一、目前現狀
大家都知道,因為印制線路板完成裝配后不能重工,所以因微空洞而報廢所造成的成本損失最高。雖然其中有八個PWB 制造廠商因為客戶退件而注意到了該缺陷,但是此類缺陷主要還是由裝配廠商提出。可焊性問題根本沒有被PWB制造廠商報告過,只有三家裝配廠商誤將發生在內部有大散熱槽/面的高縱橫比(HAR) 厚板上的”縮錫”問題(是指在波峰焊后焊錫只填充到孔深度的一半)歸咎于沉銀層。經由原始設備商(OEM)針對此問題更深入的研究驗證,此問題完全是由于線路板設計所產生的可焊性問題,與沉銀工藝或其他最終表面處理方式無關。
二、根本原因分析
通過對造成缺陷的根本原因分析,可經由工藝改善和參數優化相結合的方式將這些缺陷率降到最低。賈凡尼效應通常出現在阻焊膜和銅面之間的裂縫下。在沉銀過程中,因為裂縫的縫隙非常小,限制了沉銀液對此處的銀離子供應,但是此處的銅可以被腐蝕為銅離子,然后在裂縫外的銅表面上發生沉銀反應。因為離子轉換是沉銀反應的源動力,所以裂縫下銅面受攻擊程度與沉銀厚度直接相關。2Ag+ + 1Cu = 2 Ag + 1Cu++ (+ 是失去一個電子的金屬離子)下面任何一個原因都會形成裂縫:側蝕/顯影過度或阻焊膜與銅面結合不好;不均勻的電鍍銅層(孔口薄銅處);阻焊膜下基材銅上有明顯的深刮痕。
腐蝕是由于空氣中的硫或氧與金屬表面反應而產生的。銀與硫反應會在表面生成一層黃色的硫化銀(Ag2S)膜,若硫含量較高,硫化銀膜最終會轉變成黑色。銀被硫污染有幾個途徑,空氣(如前所述)或其他污染源,如PWB包裝紙。銀與氧的反應則是另外一種過程,通常是氧和銀層下的銅發生反應,生成深褐色的氧化亞銅。這種缺陷通常是因為沉銀速度非常快,形成低密度的沉銀層,使得銀層低部的銅容易與空氣接觸,因此銅就會和空氣中的氧產生反應。疏松的晶體結構的晶粒間空隙較大,因而需要更厚的沉銀層才能達到抗氧化。這意味著生產中要沉積更厚的銀層從而增加了生產成本,也增加了可焊性出現問題的機率,如微空洞和焊接不良。
露銅通常與沉銀前的化學工序有關。這種缺陷在沉銀工藝后顯現,主要是因為前制程未完全去除的殘留膜阻礙了銀層的沉積而產生的。最常見的是由阻焊工藝帶來的殘留膜,它是在顯影液中顯影未凈所致, 也就是所謂的“殘膜”,這層殘膜阻礙了沉銀反應。機械處理過程也是產生露銅的原因之一,線路板的表面結構會影響板面與溶液接觸的均勻程度,溶液循環不足或過多同樣會形成不均勻的沉銀層。
離子污染線路板表面存在的離子物質會干擾線路板的電性能。這些離子主要來自沉銀液本身(殘存在沉銀層或在阻焊膜下)。不同沉銀溶液離子含量不同,離子含量越高的溶液,在同樣的水洗條件下,離子污染值越高。沉銀層的孔隙度也是影響離子污染的重要因素之一,孔隙度高的銀層容易殘存溶液中的離子,使得水洗的難度增大,最終會導致離子污染值的相應升高。后水洗效果同樣會直接影響離子污染,水洗不充分或水質不合格都會引起離子污染超標。
微空洞通常直徑小于1mil,位于焊料和焊接面之間的金屬界面化合物之上的空洞被稱為微空洞,因為它實際上是焊接面的“平面空泡群”,所以極大的減小了焊接結合力。OSP、ENIG以及沉銀表面都會出現微空洞,其形成的根本原因尚未明確,但已確認了幾個影響因素。盡管沉銀層的所有微空洞都發生在厚銀(厚度超過15μm)表面,但并非所有的厚銀層都會發生微空洞。當沉銀層底部的銅表面結構非常粗糙時更容易產生微空洞。微空洞的發生似乎也與共沉積在銀層中的有機物的種類及成分有關。針對以上所述之現象,原始設備廠商(OEM)、設備生產服務商(EMS)、PWB制造廠商以及化學品供應商進行了數個模擬條件下焊接研究,但沒有一個能夠徹底消除微空洞。
三、預防措施
預防措施的制訂需要考量實際生產中化學品和設備對各種缺陷的貢獻度,才能避免或消除缺陷并提升良品率。賈凡尼效應的預防可以追溯到前制程的鍍銅工序,對高縱橫比孔和微通孔而言,均勻的電鍍層厚度有助于消除賈凡尼效應的隱患。剝膜,蝕刻以及剝錫工序中的過度腐蝕或側蝕都會促使裂縫的形成,裂縫中會殘留微蝕溶液或其他溶液。盡管如此,阻焊膜的問題仍是發生賈凡尼效應的最主要原因,大多數發生賈凡尼效應的缺陷板都有側蝕或阻焊膜脫落現象,這種問題主要來自于曝光顯影工序。因此如果阻焊膜顯影后都呈“正向腳”同時阻焊膜也被完全固化,那么賈凡尼效應問題就幾乎可以被消除。要得到好的沉銀層,在沉銀的位置必須是100%金屬銅,每個槽溶液都有良好的貫孔能力,而且通孔內溶液能夠有效交換。若是非常精細的結構,如HDI 板,在前處理和沉銀槽液中安裝超聲波或噴射器非常有用。對于沉銀工藝生產管理而言,控制微蝕速率形成光滑、半光亮的表面也可以改善賈凡尼效應。對于原始設備商(OEM)而言,應盡量避免大銅面或高縱橫比的通孔與細線路相連接的設計,消除發生賈凡尼效應的隱患。對化學品供應商而言,沉銀液不能有很強的攻擊性,要保持適當pH值,沉銀速度受控并能生成預期的晶體結構,能以最薄銀厚達到最佳的抗蝕性能。
腐蝕可以通過提高鍍層密度,降低孔隙度來減小。使用無硫材料包裝,同時以密封來隔絕板與空氣的接觸,也防止了空氣中夾帶的硫接觸銀表面。最好將包裝好的板存放在溫度30℃、相對濕度40%的環境中。雖然沉銀板的保存期很長,但是存儲時仍要遵循先進先出原則。
露銅可以通過優化沉銀的前工序來降低或消除。為了達到這個目的,可在微蝕后通過“破水”實驗或“亮點”實驗來檢查銅表面,清潔的銅表面可以保持水膜至少40秒。定期維護保養設備以確保溶液循環均勻穩定,通過DOE優化時間、溫度、攪拌來獲得最佳的沉銀操作參數,進而確保得到理想的厚度和高品質的銀層。根據需要使用超聲波或噴射器來提高沉銀液對微通孔、高縱橫比孔及厚板的潤濕能力,同時也為生產HDI板提供可行的解決方案,這些輔助的機械方法可被應用在前處理和沉銀液中來確保孔壁完全被潤濕。
離子污染可通過降低沉銀溶液的離子濃度來降低。基于這個原因,在不影響溶液性能的條件下,沉銀液的離子含量應盡可能保持在較低水平。通常最后的清洗段要用去離子水清洗至少1分鐘,同時還必須定期檢測離子含量(陰離子和陽離子)是否符合工業標準。區別主要污染的來源,這些測試的結果必須記錄并保留。
微空洞是最難預防的一種缺陷,因為它產生的真正原因尚未明確。誠如前面所述,我們已經知道有些因素似乎會引發微空洞或伴隨微空洞而出現,可以通過消除或盡量減少這些因素來達到控制出現微空洞問題。其中沉銀厚度是引發微空洞的最顯著因素,所以控制沉銀層厚度是首要步驟。其次還應該調整微蝕速度和沉銀速度以獲得光滑均勻的表面結構。還要通過測試槽液在使用周期內不同時間點的沉銀層的純度,來監控沉銀層中的有機物含量,合理的銀含量應控制在90% (原子比) 以上。
四、理想工藝- AlphaSTAR
一個“理想工藝”除了是性能優異之外,還必須滿足2006年7月1日公布的電子工業對于安全、環保以及可靠性的要求。雖然早在1994年樂思化學就擁有AlphaLEVEL產品系列的專利權,但是樂思化學依舊持續不斷的進行著工藝的改善和研發,現已成功研發出應用于印制線路板的第三代沉銀技術€€AlphaSTAR。AlphaSTAR工藝特別為滿足當今日益嚴格的最終表面處理的要求而設計,它解決了以上探討的幾個導致線路板報廢、成本增加、環保和安全等問題，并且符合現在和未來可能影響印制線路板工業的相關法規。本工藝共有7個步驟(其中三個為水洗步驟),其性能及優點如下所述:
前處理 分為以下四個步驟:除油、水洗、微蝕及水洗。除油溶液的表面張力非常低，能夠潤濕所有的銅表面，這樣既消除了露銅問題，又促進了銀層在高縱橫比孔和微通孔內的沉積。獨特的微蝕配方可產生微粗化，半光亮的表面結構，這樣的表面結構有利于形成具有精細而且致密的晶體結構的銀層,因此即使在銀層厚度很低時也可獲得高密度、低孔隙的沉銀層。這就大大提高了銀層的抗蝕性能。
沉銀分為以下三個步驟:預浸、沉銀和最后的去離子水洗。設立預浸的目的有三個，一是用作犧牲溶液,防止從微蝕槽帶進銅和其他物質污染沉銀液，二是為沉銀置換反應提供清潔的銅面,使銅面獲得與沉銀液中相同的化學環境和pH值。由于預浸的成分和沉銀液一樣(除了金屬銀外)，此工序的第三個功能就是對沉銀槽的自動補充。在沉銀反應中唯一消耗的是金屬銀,沉銀液中有機組分含量的變化僅僅是由槽液帶出所造成的損失，而預浸和沉銀溶液有同樣的成分,預浸帶進的量等于沉銀帶出的量,因此沉銀液不會積聚不必要的有機物。沉銀反應是通過銅和銀離子之間的置換反應進行的。經過AlphaSTAR 微蝕溶液微粗化處理的銅表面，可以確保在受控的沉銀速度下能夠緩慢生成均勻一致的沉銀層。慢的沉銀速度有利于沉積出致密的晶體結構，避免了由于沉淀和結塊而產生的微粒增長,形成高密度的銀層。這種結構緊密，厚度適中(6 - 12u”)的銀層不僅具有高的抗蝕性能,同時也具有非常良好的導電性能。沉銀液非常穩定，有很長的使用周期,對光和微量鹵化物不敏感。AlphaSTAR的其他優點如:大大縮短了停工期，低離子污染以及設備成本低。
五、結論
AlphaSTAR工藝集中了幾種最終表面處理的最佳性能，它滿足并超越了全球印制電路板工業對可焊性，可靠性，安全性以及符合法規的要求。AlphaSTAR工藝有寬闊的操作窗口;易于操作、控制及維護，可進行返工操作,在同類最終表面處理中生產成本最低。AlphaSTAR 工藝針對以上探討的六個與沉銀工藝相關的問題，消除或減少了這些問題對高品質產品的直接影響。另外此工藝符合RoHS 和WEEE 的規定，沉銀層完全無鉛。
