)度?，F(xiàn)在有新的配方，提供較薄的沉淀層，和原先的、消除了多金屬表面生銹的一樣牢固(圖二)。由于耐磨性或電解金沉淀的可焊性，要求多

11、金屬涂層，如用于插件連接器或金引線接合(gold wire bonding)的電解鎳/金。高成本和焊接點(diǎn)中金的易脆性要求OSP對已焊接的連接作第二次涂層。雖然生產(chǎn)已證實(shí)按鍵接觸，但ENIG也可以和新的OSP工藝一起使用，如果焊接點(diǎn)的強(qiáng)度對PWB設(shè)計(jì)是關(guān)鍵的話。這個(gè)高接合強(qiáng)度使得OSP成為移動電子和區(qū)域陣列包裝(area array package)的選擇。OSP也顯示與使用在倒裝芯片應(yīng)用中的導(dǎo)電性膠的更大的兼容性(圖三)。最后，散熱器或剛性構(gòu)件大都可以在最終表面處理之前容易地應(yīng)用在板列形式。不象OSP，浸或無電鍍工藝將鍍在不銹鋼或鋁上面，引起變色。和OSP與ENIG比較，浸銀還是一個(gè)相對較新的

12、技術(shù)?？墒牵谶^去六年里，廣泛的測試和大量的生產(chǎn)已經(jīng)證實(shí)了這個(gè)工藝的可靠性5,6。焊錫的熔濕特性使得這種涂層更適合于一種現(xiàn)存的無鉛波峰焊接工藝。這種表面處理方法是大多數(shù)應(yīng)用的潛在替代方法，包括屏蔽、鋁引線接合、按鍵接觸和焊接。如表一所示，這個(gè)涂層的接觸電阻在經(jīng)過老化或回流工序之后保持很低。初始的研究顯示，接觸電阻在與導(dǎo)電聚合物接觸300,000次后保持很低，雖然更多工作需要完成。作為一種金屬涂層，浸銀也可以在低放大或不放大的情況下檢查，使得應(yīng)用者和裝配者兩個(gè)都容易決定其存在。表一、浸銀涂層的接觸電阻系列二，探針半徑0.020，接觸力10oz。模擬壓縮連接器的100%接合。電阻以歐姆測量。涂層處

13、理系列號讀數(shù)#1讀數(shù)#2讀數(shù)#3電阻電阻電阻OSPBTH處理10370KG20.5001.250.500OSP無環(huán)境處理10370KKY0.5000.5000.500錫BTH處理10370KGM0.0250.0250.025錫無環(huán)境處理10370KHW0.0250.0250.025銀BTH處理10370K9Z0.0250.0250.025銀無環(huán)境處理10370K8Y0.0250.0250.025鎳/金無環(huán)境處理無0.0250.0250.025Sn63/Pb37無環(huán)境處理無0.0250.0250.025浸錫已經(jīng)在PWB和金屬表面處理工業(yè)使用幾十年了。可是，已經(jīng)開發(fā)出新的化學(xué)成分，使有機(jī)物與錫一起

14、沉淀在銅的表面。這種共同沉淀的有機(jī)物消除纖維狀結(jié)晶(whisker)的增長，這是一個(gè)可靠性問題，阻礙銅錫金屬間的增長，影響可焊接性能。這些新的浸錫工藝的結(jié)果是，較厚的最終表面涂層(30 50 millionths百萬分之一)，提供光滑表面給順應(yīng)針插件和在線測試(ICT, in-circuit test)滲透。正在進(jìn)行中的研究，評估相對ICT探針磨損和幾種最終表面涂層的性能。新的浸錫工藝很容易適應(yīng)無鉛裝配，并與浸銀一樣，它們的存在容易檢查。結(jié)論OSP、浸銀和浸錫用于混合技術(shù)和水溶性與免洗裝配技術(shù)，都將提供高的第一次通過裝配合格率。每個(gè)產(chǎn)品的適當(dāng)應(yīng)用是通過PWB的設(shè)計(jì)要求來明確的： OSP是成本最低的涂層，為芯片規(guī)模(chip-scale)和倒裝芯片(flip chip)包裝提供最好的焊接強(qiáng)度。新的配方能夠處理多金屬表面，如鎳/金帶自動連接(TAB, tape automated bon