PCB技术革新-表面涂层

驱动发展的动力随着电子产品信号传输向更高速化的发展，越来越强调形状因子（FormFactor）而增加复杂的设计。同时，由于要符合RoHS和WEE环境保护的条例与要求，也使PCB设计与生产增加了复杂性。为了达到这个目的，使我们意识到，在PCB所有的类型和用于封装的最大可能性的一个领域，最佳的选择应该是挠性板和刚-挠性板，它是可以解决这个问题的。采用下一代的电镀技术和表面镀（涂）覆化学，甚至采用老而可靠的表面镀（涂）覆层，都是可以满足这些要求与挑战的。作为化学供应商应该善于把握这个机会，特别是电镀与导通孔填孔（Via-Fill）化学的综（结）合性技术，来满足这方面的要求。如，酸性镀铜正面临着不均匀线簇和更高厚径比PCB的新挑战，更不用说用于HDI/BUM板的导通孔填孔的挑战了。而表面涂（镀）覆层主要是要有新产品和更好的耐热性，以满足无铅焊接条件下高温组装的要求，保证这些焊点的可靠性。关于孔金属化方面。PCB采用去钻污/金属化孔是不可避免的，但是它如何跨越严厉的无铅焊接的高温加工的要求，必须与具有耐高温层压板、无铅焊料合金匹配共存呢？！用于挠性聚酰亚胺和刚-挠性板的理想金属化是何体系?目前所存在的金属化体系可胜任吗？是否需要有一种新的金属化体系？本文提供一个PCB加工的有效工艺化学的分类细目，它们可以满足今天大多数复杂PCB和封装的要求。因为，当你进入了PCB拼搏的世界，你必须知道这些有效的工艺化学以及解决它和如何满足用户的需要。关于电镀方面为了满足新的市场需求，PCB制造商应努力定位于PCB制造过程中每个步骤的新的、先进的工艺才行。通孔的金属化和酸性镀铜的结果必须严格地细查，因为它们是形成线簇和导通孔连接性，并用来传输信号的电子部件。2.1钯金属化目前，已经引入了以钯吸附的新型金属化体系，克服化学镀铜与石墨等存在的缺点。钯金属化不是现在才提出来的，但是新一代的钯金属化是不同的，因为新型钯金属化克服了上述的各个体系所有的缺点，因而是一种好的取代工艺。新型钯金属化体系是以满足挠性和刚-挠性板的需要而开发的，因为在这些板中存在着（叠压）粘结剂层，它们是更敏感于化学镀铜的高碱性溶液。而新一代的钯金属化溶液，把暴露于碱性降低到最小而明显减少加工时间。同时，还具有另外的独特的调整体系，使钯仅吸附于聚酰亚胺的介质层上，而不吸附于铜的表面上。大家知道，石墨（Carbon）金属化工艺在电镀之前要求除去铜表面上的石墨，而新型钯金属化体系，在电镀之前，不要求蚀刻铜表面。对铜表面进行微蚀刻会引起楔形空洞（WedgeVoids）,从而在多层板中导致内层连接可靠性降低的问题。2.2酸性镀铜酸性铜电镀的挑战是在不伤害镀层冶金特性（如抗拉强度和延展性等）条件下，如何达到好的厚度分布和表面均匀性的镀铜层。这些特性变得非常重要，因为电镀铜层是应用于更高热应力的无铅焊接的条件下。 在大多数PCB制造商所遇到的典型问题是PCB的两个面上的镀铜的厚度分布均匀性：在高电流密度区域的绝缘的线簇部分引起跨镀（Over-Plating）故障，而在低电流密度区域的大面积接地层镀铜层均匀性差；在孔中的镀铜层的挑战是在高厚径比的孔中心镀铜厚度应满足最小厚度要求，这是大家知道的在孔中镀铜的分散能力差别而引起的。表面镀铜层的均匀性问题，有时是很麻烦的事，特别是出现结瘤（Nodule）的情况。对于金丝搭（焊）接来说，它是不允许存在结瘤（Nodulation）。新开发的酸性镀铜有利于这些方面的挑战。即：（1）含有改进镀液分散能力的新型化学添加剂；（2）有利于改进物质传递（MassTransfer）的添加剂；（3）采用不溶解的阳极（Insoluble）以避免结瘤；（4）具有特殊应用的“导通孔填孔（ViaFilling）”镀铜。近几年，新一代“高分散能力”的酸性镀铜已经出现在市场上。镀液所采用的电流密度比起用于双面板和较简单产品的传统的 25ASF~30ASF电流密度较小。为了确保高分散能力的镀液的镀铜层达到所期望的物理性能，在常规的DC整流器下设计的电流密度可低至5ASF高至20ASF之多，并且生产的是光亮的高延展性镀层。高分散能力的镀液是采用特殊综合的有机添加剂为特点的，其中包括一种独特的整平剂。整平剂的关键作用是改善镀液的分散能力，特别是与喷射搅拌（无空气）耦合起来使用时。图1表示的是采用酸性镀铜在DC的10ASF下且电镀120min后，在制板的厚径比为10:1的通孔（PTH）镀铜的情况。这些高分散能力的镀液用于10：1厚径比的通孔镀（PTH）的分散能力将大于80%这是指垂直电镀方式，并采用DC整流器在15ASF电流密度下和电镀

90min后的效果新型直谥电歿对耳径比10：90min后的效果新型直谥电歿对耳径比10：1的PTH悄况2.4导通孔的填孔镀为了满足HDI/BUM板的要求，在堆叠导通孔和盘内导通孔(StackedViasandViasinPad)的积层技术中，导通孔的填孔镀便迅速地成为不同积层的电气连接的最佳选择。这些结构为PCE和芯片封装的长期可靠性提供了全面(整体)的改进。新型DC电镀比起脉冲电镀具有一系列的优点，，特别是不需要产生脉冲电流昂贵的整流器，避免复杂的脉冲波形的管理。另外， DC电镀系统是很稳定的，不要求脉冲整流器那样反复变化的电镀方法。采用 DC电镀对导通孔填孔镀是以高浓度的沉积离子与低浓度的整平剂(LevelingAgent)耦合为依据的，再加上载体和光亮剂的添加剂来组成。这些系统主要要求有最佳的溶液流动，以实现整平剂积累在表面上，即当导通孔的底部连续进行电镀的时候， 整平剂抑制了表面进行电镀。在孔的底部中的电镀动力学(PlatingDynamics)大大不同于板表面的电镀动力学情况，这种电镀动力学的高平整性( EvenOut)，有助于在孔中进行添孔能力。新一代的导通孔添孔的酸性铜已经可以直流电镀形式和10ASF~30AS下操作，导通孔填孔可在常规的 DC整流器的电源下电镀一个小时内完成。在导通孔填孔镀和圭寸装填槽缝与导通孔( PackageChannelesandVias)填堵的过程中，新型DC电镀系统已具有这个填镀能力。图2示出了HDI/BUM板中的直流电镀填孔的顺序积层的堆叠孔。图2 由直流电镀完成的顺序积层的堆*导通礼填孔DC酸性镀铜有很长的历史，首先是应用于单、双面奥博内上，这种电镀系

统不断承受了新产品（更轻、更小和更可靠）的挑战。现在，新一代 DC电镀也确立起来了，使PCB电镀领域走上新的里程碑！PCB的表面涂（镀）覆开始了新举措PCB表面涂（镀）覆的进展是所有化学工艺中跑得最快的，这是由于电子工业产品遇到无铅、无卤等严酷的对待而要求有复杂的设计与环境限制，而表面涂（镀）覆必须满足这些要求才能生存，因此才不断地诞生新的体系。 PCB表面涂（镀）覆是包括了用于焊料焊接、金属丝搭（焊）接（WireBonding）和表面接触等形式的所有连接性能。表面涂（镀）覆层可分为两个类型，这取决于焊接点上形成金属间互化物（IMC）的类型，即Ni/Sn的IMC和Cu/Sn的IMC。化学镀镍浸金（ENIG）和化学镀镍化学镀钯浸金（ENEPIG焊接点形成的是Ni/Sn的IMC,而有机可焊性保护剂OSP（OrganicSolderabilityPreservatives ）、化学浸银、化学浸锡和直接化学浸金（DIG）等形成的焊接点是Cu/Sn的IMCo图3表示了这两种IMC类型的组成。Ni/Sn的IMC要求比Cu/Sn的IMC有较高的组装（焊接）温度，并且在界面上存在着富磷层（PhosphorousEnrichedLayer）和Cu/Sn的IMC,这是来自化学镍-磷的结果，而Ni/Sn的IMC是在镍-磷沉积层上形成的。

Sn-Ni和SrwCn林点Sn-Ni点Sn-Ni和SrwCn林点Sn-Ni点ENIGSn-Cu接点OSPtHASLIAg,JSntDIG图3 焊接点处影成的IMC组成2.1化学镀镍/浸金（ENIGENIG是化学沉积镍-磷于催化的铜表面上，接着再进行很薄的浸金层而形成的。按照IPC-4552的规范，规定镍的厚度为3?m~6?（120?in~240?in），而浸金的厚度0.05?m~0.1?m（2?in~4?in）。ENIGS是一种“万能”的表面涂（镀）覆层，既是可焊性的表面，又是可（AI）金属丝搭（焊）接和优良的电气接触的表面。还具有好的存储寿命（可超过12个月），易于检查（目检）和厚度易于采用非破坏性的XRF方法加以测量。ENIG正在不断地增加其市场份额，特别是在了解和有效避免“黑盘”以后。“黑盘”是发生在镍的表面裸露与化学浸金步骤上被腐蚀的结果。因此，必须考虑或兼顾到镍表面的腐蚀问题。 为了有效地避免在化学浸金过程中对镍层的腐蚀，日本设计和发展了一种新的化学浸金工艺。这种浸金工艺的机理是浸金和自动催化--自动催化沉积物同时进行，因而不会发生腐蚀问题。2.2化学镀镍化学镀钯浸金（ENEPIGENEPIG是采用先化学沉积镍，其厚度为3?m~6?（120?in~240?in），接着化学镀钯的厚度为0.1?m~0.2?m（4?in~8?in），最后浸金厚度为0.003?m~0.005?m（1?in~2?in）。ENEPIG是具有最广范围的应用，可用于各种各样的场合与条件。往往可作为“万能”的表面涂（镀）层，它是出现于20世纪90年代的中期。这正是大家知道的“万能表面涂（镀）层”，因为它具有通用性的应用能力。即（1）可焊接性；（2）金丝搭（焊）接性能；（3）铝丝搭（焊）接性能；（4）良好的接触性能。尽管ENEPIG是出现于20世纪90年代的中期，但由于在那个时候是处在采用低共熔点的锡-铅焊料时期，加上铅与钯不兼容性而干扰形成Ni/Sn的IMC均匀性，在这种焊接领域中ENEPIG是不能得到推广与应用的。2006年7月1日起实行无铅焊料焊接的要求以来，ENEPIG的表面镀覆层又提出来重新研究与工业评价其应用能力。试验和应用结果表明， ENEPIG用于无铅焊接中，它与无铅的SAC合金类焊料可形成最牢固的焊接点的一种，并取得完全成功。从采用在150C下烘烤1000h的延长无铅焊接点的模拟寿命试验和剪球试验（shearballtesting）中，都证明焊接点的结合强度皆没有损失（见图4所示）。SEM研究和元素分析也表明钯存在于焊点的界面处而大大减少了金属间互化物（ IMC）的形成（降低金属之间的扩散），因此ENEPIG是用于无铅SAC焊料合金要求的封装的焊接和金属丝搭（焊）接的优秀的表面镀覆层。图4通过寿命试验的优良焊接点2.3直接浸金（DIG）在铜上面直接浸金（DIG,DirectImmersionGold）来适应无铅焊接，它是一种相当新的表面镀覆技术。这种在铜表面上直接镀 0.05?m（2?im）厚度金的表面镀覆是作为可焊性保护层的。其沉积的机理是化学（自催化）沉积的，它可形成致密的金沉积层而阻止铜扩散到表面上来。图 5表示出在化学沉积金后经877天的湿平衡曲线（WettingBalanceCurves），此样品是保持在实验室环境条件下的。这种表面镀覆的关键应用领域之一是用于射频（ RF）信号传输场合的PCB上。这样做，它可兼顾到传输信号完整性，明显降低“集肤效应（ SkinEffect）”对传输信号带来的影响。如果采用化学镀镍浸金（ENIQ时，贝U金的

下面有很厚的镍层。DIG是仅由低共晶的和无铅焊料SAC合金而形成的一个Cu/Sn的IMG因此，DIG表面镀覆层比起其它具有缺陷的表面镀（涂）覆层来，会带来很多希望与前途。如它能抗多次热漂移（ThermalExcursions）、焊接点的界面处不形成空洞，在组装以前的存储过程中不会形成任何金属间互化物， 也不会形成（金属）晶须。DIG也允许全覆盖化学软金，其表面厚度可小到0.6?m（15?in），完全适宜于金丝搭（焊）接。在日本，DIG是允许使用的，且大多数是应用于芯片封装上，但是，DIG的性能在设计者和制造商的市场上将越来越被人们所熟悉。AvtrwgtwtUngtarcvaforIKInherMrMl Cflppw,5直接化学镀金的湿平衡曲线AvtrwgtwtUngtarcvaforIKInherMrMl Cflppw,5直接化学镀金的湿平衡曲线2.4化学浸银化学浸银的表面涂（镀）覆在PCB工业中已经建立起来，有关的管理、存储、封装等是进入市场的最大挑战。同时，随着无铅焊料和焊接的采用，其研