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关于浸银皮膜的几个主要缺失及预防措施

  浸镀银用于PCB可焊性皮膜的成功实绩越来越多,这里集中讨论有关浸银皮膜的几个主要缺失现象产生原因及预防措施。
  若从各种缺点所造成成本损失的观点来看,无疑的是焊点中微空洞缺点所占的比例最高。由于密装板上零件太多太密已无从进行返修,多半拒收的高额损失是发生在组装工厂中。其中客户端尚未组装前,进料检验发现微洞问题而遭剔退者只有8件。至于焊锡性问题方面则PCB厂全无不良纪录,组装厂也只有3件疑似者,而且仔细追究之下发现竟然是误叛为浸银之焊锡性不良。事实上此一特殊案例是出自一种厚多层板高纵横比(HAR)的某些深孔中,波焊后发现上锡性不佳的半高孔壁虎,竟然直接与内层大地铜层相连接,以致在波焊中涌锡升起的瞬间,该接地处大量失热导致锡波的冷却固化所致,根本不是浸银皮膜的焊接问题。此种失效经过多次不同考试板的试验,甚至客户更改互连设计的反复验证后,终于证明完全与浸银皮膜无关。纯就此一假性焊锡性问题,当然也就无需对浸镀银做任何改变了。
  根本原因的分析
  1贾凡尼咬铜(Galvanic Attack)
  经过多次根本原因的追究,上述各项失效案例的确已大幅减少。不过对于贾凡尼效应的铜腐蚀问题则始终未能根绝,其原因是板面绿漆边缘与立体铜线间一向存在着较多的细缝(Crevice),于是在浸镀银的湿制程中会使得银液在毛细作用下不断渗入细缝内,再加上后清洗难竟全功之下,造成银离子与铜金属之间发生了贾凡尼电化学电池式的腐蚀反应。事实上唯有当铜金属被腐蚀成为铜离子而释出电子时,银离子才能产生沉积反应。这种无从避免的麻烦也与银层厚度(浸镀时间)有关,愈厚当然就越不好。
  上述板面绿漆与铜导线之间所存在细缝的问题,其背后的真正原因则是感光绿漆施工中,其皮膜本身已发生侧蚀甚至过度显像的异常,以致未能完全紧贴在铜导线的两侧面或附着性不佳所致。此外深孔中央银层太薄或绿漆下铜面上已出现较深的刮痕者,都将会出现贾凡尼式咬铜的麻烦。
  2银面变色(Tarnish)
  银面变色变脏与空气中的氧与硫有关,一旦银面与硫接触时将会形成黄色的Ag2S硫化银薄膜,若继续接触中将会逐渐变到棕黑色。此种硫污染的来源可能出自不洁空气中的污染,或来自看似无害的包装用纸类。至于氧气则除了空气之外,底铜表面氧化已存在的Cu2O与CuO等薄膜,其中的氧将可能转移到银层中。且对快速沉积厚度很薄、结构松散又具多孔性的浸银层而言,又将让底铜大有机会继续与空气接触而再行氧化。为了防堵此漏洞起见,势必要加厚银镀层以阻止其晶界(Grain Boundary)的漏气。然而加厚银层不但会使成本上升,而且细缝中的贾凡尼咬铜效应也将更为之恶化。且在离子污染增多后其焊锡性亦将变差,甚至出现焊点微洞与变脆等问题(见下页图3)。
  3局部露铜
  此种缺失与浸银制程本身有关,经常在完成浸银工序后即可发现。其原因是铜面上在前处理流程中可能已附着了一层阻碍反应的薄膜,致使铜与银之间无法发生置换反应。此膜一旦微蚀不掉时将会阻止铜的释出电子行为,而无法让银层产生沉积反应。此外浸银槽液的机械搅拌也会产生一些不同的效果,加以生产板类在几何外形上的差异,使得不同区域受到药水的冲刷效果也有所不同,以致让浸渡银层的厚度也出现不够均匀的现象,太薄区域看起来就会出现镀不上银而露铜的现象。
  4离子污染
  经过湿制程后板面上可能残留的各种离子,都将会对PCB的电性功能造成不良影响。此等烦恼多半出自银层表面附着药水的不易清洗,甚至在绿漆表面也会残留已老化的槽液。浸镀银的配方中经常会加入一些有机物,因而也可能会随伴发生一些有机皮膜等额外异物的附着,进而造成后段清洗的困难。通常补充银消耗的做法是采用专用的补给药水,而此等药水是将金属银配制成为“有机银的络合物”(Organic Silver Complexes),一旦银金属用掉后将剩下颇多量的有机物,当然就会使得后段清洗越发困难了。
  5微洞现象(Microvoids)
  浸银层在下游焊接中所 发生的焊点微洞,直径大多不足Imil,且多数聚集在焊点与承垫IMC以上的介面处,是一种全面分布性空泡式的众多小空洞,对焊点强度会出现一种“破坏性的效应”(Devastating Effect)
  此种介面性微空洞不但在PCB浸镀银的焊接中出现,也会发生在OSP与ENIG等皮膜之焊接中,其根本原因到目前为此尚未彻底搞清楚。不过也找到某些确定的相关成因,例如厚度加厚者微空洞也较多(尤其当厚度超过15μin者),然而某些配方也未必全然如此。此外底铜面的粗糙度也是原因之一,通常愈粗愈糟。且还发现与配方中的有机物含量与成份有关,某些有机物则容易伴随银金属产生共镀而存在于皮膜中。不过这种假设性的理论,曾经通过某些品牌商(OEM)、代工组装业者(EMS)、PCB业者,与药水供应商等,所共同组成联盟的多次合作研究,竟然没有一次模拟成功,当然也就无法将微洞彻底予以排除了(见下页图4)。
  各种预防方法
  上述五项常见的浸镀银缺点经由药水商与设备商以及PCB等现场之解困研究,现已找出某些预防与改善的办法,可提供PCB业者解决问题与提升良率,现分述于下:
  1贾凡尼咬铜
  此问题须上溯到电镀铜制程,发现凡对象为高厚径比的深孔镀铜与盲孔镀铜之案例,若能提供其铜厚分布更均匀者,将可减少此种贾凡尼咬铜现象。且PCB制程中金属阻剂(例如纯锡层)的剥除与蚀刻铜等,一旦出现过度蚀刻而存在侧蚀现象者,亦可能会产生细缝而藏有电镀液与微蚀液。
  事实上贾凡尼问题最大的来源就是绿漆工程,其中以绿漆现象所造成的侧蚀与皮膜浮雕最容易造成细缝。凡能让绿漆现象出现正性的残足而非负性的侧蚀,并在绿漆彻底后硬化之下,则此种贾凡尼的咬铜之缺失将可予以排除。至于电镀铜的操作务必在强烈的搅拌中让深孔中电镀铜更为均匀,此时还需用利用超音波与强流器(Eductor)的帮忙搅拌,以改善槽液的质传与铜厚的分布。至于浸镀银的本身制程,则需严格管制其前段的微蚀咬铜率,平滑的铜面亦可减少绿漆后细缝的存在。最后是银槽本身不可出现太强的咬铜反应,PH值以中性为宜,且镀着速率也不可太快,最好在厚度上要尽量的剪薄,而于最佳化之银结晶之下才能做好抗变色的功能。
  2变色的改善
  其改善方法是增加镀层密度与减少其疏孔度(Porosity),包装产品务必采用无硫纸并加以密封,以隔绝掉空气中的氧气与硫份,进而降低其变色的来源。且储存区环境的气温不宜超过30℃,湿度须低于40%RH,最好采行先进先用的政策,避免存放太久而产生问题。
  3银面露铜的改善
  浸镀银之前的各种流程均需小心管控,例如微蚀铜面后注意其“水破”的检测(Water Break指拒水性)与特别亮铜点的观察,此皆表示铜面可能存在某些异物。微蚀良好的干净铜面,其直立状态须保持40秒内不可发生水破现象。连线设备亦应定期保养,以维持其水性的均匀性,如此方能得到较均匀的镀银层。操作中还需不断对浸镀铜时间、液温、搅拌,与孔径大小等进行DOE实验计划之试验,以取得最佳品质的镀银层、且对于具有深孔的厚板以及HDI微盲孔板的浸镀银制程,也可另采用超音波与强流器的外力协助,以改善银层的分布。此等槽液的额外强力搅拌,确可改善深孔与盲孔中的药水润湿与交换的能力,对于整个湿制程都有莫大的帮助。
  4板面离子污染的改善
  若能将浸镀银槽液的离子浓度,在不妨碍镀层品质而予以降低时,则板面所带出而附着的离子自然得以减量。完成浸镀后的清洁中,其干燥前务必还要经过纯水的漂洗1分钟以上,以减少附着的离子。而且对于完工板也还要定时检验其清洁度,务必让板面的残余离子量减到最低而能合业界的规范。所做过的试验均应保存其记录,以备不时之需。
  5焊点微洞的改善
  介面微洞仍是目前浸镀银最难改善的缺点,因为其真正的成因至今仍未真相大白,但至少某些相关的原因已可确定。于是在尽量减少其关连性因素的发生下,当然也可减少下游焊接微洞的发生。
  相关因素中又以银层厚度最为关建,务须将银层厚度尽可能的减低。其次是前处理的微蚀不可让铜面太过粗糙,而银厚度分布的均匀性也是重点之一。至于银层中的有机物含量,则可能从多点取样银层纯度分析中而反向得知,其中纯银含量不可低于90%之原子比。
  AIPha STAR的管理
  电子业自2006.7.1无铅接正式上路以后,上下游各种制程不但要研究最佳化的“理想制程”(Ideal process),而且还要符合安全、环保与可靠度等多项要求。Enthone公司自从1994年在PCB业推出具有专利的浸镀银(沉银)制程后,目前已进展到第三代的浸镀银工艺,也就是商品名称的Alpha STAR。此商用 流程共有7个制程站,后三站都是水洗。现将其对用户可呈现的特点与好处说明于后。
  前处理共有四站;即铜面的适况处理(Conditioner)、水洗、微蚀及水洗。适况处理可将铜面的表面张力予以降低,此制程对于板上任何铜面均可进行良好的处理,包括深孔中的铜孔壁与盲孔底的铜面。至于微蚀槽的独特配方则可在铜面上产生微粗糙的形貌,欲仍具有半光亮的外观。此等微蚀后的细腻铜面结构,可让所沉积的银层也随之细晶化。于是在细晶组织中不但可得到高密度无疏孔性的镀银层,而且厚度还不需太厚,如此将在防变色方面亦可获得很大的改善。
  至于沉银方面则又分为:预浸(Prechip)、浸镀银、以及后段的纯水清洗。预浸槽的功能有三,即本身当成前阵的牺牲打,以减少对主银槽所带进铜份与微蚀的污染,并减少其他外物的危害。其次是将铜面再度做好清洁处理以完成置换反应的准备工作。由于预银槽的配方与作业条件与主银槽相同(只有银含量上的差别),故进入主槽的板子并不会对主槽造成冲淡的效果。主槽沉银反应中消耗的只有银离子,而有机物的变化则以带出者居多。于是在带入与带出两者得以平衡下,主银槽中不断补充银份的消耗时,其无效的有机物将不致累积太多。
  银层的结构
  由于浸银层是出自银离子与铜面的置换反应,其铜面微蚀后所具有的微粗糙形貌,将可使得慢速沉积的起始银层更为均匀,且慢速镀银亦可使其银晶粒结构更为结实与紧密。此种附着紧密的银层厚度约在6~12μin 之间,一般尚无法达到完全防变色的地步。主银槽的化学性质非常稳定,量产可达好几十次的MTO(Metal Turn-Over)才需换槽,并且对于光线也不再敏感。而且停机时间也大幅降低,通常只要厚度到达4μin以上时,即将不再出现疏孔。板面的离子污染也很低,所用设备的成本也很平价。
  结论
  因应无铅焊接全球PCB业对表面处理的期望,为求面对焊锡性、可靠度、安全性等更严格的要求起见,全新研发的商用制程Alpha STAR将可达到各种实用性的目标。此新制程并还能符合RoHS及WEEE法规层面的要求与无铅焊接的具体规格。

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