无铅技术系列文章五：PCB和PCB焊盘镀层

无铅技术系列文章五：PCB和PCB焊盘镀层'心」薛竞成撰写前言：上篇文章我们谈到了焊料合金。我们也提到整个焊接必须当作个系统来处理和考虑。而这个系统中就包括了材料、工艺、设备、检测、返修几个主要部分。在材料中，除了焊料合金和助焊剂是个关键技术外，就是PCB材料、焊盘镀层（保护层），以及器件焊端的材料了。我们这期就来看看PCB方面的发展。无铅技术对PCB主要造成两个方面的影响。一是较高的热量或温度对PCB基材造成的破坏威胁；另一是和焊盘保护镀层材料相关的，虽然镀层材料在进入无铅技术时并没有什么变化，但由于焊料合金的改变，使焊点和焊盘界面特性也起了变化，而这变化是否影响焊点的可靠性，是无铅技术研究的重点之一。PCB的耐热性能：虽然无铅焊接可以在传统的温度范围内进行（即所谓的drop-in工艺），但对于多数用户来说，要做到这一点是不容易的。尤其是要做到每一种产品都能够在传统的峰值为235°C以下焊接成功的话，就需要有十分良好的DFM、设备和工艺的配合。这些技能的掌握并非容易。所以对于许多用户来说，无铅也就意味着较高的焊接温度。而在较高温度的情况下，原有的PCB材料是否还能够承受这些热量而不会出现可靠性问题呢在传统工艺上，PCB的软化温度（Tg，GlassTransitionTemperature）一直是个主要的关注指标。这特性指标也常间接地被使用来评估基板的耐热性。越高的Tg，意味着耐热性较高，也意味着在焊接过程中变形的程度会较小。在常用的FR4材料上，Tg的范围大约从低Tg值的120+°C到高Tg类FR4的180°C左右。而这温度，在无铅的一些应用上（如大而薄的BGA）是不太理想的。所以追求更高的Tg,或在使用上小心设计，或采用drop-in工艺（注一），是一些无铅用户的研发重点。不过在无铅的普遍高温度的研究中，使业界发现了在PCB基材上，有另外一个特性对我们的应用更重要。这就是层压分离温度（Td,Delaminationtemperature）。这特性指的是在某一高温下，PCB的层压间开始失去结合力而出现脱离现象。在锡铅技术时代，人们很少发现PCB分层的问题（除非是PCB的制造上问题）。但当焊接温度和时间加高加长以后，这类问题开始出现了。所以用户也就开始关心供应商使用的材料的这一特性指标。一些专家认为，在无铅技术中，这指标甚至比Tg的应用更为重要。原因是它所表示的特性，遇到问题的可能性更高。Td在英文中有时也称为DecompositionTemperature（缩写不变，都是Td）。也就是分解温度。原因是造成分层问题的原因，是由PCB基材中树脂的化学分解造成的。不过虽然Td在无铅应用中很重要，并非所有的供应商对这特性都给于测试以及制定指标，所以还得通过用户不断的提出要求才能推动起来。还有一个特性，就是影响外观的变色。一些FR4材料在240°C以上时就会变色（变得更深更暗的褐色）。而无铅焊接的温度可能高达245到250°C,这将会给产品带来外观上的问题。虽然此时的基板质量（如绝缘性等）并没有变，但对用户来说总是个不放心的因素。由于目前没有Tg超过260°C的材料，所以焊接过程中产生曲翘的传统问题依然存在。甚至随着焊接热量的增加而更严重。而这方面一直也缺乏测试指标（注二），所以用户必须得自行处理。PCB的耐热测试：不像SMT器件，到目前为止，还没有一个较统一的测试方法用来鉴定PCB在无铅技术中的使用质量。一些大企业例如IBM等有自己的测试方法。一般都像器件一样的采用类似回流温度曲线来测试。因为大家认为这是最接近实际应用的状况。事实上由于测试时使用的多是裸板，其负荷和对流条件和实际产品是有出入的。我们在实际应用中，所要确保的是焊点上的温度变化，以求符合我们所要的温度曲线，当我们通过设置来达到这目的时，由于以上所说的空气对流性的影响（和布局有很大的关系），以及导热特性的变化（和PCB内层布线等相关），我们在板上不同点的温度也有不同的变化。所以严格遵守焊接回流曲线图形是没有必要的。而更重要的，是测试时的温度和时间以及升温和降温速率的设置，也就是热量的大小和热冲击程度的模拟才是个关键。为此，笔者比较喜欢使用‘梯形'或‘双梯形'（注三）的测试方法。如果读者采用‘焊接回流曲线'的测试法，我建议测试的参数必须比IPC/JEDEC的J-STD-020C来得严峻。因为在实际应用中，PCB由于两面受热以及对流条件较器件好，很多时候是可能热于器件的。我见过的测试做法，都采用和器件测试参数很接近的，有些参数甚至比器件测试的要求低。这是不太理想和值得再研究的。目前被看好的镀层技术：PCB上焊盘一般都是使用铜，为了防止铜的氧化而造成可焊性差的现象，所有的焊盘表面都有经过保护涂层或镀层的处理。由于在锡铅技术时代，许多镀层的材料都已经不含有铅，所以在进入无铅技术的研究中，这方面主要是把焦点放在和新的无铅焊料合金的兼容性上。同时，由于SMT一直也在朝向微型化发展，而焊盘的平整对微型组装是个重要因素，所以当业界在处理无铅技术的焊盘镀层时，同时也考虑到镀层技术所能提供的平整度。这一来，使用最广的传统热风整平锡铅技术（HASL）的用户，受到影响的也将会很多。焊盘保护镀层的种类也不少。其中有纯锡Sn、纯银Ag、纯铋Bi、以及合金的锡银SnAg、锡铋SnBi、锡铜SnCu、锡镍SnNi、钯Pd和钯合金、还有多层的钯/金Pd/Au、镍/钯Pd/Ni、镍/锡Ni/Sn、镍/金Ni/Au、以及有机涂层的OSP。在众多技术中目前较受到看好的镀层技术有以下几种：OSP镍金层（有Electroless和ENIG）浸银ImAg•纯锡（有Electroless和浸锡）业界，尤其是日本方面，也在发展热风整平HASL的无铅技术。虽然有一定的成果，但其他技术的发展以及对平整度的要求，是这门技术再不像以往锡铅时代一样的具有很大的优势。最终是否能受大部分用户欢迎而成为主流还是个未知数。镀层加工技术：一直以来，焊盘保护层的加工（电镀）技术，并没有得到SMT用户广泛的关注。我们一般在SMT组装用户中都把这门知识交给供应商，很少有SMT工程师对这方面熟悉的。不过在无铅技术的研究中，业界发现不同的加工工艺对焊点的可靠性也有一定的影响。其实这状况在锡铅技术中也有，但无铅的某些情况下似乎较严重。例如金属须（Whisker）问题，在电镀加工中情况严重，而在浸镀和热风整平中几乎没有见到过（这类问题在锡铅技术中由于铅的存在能够抑制金属须而不被关注）。除了个别工艺在可靠性上有差异外，我们还发现在不同工艺中，其质量保证的要求也不一样。例如电镀（Electroplated）工艺本身是较容易控制的。但无电极电镀就需要复杂的电镀液和控制，对于质量的一致性保证难度较高。这些技术在供应商方面是否能

掌握得好会直接影响用户的产品质量。所以对于那些产品要求可靠性高的行业，这可是个SMT工程师需要学习了解的新课题。常用的镀层技术有电镀(Electroplating)、无电极电镀或化学电镀(Electrolessplating)、浸镀(Immersion)或以上的混合式，例如无电极电镀加浸镀。这些技术和镀层材料(如Sn,Pd,Ag,Au等)配合，就出现不同的工艺和寿命特性。这些技术各有特点，比如电镀容易控制，但因为加工时必须通电流，而决定电镀程度的电流密度受到电镀面外形的影响，所以这工艺用在高密度上较不理想。无电极电镀的工艺控制难，虽然结果能够有好的质量，但供应商必须对该技术有很好的认识和掌握才行。图一种显示了两个由于电镀工艺控制不好的故障例子。r2r2-1--'警甲各©芒图一：电镀工艺失控造成的质量问题，左边是针孔，右边是裂痕现象在无电极电镀技术中，电镀液的配方和控制是个关键。除了要掌握这配方外，电镀过程的温度、时间、耗损、以及电镀液的酸性值等都是必须控制的。所以这门技术对供应商的要求较高，而用户在供应商的选择和能力评估上就有必要更小心，以免遇到批量质量的变化和风险。图二显示了因温度变化造成的电镀差异。图二：不同温度下电镀的表面颗粒状况。这些差异影响如Whisker和IMC等的程度问题浸镀和无电极电镀一样，是属于化学镀的一种。和无电极电镀的一大不同是，这类镀层的厚度是自然形成的，是受材料影响而不是受工艺所控制的。比如浸锡镀层的厚度就较浸银厚得多。镀层的厚度影响库存寿命以及组装的焊接工艺参数和最终的焊点质量，所以如果配搭不良就会造成质量问题。这也是用户必须了解和关注的。供应界的情况：不像锡膏、焊料和器件方面供应商一般采取较针对供应的情况，在PCB供应商中一般都能同时提供多种常用镀层工艺的技术。例如绝大部分供应商都能够同时提供HASL，OSP，ENIG，E-Ni/Au技术。而也有不少能够提供ImAg，ImSn和无电极电镀Sn技术的。必须强调的一点，是虽然不少供应商都能够提供多数常用的技术和材料，但实际影响用户的，在很大的程度上还有供应商的工艺技术和质量管理能力。这方面在以往锡铅时代都不被用户重视，但在无铅技术中就应该加以考虑。作为用户，您至少应该先判断这方面是否是您可以忽略的。市场的使用情况：在锡铅技术中，热风整平（HASL）技术由于成本优势是最被广泛接受的。但当需要较平整表面，无需长时间库存和多次加热应用时，另一类的OSP技术也大量被采用。如果对保护性要求更高，以及需要接触点和键合工艺时，则多数采用ENIG技术。这种情况在无铅到来时只有少部分的改变。主要是由于传统的HASL技术多使用锡铅焊料度层，其材料必须给于改变。加上HASL的平整度一向不太理想，所以在进入无铅后HASL技术将会被取代。而取代的就自然是原本就不含铅的OSP和ENIG。除了这两种技术外，在全球的三大经济体中，对其他技术的使用偏好也有不同的情况。日本在研究和推动无铅的HASL，主要是以SAC和SnCu为合金材料；美国看好ImAg；而欧洲则似乎较喜欢ImSn。前年美国的一份市场调查报告，预测在2006年无铅大量推行的时候，各种PCB镀层技术的使用量约如图三中所是示。3C%IS%图三^2006年PC库镀展使用顼测这调查结果可能不适合中国的情况。主要是由于中国的许多加工业和北美相比之下，还是属于低成本以及对可靠性要求不很高的产品（这还包括了对质量的认识和意识不同的问题）。而虽然ImAg的成本已经大大下降到十分接近HASL的程度（但还不如OSP），但ENIG或Ni/Au的成本仍然十分可观。所以除了某些应用外，相信大部分用户还是会使用OSP，或可能追随日本的发展方向-无铅HASLo常用镀层技术的特性：市场上出现各种的镀层材料和技术，肯定有他们受欢迎之处。而一般也各有各的强弱点。图四是各种常用技术在一些重要特性上的比较。读者可以从中了解到各种存在技术的特性和存在的原因。例如Ni/Au在保护性能方面有彳艮好的性能，但却存在成本彳艮高、库存寿命较低以及IMC影响可靠性的问题。OSP具有成本、加工温度低和工艺容易的优势，但质量的稳定性、库存寿命和对Flux的兼容性上却是用户所担心的。基本来说，没有一种技术是具备绝对优势的。如果从整体

较平衡的角度来评估的话，ImAg似乎较具有优势。这就是近来ImAg被美国为主的用户所欢迎的原因。尤其是当其成本下降之后，已成为具有很大发展潜能的技术。HASLImAgImSnOSPE-Ni/Au库存寿命（月）12121266成本低中中低高多次回流（次）45534加工难度高中中低高加工温度（°C）24050704080镀层厚度（um）1~25厚度可控性低中中低高Flux兼容性高高高中高IMC影响中低中低高图四：各种常用镀层技术的比较下面我们来看看各种镀层材料技术的特性。HASL:由于成本低和使用习惯而受欢迎，日本较看好这技术而有较多的研究投入。主要是在SAC以及SnCu合金上。但欧美不看好它的发展。主要基于其平整度问题、高温加工问题以及工艺对员工有健康风险等考虑。HASL能够提供和焊料合金完全匹配的材料，有很好的润湿性。但它会有IMC增长以及对PCB绿油不利等问题。所以发展情况不是很肯定，是否最终会被广泛接受，得看大多数用户对工艺和质量的敏感程度，OSP和ImAg的成本竞争状况，以及用户们是否能够舍弃这传统的工艺而定。ImAg：在常用技术中，ImAg相对是门较新的技术，而其被看好也是最近几年的事。ImAg在各方面都表现不错，是个表现‘均衡'的技术。加上其加工技术上的改善，使成本得以下降，虽然仍高于HASL和OSP技术，但低于ImSn和ElectrolessSn，尤其低于Ni/Au许多能够处理Ni/Au在键合以及接触点的应用上。使这技术被看好。有很大的发展潜能。ImAg技术上的好处包括平整度高，导电性强，IMC（Ag3Sn）较其他镀层材料的IMC坚固，加工温度低（一般46度），润湿性好以及库存寿命长等等。纯Sn技术：采用纯锡的最大好处是和一般含Sn量高的无铅焊料焊接后没有IMC的问题。但焊盘（铜）镀层加工后形成的SnCu层增长很快，造成库存寿命不长。在早期，纯锡镀层的质量很不稳定而曾经一度不受欢迎。近来在工艺上的改进（使用‘白锡'和所谓的‘FST'）使这门技术又开始被接受。有些供应商甚至认为它将成为无铅技术中PCB镀层技术的主流。不过这必须在Whisker，镀层加工后的IMC增长，以及锡瘟等顾虑得到较好的处理后才可能出现。镀纯锡技术以所有三种常见工艺出现。即电镀、无电极电镀、以及浸镀技术。无电极电镀技术，由于Electroplated电镀纯锡技术中存在的金属须以及镀层厚度不均等问题而取代它。新的Electoplating电镀纯锡技术，有报告说通过电镀液配方造出较大多边形结晶颗粒结构以及采用‘白锡'，可以防止金属须的产生。加上其相对简单的工艺，使Electroplating技术又再抬头。ImSn由于成本低和工艺简单，在纯锡镀层中的应用已经广泛。ImSn在焊接工艺上被认为是表现最接近SnPb技术的（无铅技术中所有的材料工艺表现都不如传统的锡铅材料），但由于浸镀技术对厚度的控制能力不强，镀层厚度一般只有或以下。这使这门技术的库存寿命受到较大的威胁。近来出现的另外一种新技术，是在浸锡前在焊盘表面镀上一层‘有机金属'。实验证明这工艺能够减小纯锡应用中IMC层的增长速度。使纯锡应用的地位又进一步得到提升。Ni/Au技术：Ni/Au技术的好处是表面平整度高；可以承受多次的焊接（Ni可以承受多次加热而不会有底层的Cu溶蚀现象）；库存寿命长；容易和多数焊剂兼容；Ni层能够阻止Cu溶蚀入焊点的Sn中而形成对焊点不利的合金，对焊点寿命有利（但Au对焊点不利而必须给于量上的控制）°Ni/Au的弱点是成本高，以及不适用于所有绿油。而且Au镀层厚度以及后续焊接工艺的控制不好时会造成焊点可靠性的损失问题。常用的Ni/Au电镀技术有无电极电镀ElectrolessNi/Au（简称ENEG）和ElectrolessNi/ImAu（简称ENIG）两种。其中ENIG使用较多，Electroless技术其次，市场上虽然也有有电极的ElectroplatedNi/Au但供应较少。焊点可靠性方面，Ni/Au由于Au和IMC特性的关系，一般不如其他镀层材料技术。Au镀层厚度是个质量控制的要点，而这又必须在库存寿命和可靠性的矛盾需求之间找到平衡点。此外，无电极电镀技术的焊点可靠性也差于有极电镀。这是因为工艺中固有的‘磷'含量的影响。在无电极电镀中，当焊点形成后，在Ni和以Sn为主的焊料之间存在3层IMC，分别为含大量磷的NiP层，NiPSn层以及Ni2Sn4层。而其中NiP层和NiPSn层之间的结合力很脆弱，是焊点的强度受到影响。所以无电极电镀技术的焊点一般不如有电极电镀技术。不过在实际经验中业界也发现，在无铅焊接中如果使用SAC焊料，其中的Cu成分在Ni和Sn之间形成CuNiSn的IMC层。这有助于加强焊点的寿命，是其接近有电极电镀技术的能力。而在比较OSP、HASL、ImAg、和Ni/Au可靠性的试验中也发现，除了Ni/Au外，其他的可靠性在无铅SAC焊接中的可靠性都较锡铅中逊色。唯有Ni/Au由于CuNiSn层的出现而变得更可靠。业界使用最广的Ni/Au技术是ENIG技术。也就是先对焊盘进行无电极电镀镍层后，再进行浸镀金的做法OENIG有工艺较简单的优势。但金的镀层厚度不能随意控制，而且业界都已经知道其质量不如Electroplated和ENEG技术。常出现的问题有'镀层针孔'、黑斑、'黑Pad'、绿油脆化、漏镀、高磷IMC层、AuSn4沉淀等。其中有些问题的机理还没有完全被了解。不过ENIG有个重要的强点，就是使用在高密度和多I/O板上。因为这类板需要很多的通接孔和层次多，细而长的通接孔形状不利于有电极电镀工艺，采用ENIG工艺可以确保较好的寿命。OSP有机保护膜技术：OSP技术早期在日本十分受欢迎，在市场调查中，有约4成的单面板使用这种技术，而双面板也有近3成使用它。在美国，OSP技术也在1997年起激增，从1997以前的约10%用量增加到1999年的35%。OSP并非新技术，它实际上已经有超过35年，比SMT历史还长。OSP具备许多好处，例如平整面好，和焊盘的铜之间没有IMC形成，允许焊接时焊料和铜直接焊接（润湿性好），低温的加工工艺，成本低（可低于HASL），加工时的能源使用少等等。OSP有三大类的材料：松香类（Rosin），活性树脂类（ActiveResin）和唑类（Azole）。目前使用最广的是唑类OSP。唑类OSP已经经过了约5代的改善，这五代分别名为BTA,IA,BIA,SBA和最新的APA（注四）。早期的BTA类对湿度敏感，库存寿命很短（3个月），不能承受多次加热,而且需要较强的焊剂,所以性能不是很好。一直到70年代有日本开发的第三代BIA类OSP后才有较显著的改善。美国市场也在80年代开始采用这类OSP,同时被正在发展的SMT所接受。不过BIA的耐热性仍然是个弱点。目前仍然有供应商提供BIA类的OSP，但逐渐在为新一代的SBA所取代。SBA是1997年的研发成果，有美国IBM推出而后得到在OSP技术上享有盛名的日本‘四国化学'公司的改善。在保护性和耐热性有显著的加强。其耐热性已经可以承受3次的回流处理（但多次加热后需要较强的焊剂）。SBA是目前OSP供应的主流。成本低于传统的HASL，所以在锡铅时代已经被大量的使用，尤其是单面板上。在双面回流板以及混装板工艺应用上却仍然有些顾虑。随着无铅技术的推进，OSP技术，即使是较好的SBA技术，将不能很理想的支持无铅的高温环境和可能出现的多次焊接。在不断研究中，业界有出现了更新更好的技术。这就是最新一代的ArylPhonylimidazole（APA）了。这类OSP的分解温度为355°C，能够承受多次加热。而且能够和一般的免清洗焊接兼容，无需较强的助焊剂。它还有一个好处，就是不沾金。这允许使用在需要‘金手指'应用的板上，加工时不需要覆盖（Masking）工艺。这类OSP的出现给业界带来了好消息。OSP当然也有它不足之处，例如实际配方种类多，性能不一。也就是说供应商的认证和选择工作要做得够做得好。OSP处理的表面容易受损，库存和取放等必须给于小心管理；锡膏印刷工艺要掌握得好，因为印刷不良的板不能使用IPA等进行清洗，会损害OSP层。透明和非金属的OSP层厚度也不容易测量，透明性对涂层的覆盖面程度也不容易看出，所以供应商这些方面的质量稳定性较难评估；OSP技术在焊盘的Cu和焊料的Sn之间没有其他材料的IMC隔离，在无铅技术中，含Sn量高的焊点中的SnCu增长很快，影响焊点的可靠性。PCB镀层材料技术的发展趋势：综合考虑以上介绍的各种常用技术的特性和市场状况，我们也许可以看出以下的发展趋势。OSP将会发展起来，而有可能在一般应用领域上大量取代HASL技术。这是因为OSP在其最弱的耐热方面取得了很好的进展，而成本已经低于HASL,并没有高温加工带来的缺点。另外一点，就是OSP是个被全球，包括欧美日所共同接受的技术；HASL在无铅材料上的应用是否能够推广，将取决于日本的研究结果以及推广和影响力。不过其平整面和高温工艺上的问题可能会是障碍；在高质量和需要综合应用（焊接、接点和键合应用）的产品上，目前ENIG可能还是个主流。不过成本压力以及ImAg的崛起可能在一定程度上会取代这门技术。相信在键合应用上如果ImAg能够获得用户的接受，其成本优势将给ENIG带来压力。而一部分对质量要求高的，或许会转向ENEG技术，而最终形成ImAg为主，ENEG为辅的局面。不过这在很大的程度上还得看用户对这些技术的了解和要求；纯Sn镀层，在目前业界认为对Whisker还未完全掌握的担心下，会受到一定的使用阻力。不过新技术的出现可能会在一部分质量要求较松的市场上获得一些发展机会。关键也在于供应商的推动和客户的心态。估计短期内这方面的变化不大，只是保留纯Sn镀层的原有用户群。PCB焊盘镀层技术的选择：选择镀层技术，记得必须是按整个系统来考虑。而整个系统包括了其他的材料（焊料合金、器件镀层），尤其是焊料的考虑；由于常用镀层技术的供应商较多，所以一般可以先决定您的焊料种类，再而考虑PCB镀层。选择过程中的一个重点，就是评估您的供应商的实际技术和质量控制的能力。供应商必须能够很清楚的向您解释他们所选择技术的特性和强弱点，以及如何进行质量控制以确保批次和批次间的质量稳定性等等。单从技术名称上（如ENIG技术）进行选择的做法，在无铅时代是不足的。所以选择时您必须考虑三个重点：材料（例如Ag,Au,Ni等等）、镀层工艺技术（例如浸镀、电镀或无电