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1,PCB表面处理方式综述,2010-05-06,CPCA：梁志立、聂伦,2,一、SMT装配对PCB表面处理的基本要求,1、成本 2、可焊性 3、保护性 4、可靠性 5、适用范围 6、环保性,3,二、无铅时代PCB表面处理的方式,1、无铅喷锡 2、OSP 3、化学镍金 4、化学锡 5、化学银 6、电镀镍金 7、化学钯,4,三、不同表面处理工艺的比较,5,6,7,四、PCB表面处理方式的简介、特点,8,1、无铅喷锡,无铅喷锡简介 喷锡又名热风焊料整平，它是在PCB表面涂覆熔融锡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喷锡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喷锡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 喷锡工艺的一般流程为： 微蚀→预热→涂覆助焊剂→喷锡→清洗9,无铅喷锡的特点 喷锡制程比较脏、难闻、危险，因而从未是令人喜爱的工艺，但其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，其平坦性将影响后续的组装；故HDI板一般不采用喷锡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的喷锡工艺，但实际应用较少近年来无铅化的趋势要求，喷锡的使用受到进一步的限制 无铅喷锡也由于涉及到设备的兼容性问题而难以大量使用10,2、OSP,OSP的简介 OSP工艺不同于其他表面处理工艺，它是通过一层有机膜在铜和空气间充当阻隔层； OSP工艺简单、成本低廉，这使得它能够在业界广泛使用早期OSP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 OSP工艺的一般流程为： 脱脂→微蚀→酸洗→纯水清洗→ OSP →清洗,11,OSP的特点 OSP过程控制相对其他表面处理工艺较为容易 OSP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， OSP将是最理想的表面处理工艺12,3、化学锡,化学锡的简介 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，化学锡工艺极具有发展前景但是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 化学锡工艺的一般流程为： 脱脂→微蚀→酸洗→纯水清洗→化学锡→清洗,13,化学锡的特点 化学锡工艺可以形成平坦的铜锡金属间化合物，这个特性使得化学锡具有和喷锡一样的好的可焊性而没有喷锡令人头痛的平坦性问题化学锡板不可存储太久，组装时必须根据浸锡的先后顺序进行 化学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化学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14,4、化学银,化学银简介 化学银工艺介于OSP和化学镍金之间，工艺比较简单、快速；不像化学镍金那样复杂，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且化学银不具备化学镍金所具有的好的物理强度因为银层下面没有镍另外化学银对储存性环境要求苛刻，化学银板储存不当容易变色而影响焊锡性。

化学银工艺的一般流程为： 脱脂→微蚀→酸洗→纯水清洗→化学锡→清洗,15,化学银的特点 化学银是置换反应，它几乎是亚微米级的纯银涂覆化学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％化学银比化学镍金便宜，如果PCB有连接功能性要求和需要降低成本，化学银是一个好的选择；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、容易变色、老化、焊点空洞等缺陷使得其实际应用受到限制16,5、电镀镍金,电镀镍金简介 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 电镀镍金工艺的一般流程为： 脱脂→微蚀→酸洗→纯水清洗→电镀镍→纯水清洗→电镀金→清洗,17,电镀镍金的特点 成本高，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。

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；但化学镍金由于金很薄，且很一致，变脆现象很少发生18,6、化学钯,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、表面平整性但由于起步较晚目前并没有大量的应用，且还有很多未知的因素没有了解清楚 化学镀钯工艺的一般流程为： 脱脂→微蚀→酸洗→纯水清洗→化学镀钯→清洗,19,7、化学镍金,化学镍金的简介 化学镍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镍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镍金也可以阻止铜的溶解，这将有益于无铅组装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。

目前几乎每个高技术的PCB厂都有化学镀镍/浸金线 化学镍金工艺的一般流程为： 脱脂→微蚀→酸洗→活化→化学镍→化学金→清洗,20,五、总结,1、不同的表面处理制程各有优劣、适用于不同的表面贴装要求 2、在选择不同表面处理制程时应充分考虑到制程的成熟性、稳定性和综合成本 3、任何表面处理都有一定的局限性，想要得到好的表面贴装结果，在表面贴装的制程管控亦非常之关键 4、表面处理工艺类型的选择主要取决于最终组装元器件的类型21,化学镍金镀层质量问题探讨,22,1、化学镍金反应机理 2、磷含量的定义 3、磷含量的分类 4、磷含量对镀层质量的影响 5、富磷层的定义和产生机理 6、IMC的定义和产生机理 7、金脆的定义 8、富磷层、IMC、金脆对焊接的影响 9、图例解说 10、如何保证ENIG产品的可靠性,目录,23,1、化学镍金的反应机理,⑴、 化学镍的反应原理：铜面在钯金属之催化作用下通过“还原剂”和“镍离子”开始化学镀镍反应，由于镍本身是进一步化学镀镍的催化剂，与镀液中次磷酸钠的为还原剂的共同作用下，化学镀镍沉积过程将不断继续下去，直至产品从槽液中取出 ⑵、磷在化学镍的沉积过程中共镀到化学镍的镀层中，所以化学镍并不是单纯的“镍”而实际上应该是“镍磷”合金。

严格来说“化学镀镍”也应该称之为“化学镀镍磷合金” ⑶、化学金的反应原理：通过镍金置换的（或半置换半还原）方式在镍面上沉积上金24,2、磷含量的定义,磷含量： 指在化学镀镍磷合金镀层中，磷所占的重量比（w/w%） P%（ w/w%）=（P/P+Ni）*100%,25,3、磷含量的分类,化学镍磷镀层根据镀层中磷含量的不同通常分为：低磷镍、中磷镍、高磷镍 低磷： 指镀层中磷含量占合金重量的比例为1—5% 中磷： 指镀层中磷含量占合金重量的比例为6—9% 高磷： 指镀层中磷含量占合金重量的比例为9—13%26,4、磷含量对镀层质量的影响,,,,27,5、富磷层的定义和产生机理,A、富磷层的定义： 富磷层是指镀层中磷相对富集的部份 B、富磷层的产生机理 （1）、浸金过程中由于镍金发生置换反应而磷不参与反应，则失去镍的镀层较正常镀层的磷含量偏高形成磷的轻微富集但是如果在浸金过程中受到药水的过度攻击或浸金前镍面受到污染则有可能化金后造成严重的镍面腐蚀进而形成严重的富磷层如图1、2、3、4所示） （2）、焊锡过程中由于镍与锡形成IMC层，而磷不参与反应，则失去镍的镀层较正常镀层的磷含量偏高形成磷的二次富集。

如图5、6、7所示）,28,6、IMC的定义和产生机理,A、IMC的定义： IMC 是Intermetallic compound 之缩写，即介面金属间 的化合物如：ENIG所指的IMC是锡膏生长在镍层上形成的结晶共化物（即Ni3Sn4） B、IMC层形成的机理 ENIG皮膜进行无铅焊接时，薄薄的浸金层在充足的热量与锡量下，会快速的溶入液锡主体中(溶速约117μin/sec)，形成四处分散AuSn4的IMC （通常原子数之含量约为 0.03-0.04%之间，一旦 超过 0.3%时焊点会变脆），相较之下金溶入的速度对镍而言应在数万倍 以上，镍与锡会在较慢速度下形成 Ni3Sn4 为主体的IMC 而焊牢 ENIG焊接中IMC的厚度一般在1-3um（此为行业内一般之经验数据，暂无专门之标准定义），过厚、过薄的IMC层均可能影响到焊接的强度29,7、金脆的定义,金脆的定义： 金脆是指在ENIG（也可能是电金板）板在焊接的过程中由于金镀层太厚或是焊温不足等因素引起的金不完全扩散或金在焊料中的比例过大而造成的焊接层（IMC）强度不足、脆性增大的一种现象30,8、富磷层、IMC、金脆对焊接的影响,31,A、从化学镍到焊接完成的流程示意图（图1、2、3、4、5、6、7） B、从化学镍到焊接完成的典型图片（图8、9、10、11、12、13、14、15、16、17）,9、图例解说,32,图1、浸金之前的良好镍面结构（镍磷均匀的分布）,,33,图2、进入浸金槽时（未进行反应）的镍金状况（镍金即将与置换反应的形式原子交换）,,34,图3、浸金反应完成后（镍金交换位置，镍离子游离于槽液中，金覆盖在原来镍的位置，磷由于不参与置换则镍游走之后磷的比例自然上升。

35,图4、ENIG完成之后的线路板,,36,图5、印刷完锡膏后之ENIG板,,37,图6、焊接过程中金开始融化并扩散到焊料中， 锡与镍将形成IMC层38,图7、焊接完成镍与锡形成IMC层（金完全融解后扩散到IMC层中，磷由于部份镍参与形成IMC再次富集在镍层与IMC层之间39,图8、浸金之前良好镍面的SEM图片（为后续良好之化金提供了良好的基础）,镍面1000倍SEM图片,镍面5000倍SEM图片,40,图9、浸金之前良好镍面的SEM图片（切片后的SEM图片）,41,图10、浸金之前已出现污染、腐蚀的镍面SEM图片（为得到良好的化金层埋下严重的隐患）,镍面1000倍SEM图片,镍面3000倍SEM图片,42,图11、浸金之前已出现腐蚀的镍面（切片后的SEM图片）,43,图12、浸金反应完成后的良好金面SEM图片（良好之镍面、化金过程中又没有受到过度的攻击和腐蚀则可得到良好之金面）,44,图13、浸金反应完成后金面出现局部腐蚀污染的SEM图片（本身已出现污染、腐蚀的镍面或在浸金过程中受到过度的药水攻击必然得不到良好的金层）,45,图14、焊接完成后形成的良好IMC层、完全无腐蚀和明显富磷层的SEM照片（如此焊接镀层肯定不会有任何的失效问。