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無鉛鍍層技術(shù)的特性

發(fā)布日期：2012-06-22 瀏覽次數(shù) ：1533

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歐盟WEEE與RoHS指令于2006年7月1日正式實(shí)施，直接對(duì)電子電子行業(yè)造成大的沖擊。歐盟WEEE與RoHS指令要求出產(chǎn)國、出產(chǎn)企業(yè)必需負(fù)責(zé)電氣、電子產(chǎn)品的回收工作，同時(shí)亦對(duì)電氣、電子產(chǎn)品中的有害物質(zhì)提出禁用要求。

　　RoHS指令禁用物質(zhì)量化指示：
　　 Pb（鉛）＜1000×10-6即1000ppm
　　Hg（汞）＜1000×10-6即1000ppm
　　Cd（鎘）＜100×10-6即100ppm
　　Cr+6（六價(jià)鉻）＜1000×10-6即1000ppm
　　PBB（多溴聯(lián)苯）＜1000×10-6即1000ppm
　　PBDE（多溴二苯醚）＜1000×10-6即1000ppm

　　因?yàn)闅W盟WEEE與RoHS指令的實(shí)施，市場(chǎng)上泛起各種的無鉛鍍層材料和技術(shù)。而一般也各有各的強(qiáng)弱點(diǎn)。下圖是各種常用技術(shù)在一些重要特性上的比較。讀者可以從中了解到各種存在技術(shù)的特性和存在的原因。例如Ni/Au在保護(hù)機(jī)能方面有很好的機(jī)能，但卻存在本錢很高、庫存壽命較低以及IMC影響可靠性的題目。OSP具有本錢、加工溫度低和工藝輕易的上風(fēng)，但質(zhì)量的不亂性、庫存壽命和對(duì)Flux的兼容性上卻是用戶所擔(dān)心的。基本來說，沒有一種技術(shù)是具備上風(fēng)的。假如從整體較平衡的角度來評(píng)估的話，ImAg好像較具有上風(fēng)。這就是近來ImAg被美國為主的用戶所歡迎的原因。尤其是當(dāng)其本錢下降之后，已成為具有很大發(fā)展?jié)撃艿募夹g(shù)。

　　HASL熱風(fēng)整平：因?yàn)楸惧X低和使用習(xí)慣而受歡迎，日本較看好這技術(shù)而有較多的研究投入。主要是在SAC以及SnCu合金上。但歐美不看好它的發(fā)展。主要基于其平整度題目、高溫加工題目以及工藝對(duì)員工有健康風(fēng)險(xiǎn)等考慮。HASL能夠提供和焊料合金完全匹配的材料，有很好的潤(rùn)濕性。但它會(huì)有IMC增長(zhǎng)以及對(duì)PCB綠油不利等題目。所以發(fā)展情況不是很肯定，是否終會(huì)被廣泛接受，得看大多數(shù)用戶對(duì)工藝和質(zhì)量的敏感程度，OSP和ImAg的本錢競(jìng)爭(zhēng)狀況，以及用戶們是否能夠舍棄這傳統(tǒng)的工藝而定。

　　ImAg化學(xué)沉銀：在常用技術(shù)中，ImAg相對(duì)是門較新的技術(shù)，而其被看好也是近幾年的事。ImAg在各方面都表現(xiàn)不錯(cuò)，是個(gè)表現(xiàn)“均衡”的技術(shù)。加上其加工技術(shù)上的改善，使本錢得以下降，固然仍高于HASL和OSP技術(shù)，但低于ImSn和ElectrolessSn，尤其低于Ni/Au很多能夠處理Ni/Au在鍵合以及接觸點(diǎn)的應(yīng)用上，使這技術(shù)被業(yè)界看好，有很大的發(fā)展?jié)撃堋?br />
　　ImAg技術(shù)上的好處包括平整度高，導(dǎo)電性強(qiáng)，IMC（Ag3Sn）較其他鍍層材料的IMC堅(jiān)固，加工溫度低（一般46度），潤(rùn)濕性好以及庫存壽命長(zhǎng)等等。純Sn技術(shù)：采用純錫的zui大好處是和一般含Sn量高的無鉛焊料焊接后沒有IMC的題目。但焊盤（銅）鍍層加工后形成的SnCu層增長(zhǎng)很快，造成庫存壽命不長(zhǎng)。在早期，純錫鍍層的質(zhì)量很不不亂而曾經(jīng)一度不受歡迎。近來在工藝上的改進(jìn)（使用“白錫”和所謂的“FST”）使這門技術(shù)又開始被接受。有些供給商甚至以為它將成為無鉛技術(shù)中PCB鍍層技術(shù)的主流。不外這必需在Whisker，鍍層加工后的IMC增長(zhǎng)，以及錫瘟等顧慮得到較好的處理后才可能泛起。

　　鍍純錫技術(shù)以所有三種常見工藝泛起。即電鍍、無電電鍍、以及浸鍍技術(shù)。無電電鍍技術(shù)，因?yàn)镋lectroplated電鍍純錫技術(shù)中存在的金屬須以及鍍層厚度不均等題目而取代它。新的Electoplating電鍍純錫技術(shù)，有講演說通過電鍍液配方造出較大多邊形結(jié)晶顆粒結(jié)構(gòu)以及采用‘白錫’，可以防止金屬須的產(chǎn)生。加上其相對(duì)簡(jiǎn)樸的工藝，使Electroplating技術(shù)又再抬頭。ImSn因?yàn)楸惧X低和工藝簡(jiǎn)樸，在純錫鍍層中的應(yīng)用已經(jīng)廣泛。ImSn在焊接工藝上被以為是表現(xiàn)接近SnPb技術(shù)的（無鉛技術(shù)中所有的材料工藝表現(xiàn)都不如傳統(tǒng)的錫鉛材料），但因?yàn)榻兗夹g(shù)對(duì)厚度的控制能力不強(qiáng)，鍍層厚度一般只有1.5um或以下。這使這門技術(shù)的庫存壽命受到較大的威脅。

　　近來泛起的另外一種新技術(shù)，是在浸錫前在焊盤表面鍍上一層‘有機(jī)金屬’。實(shí)驗(yàn)證實(shí)這工藝能夠減小純錫應(yīng)用中IMC層的增長(zhǎng)速度。使純錫應(yīng)用的地位又進(jìn)一步得到晉升。

Ni/Au技術(shù)：Ni/Au技術(shù)的好處是表面平整度高；可以承受多次的焊接（Ni可以承受多次加熱而不會(huì)有底層的Cu溶蝕現(xiàn)象）；庫存壽命長(zhǎng)；輕易和多數(shù)焊劑兼容；Ni層能夠阻止Cu溶蝕入焊點(diǎn)的Sn中而形成對(duì)焊點(diǎn)不利的合金，對(duì)焊點(diǎn)壽命有利（但Au對(duì)焊點(diǎn)不利而必需給于量上的控制）。Ni/Au的弱點(diǎn)是本錢高，以及不合用于所有綠油。而且Au鍍層厚度以及后續(xù)焊接工藝的控制不好時(shí)會(huì)造成焊點(diǎn)可靠性的損失題目。

　常用的Ni/Au電鍍技術(shù)有無電電鍍ElectrolessNi/Au（簡(jiǎn)稱ENEG）和ElectrolessNi/ImAu（簡(jiǎn)稱ENIG）兩種。其中ENIG使用較多，Electroless技術(shù)其次，市場(chǎng)上固然也有有電的ElectroplatedNi/Au但供給較少。焊點(diǎn)可靠性方面，Ni/Au因?yàn)锳u和IMC特性的關(guān)系，一般不如其他鍍層材料技術(shù)。Au鍍層厚度是個(gè)質(zhì)量控制的要點(diǎn)，而這又必需在庫存壽命和可靠性的矛盾需求之間找到平衡點(diǎn)。此外，無電電鍍技術(shù)的焊點(diǎn)可靠性也差于有電鍍。這是由于工藝中固有的‘磷’含量的影響。在無電電鍍中，當(dāng)焊點(diǎn)形成后，在Ni和以Sn為主的焊料之間存在3層IMC，分別為含大量磷的NiP層，NiPSn層以及Ni2Sn4層。而其中NiP層和NiPSn層之間的結(jié)協(xié)力很脆弱，是焊點(diǎn)的強(qiáng)度受到影響。所以無電電鍍技術(shù)的焊點(diǎn)一般不如有電電鍍技術(shù)。不外在實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中業(yè)界也發(fā)現(xiàn)，在無鉛焊接中假如使用SAC焊料，其中的Cu成分在Ni和Sn之間形成CuNiSn的IMC層。這有助于加強(qiáng)焊點(diǎn)的壽命，是其接近有電電鍍技術(shù)的能力。而在比較OSP、HASL、ImAg、和Ni/Au可靠性的試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，除了Ni/Au外，其他的可靠性在無鉛SAC焊接中的可靠性都較錫鉛中遜色。唯有Ni/Au因?yàn)镃uNiSn層的泛起而變得更可靠。

　　業(yè)界使用廣的Ni/Au技術(shù)是ENIG技術(shù)。也就是先對(duì)焊盤進(jìn)行無電電鍍鎳層后，再進(jìn)行浸鍍金的做法。ENIG有工藝較簡(jiǎn)樸的上風(fēng)。但金的鍍層厚度不能隨意控制，而且業(yè)界都已經(jīng)知道其質(zhì)量不如Electroplated和ENEG技術(shù)。常泛起的題目有“鍍層針孔”、黑斑、“黑Pad”、綠油脆化、漏鍍、高磷IMC層、AuSn4沉淀等。其中有些題目的機(jī)理還沒有完全被了解。不外ENIG有個(gè)重要的強(qiáng)點(diǎn)，就是使用在高密度和多I/O板上。由于這類板需要良多的通接孔和層次多，細(xì)而長(zhǎng)的通接孔外形不利于有電電鍍工藝，采用ENIG工藝可以確保較好的壽命。

　　OSP有機(jī)保護(hù)膜技術(shù)：OSP技術(shù)早期在日本十分受歡迎，在市場(chǎng)調(diào)查中，有約4成的單面板使用這種技術(shù)，而雙面板也有近3成使用它。在美國，OSP技術(shù)也在1997年起激增，從1997以前的約10%用量增加到1999年的35%。OSP并非新技術(shù)，它實(shí)際上已經(jīng)有超過35年，比SMT歷史還長(zhǎng)。OSP具備很多好處，例如平整面好，和焊盤的銅之間沒有IMC形成，答應(yīng)焊接時(shí)焊料和銅直接焊接（潤(rùn)濕性好），低溫的加工工藝，本錢低（可低于HASL），加工時(shí)的能源使用少等等。

　　OSP有三大類的材料：松香類（Rosin），活性樹脂類（ActiveResin）和唑類（Azole）。目前使用廣的是唑類OSP。唑類OSP已經(jīng)經(jīng)由了約5代的改善，這五代分別號(hào)為BTA，IA，BIA，SBA和新的APA。早期的BTA類對(duì)濕度敏感，庫存壽命很短（3個(gè)月），不能承受多次加熱，而且需要較強(qiáng)的焊劑，所以機(jī)能不是很好。一直到70年代有日本開發(fā)的第三代BIA類OSP后才有較明顯的改善。美國市場(chǎng)也在80年代開始采用這類OSP，同時(shí)被正在發(fā)展的SMT所接受。不外BIA的耐熱性仍舊是個(gè)弱點(diǎn)。目前仍舊有供給商提供BIA類的OSP，但逐漸在為新一代的SBA所取代。

　　SBA是1997年的研發(fā)成果，有美國IBM推出而后得到在OSP技術(shù)上享有盛名的日本“四國化學(xué)”公司的改善。在保護(hù)性和耐熱性有明顯的加強(qiáng)。其耐熱性已經(jīng)可以承受3次的回流處理（但多次加熱后需要較強(qiáng)的焊劑）。SBA是目前OSP供給的主流。本錢低于傳統(tǒng)的HASL，所以在錫鉛時(shí)代已經(jīng)被大量的使用，尤其是單面板上。在雙面回流板以及混裝板工藝應(yīng)用上卻仍舊有些顧慮。

　　跟著無鉛技術(shù)的推進(jìn)，OSP技術(shù)，即使是較好的SBA技術(shù)，將不能很理想的支持無鉛的高溫環(huán)境和可能泛起的多次焊接。在不斷研究中，業(yè)界有泛起了更新更好的技術(shù)。這就是新一代的ArylPhonylimidazole（APA）了。這類OSP的分解溫度為355℃，能夠承受多次加熱。而且能夠和一般的免清洗焊接兼容，無需較強(qiáng)的助焊劑。它還有一個(gè)好處，就是不沾金。這答應(yīng)使用在需要‘金手指’應(yīng)用的板上，加工時(shí)不需要籠蓋（Masking）工藝。這類OSP的泛起給業(yè)界帶來了好動(dòng)靜。

　　OSP當(dāng)然也有它不足之處，例如實(shí)際配方種類多，機(jī)能不一。也就是說供給商的認(rèn)證和選擇工作要做得夠做得好。OSP處理的表面輕易受損，庫存和取放等必需給于小心治理；錫膏印刷工藝要把握得好，由于印刷不良的板不能使用IPA等進(jìn)行清洗，會(huì)損害OSP層。透明和非金屬的OSP層厚度也不輕易丈量，透明性對(duì)涂層的籠蓋面程度也不輕易看出，所以供給商這些方面的質(zhì)量不亂性較難評(píng)估；OSP技術(shù)在焊盤的Cu和焊料的Sn之間沒有其他材料的IMC隔離，在無鉛技術(shù)中，含Sn量高的焊點(diǎn)中的SnCu增長(zhǎng)很快，影響焊點(diǎn)的可靠性。