pcb表面处理工艺

1、PCB 表面处理工艺特点及用途发布时间： 2010-6-23 发布人： 21 世纪电子网一 . 引言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。二 . 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

2、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。三 . 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

3、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：微蚀一预热一涂覆助焊剂一喷锡T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

4、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T微蚀一酸洗一纯水清洗一有机涂覆T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

5、， 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：酸性清洁一微蚀一预浸一活化一化学镀镍一 化学浸金，主要有 6个化学槽，涉及到近 100

6、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

7、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

8、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

9、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。四 . 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

10、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（ High Density Intrerconnection Technology 高密 度电路板） 一般

11、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P

12、CB、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

13、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