PCB表面處理工藝特點(diǎn)及用途

一. 引言
    隨著人類對(duì)于居住環(huán)境要求的不斷提高，目前PCB生產(chǎn)過(guò)程中涉及到的環(huán)境問(wèn)題顯得尤為突出。目前有關(guān)鉛和溴的話題是最熱門的；無(wú)鉛化和無(wú)鹵化將在很多方面影響著PCB的發(fā)展。雖然目前來(lái)看，PCB的表面處理工藝方面的變化并不是很大，好像還是比較遙遠(yuǎn)的事情，但是應(yīng)該注意到：長(zhǎng)期的緩慢變化將會(huì)導(dǎo)致巨大的變化。在環(huán)保呼聲愈來(lái)愈高的情況下，PCB的表面處理工藝未來(lái)肯定會(huì)發(fā)生巨變。
二. 表面處理的目的
    表面處理最基本的目的是保證良好的可焊性或電性能。由于自然界的銅在空氣中傾向于以氧化物的形式存在，不大可能長(zhǎng)期保持為原銅，因此需要對(duì)銅進(jìn)行其他處理。雖然在后續(xù)的組裝中，可以采用強(qiáng)助焊劑除去大多數(shù)銅的氧化物，但強(qiáng)助焊劑本身不易去除，因此業(yè)界一般不采用強(qiáng)助焊劑。
三. 常見的五種表面處理工藝
    現(xiàn)在有許多PCB表面處理工藝，常見的是熱風(fēng)整平、有機(jī)涂覆、化學(xué)鍍鎳/浸金、浸銀和浸錫這五種工藝，下面將逐一介紹。
1. 熱風(fēng)整平
    熱風(fēng)整平又名熱風(fēng)焊料整平，它是在PCB表面涂覆熔融錫鉛焊料并用加熱壓縮空氣整（吹）平的工藝，使其形成一層既抗銅氧化，又可提供良好的可焊性的涂覆層。熱風(fēng)整平時(shí)焊料和銅在結(jié)合處形成銅錫金屬間化合物。保護(hù)銅面的焊料厚度大約有1-2mil。
    PCB進(jìn)行熱風(fēng)整平時(shí)要浸在熔融的焊料中；風(fēng)刀在焊料凝固之前吹平液態(tài)的焊料；風(fēng)刀能夠?qū)~面上焊料的彎月狀最小化和阻止焊料橋接。熱風(fēng)整平分為垂直式和水平式兩種，一般認(rèn)為水平式較好，主要是水平式熱風(fēng)整平鍍層比較均勻，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。熱風(fēng)整平工藝的一般流程為：微蝕→預(yù)熱→涂覆助焊劑→噴錫→清洗。
2. 有機(jī)涂覆
    有機(jī)涂覆工藝不同于其他表面處理工藝，它是在銅和空氣間充當(dāng)阻隔層；有機(jī)涂覆工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，這使得它能夠在業(yè)界廣泛使用。早期的有機(jī)涂覆的分子是起防銹作用的咪唑和苯并三唑，最新的分子主要是苯并咪唑，它是化學(xué)鍵合氮功能團(tuán)到PCB上的銅。在后續(xù)的焊接過(guò)程中，如果銅面上只有一層的有機(jī)涂覆層是不行的，必須有很多層。這就是為什么化學(xué)槽中通常需要添加銅液。在涂覆第一層之后，涂覆層吸附銅；接著第二層的有機(jī)涂覆分子與銅結(jié)合，直至二十甚至上百次的有機(jī)涂覆分子集結(jié)在銅面，這樣可以保證進(jìn)行多次回流焊。試驗(yàn)表明：最新的有機(jī)涂覆工藝能夠在多次無(wú)鉛焊接過(guò)程中保持良好的性能。
    有機(jī)涂覆工藝的一般流程為：脫脂→微蝕→酸洗→純水清洗→有機(jī)涂覆→清洗，過(guò)程控制相對(duì)其他表面處理工藝較為容易。
3. 化學(xué)鍍鎳/浸金
    化學(xué)鍍鎳/浸金工藝不像有機(jī)涂覆那樣簡(jiǎn)單，化學(xué)鍍鎳/浸金好像給PCB穿上厚厚的盔甲；另外化學(xué)鍍鎳/浸金工藝也不像有機(jī)涂覆作為防銹阻隔層，它能夠在PCB長(zhǎng)期使用過(guò)程中有用并實(shí)現(xiàn)良好的電性能。因此，化學(xué)鍍鎳/浸金是在銅面上包裹一層厚厚的、電性良好的鎳金合金，這可以長(zhǎng)期保護(hù)PCB；另外它也具有其它表面處理工藝所不具備的對(duì)環(huán)境的忍耐性。鍍鎳的原因是由于金和銅間會(huì)相互擴(kuò)散，而鎳層能夠阻止金和銅間的擴(kuò)散；如果沒有鎳層，金將會(huì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)擴(kuò)散到銅中去。化學(xué)鍍鎳/浸金的另一個(gè)好處是鎳的強(qiáng)度，僅僅5微米厚度的鎳就可以限制高溫下Z方向的膨脹。此外化學(xué)鍍鎳/浸金也可以阻止銅的溶解，這將有益于無(wú)鉛組裝。
    化學(xué)鍍鎳/浸金工藝的一般流程為：酸性清潔→微蝕→預(yù)浸→活化→化學(xué)鍍鎳→化學(xué)浸金，主要有6個(gè)化學(xué)槽，涉及到近100種化學(xué)品，因此過(guò)程控制比較困難。
4. 浸銀
    浸銀工藝介于有機(jī)涂覆和化學(xué)鍍鎳/浸金之間，工藝比較簡(jiǎn)單、快速；不像化學(xué)鍍鎳/浸金那樣復(fù)雜，也不是給PCB穿上一層厚厚的盔甲，但是它仍然能夠提供好的電性能。銀是金的小兄弟，即使暴露在熱、濕和污染的環(huán)境中，銀仍然能夠保持良好的可焊性，但會(huì)失去光澤。浸銀不具備化學(xué)鍍鎳/浸金所具有的好的物理強(qiáng)度因?yàn)殂y層下面沒有鎳。另外浸銀有好的儲(chǔ)存性，浸銀后放幾年組裝也不會(huì)有大的問(wèn)題。
    浸銀是置換反應(yīng)，它幾乎是亞微米級(jí)的純銀涂覆。有時(shí)浸銀過(guò)程中還包含一些有機(jī)物，主要是防止銀腐蝕和消除銀遷移問(wèn)題；一般很難測(cè)量出來(lái)這一薄層有機(jī)物，分析表明有機(jī)體的重量少于1％。
5. 浸錫
    由于目前所有的焊料都是以錫為基礎(chǔ)的，所以錫層能與任何類型的焊料相匹配。從這一點(diǎn)來(lái)看，浸錫工藝極具有發(fā)展前景。但是以前的PCB抄板經(jīng)浸錫工藝后出現(xiàn)錫須，在焊接過(guò)程中錫須和錫遷徙會(huì)帶來(lái)可靠性問(wèn)題，因此浸錫工藝的采用受到限制。后來(lái)在浸錫溶液中加入了有機(jī)添加劑，可使得錫層結(jié)構(gòu)呈顆粒狀結(jié)構(gòu)，克服了以前的問(wèn)題，而且還具有好的熱穩(wěn)定性和可焊性。
    浸錫工藝可以形成平坦的銅錫金屬間化合物，這個(gè)特性使得浸錫具有和熱風(fēng)整平一樣的好的可焊性而沒有熱風(fēng)整平令人頭痛的平坦性問(wèn)題；浸錫也沒有化學(xué)鍍鎳/浸金金屬間的擴(kuò)散問(wèn)題——銅錫金屬間化合物能夠穩(wěn)固的結(jié)合在一起。浸錫板不可存儲(chǔ)太久，組裝時(shí)必須根據(jù)浸錫的先后順序進(jìn)行。
6. 其他表面處理工藝
    其他表面處理工藝的應(yīng)用較少，下面來(lái)看應(yīng)用相對(duì)較多的電鍍鎳金和化學(xué)鍍鈀工藝。
    電鍍鎳金是PCB表面處理工藝的鼻祖，自從PCB出現(xiàn)它就出現(xiàn)，以后慢慢演化為其他方式。它是在PCB表面導(dǎo)體先鍍上一層鎳后再鍍上一層金，鍍鎳主要是防止金和銅間的擴(kuò)散?，F(xiàn)在的電鍍鎳金有兩類：鍍軟金（純金，金表面看起來(lái)不亮）和鍍硬金（表面平滑和硬，耐磨，含有鈷等其他元素，金表面看起來(lái)較光亮）。軟金主要用于芯片封裝時(shí)打金線；硬金主要用在非焊接處的電性互連。
    考慮到成本，業(yè)界常常通過(guò)圖像轉(zhuǎn)移的方法進(jìn)行選擇性電鍍以減少金的使用。目前選擇性電鍍金在業(yè)界的使用持續(xù)增加，這主要是由于化學(xué)鍍鎳/浸金過(guò)程控制比較困難。
    正常情況下，焊接會(huì)導(dǎo)致電鍍金變脆，這將縮短使用壽命，因而要避免在電鍍金上進(jìn)行焊接；但化學(xué)鍍鎳/浸金由于金很薄，且很一致，變脆現(xiàn)象很少發(fā)生。
    化學(xué)鍍鈀的過(guò)程與化學(xué)鍍鎳過(guò)程相近似。主要過(guò)程是通過(guò)還原劑（如次磷酸二氫鈉）使鈀離子在催化的表面還原成鈀，新生的鈀可成為推動(dòng)反應(yīng)的催化劑，因而可得到任意厚度的鈀鍍層?；瘜W(xué)鍍鈀的優(yōu)點(diǎn)為良好的焊接可靠性、熱穩(wěn)定性、表面平整性。
四. 表面處理工藝的選擇
    表面處理工藝的選擇主要取決于最終組裝元器件的類型；表面處理工藝將影響PCB的生產(chǎn)、組裝和最終使用，下面將具體介紹常見的五種表面處理工藝的使用場(chǎng)合。
1. 熱風(fēng)整平
    熱風(fēng)整平曾經(jīng)在PCB表面處理工藝中處于主導(dǎo)地位。二十世紀(jì)八十年代，超過(guò)四分之三的PCB使用熱風(fēng)整平工藝，但過(guò)去十年以來(lái)業(yè)界一直都在減少熱風(fēng)整平工藝的使用，估計(jì)目前約有25％-40％的PCB使用熱風(fēng)整平工藝。熱風(fēng)整平制程比較臟、難聞、危險(xiǎn)，因而從未是令人喜愛的工藝，但熱風(fēng)整平對(duì)于尺寸較大的元件和間距較大的導(dǎo)線而言，卻是極好的工藝。在密度較高的PCB中，熱風(fēng)整平的平坦性將影響后續(xù)的組裝；故HDI板一般不采用熱風(fēng)整平工藝。隨著技術(shù)的進(jìn)步，業(yè)界現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了適于組裝間距更小的QFP和BGA的熱風(fēng)整平工藝，但實(shí)際應(yīng)用較少。目前一些工廠采用有機(jī)涂覆和化學(xué)鍍鎳/浸金工藝來(lái)代替熱風(fēng)整平工藝；技術(shù)上的發(fā)展也使得一些工廠采用浸錫、浸銀工藝。加上近年來(lái)無(wú)鉛化的趨勢(shì)，熱風(fēng)整平使用受到進(jìn)一步的限制。雖然目前已經(jīng)出現(xiàn)所謂的無(wú)鉛熱風(fēng)整平，但這可將涉及到設(shè)備的兼容性問(wèn)題。
2. 有機(jī)涂覆
    估計(jì)目前約有25％-30％的PCB使用有機(jī)涂覆工藝，該比例一直在上升（很可能有機(jī)涂覆現(xiàn)在已超過(guò)熱風(fēng)整平居于第一位）。有機(jī)涂覆工藝可以用在低技術(shù)含量的PCB，也可以用在高技術(shù)含量的PCB上，如單面電視機(jī)用PCB、高密度芯片封裝用板。對(duì)于BGA方面，有機(jī)涂覆應(yīng)用也較多。PCB如果沒有表面連接功能性要求或者儲(chǔ)存期的限定，有機(jī)涂覆將是最理想的表面處理工藝。
3. 化學(xué)鍍鎳/浸金
    化學(xué)鍍鎳/浸金工藝與有機(jī)涂覆不同，它主要用在表面有連接功能性要求和較長(zhǎng)的儲(chǔ)存期的板子上，如手機(jī)按鍵區(qū)、路由器殼體的邊緣連接區(qū)和芯片處理器彈性連接的電性接觸區(qū)。由于熱風(fēng)整平的平坦性問(wèn)題和有機(jī)涂覆助焊劑的清除問(wèn)題，二十世紀(jì)九十年代化學(xué)鍍鎳/浸金使用很廣；后來(lái)由于黑盤、脆的鎳磷合金的出現(xiàn)，化學(xué)鍍鎳/浸金工藝的應(yīng)用有所減少，不過(guò)目前幾乎每個(gè)高技術(shù)的PCB廠都有化學(xué)鍍鎳/浸金線?？紤]到除去銅錫金屬間化合物時(shí)焊點(diǎn)會(huì)變脆，相對(duì)脆的鎳錫金屬間化合物處將出現(xiàn)很多的問(wèn)題。因此，便攜式電子產(chǎn)品（如手機(jī)）幾乎都采用有機(jī)涂覆、浸銀或浸錫形成的銅錫金屬間化合物焊點(diǎn)，而采用化學(xué)鍍鎳/浸金形成按鍵區(qū)、接觸區(qū)和EMI的屏蔽區(qū)。估計(jì)目前大約有10％-20％的PCB使用化學(xué)鍍鎳/浸金工藝。
4. 浸銀
    浸銀比化學(xué)鍍鎳/浸金便宜，如果PCB有連接功能性要求和需要降低成本，浸銀是一個(gè)好的選擇；加上浸銀良好的平坦度和接觸性，那就更應(yīng)該選擇浸銀工藝。在通信產(chǎn)品、汽車、電腦外設(shè)方面浸銀應(yīng)用的很多，在高速信號(hào)設(shè)計(jì)方面浸銀也有所應(yīng)用。由于浸銀具有其它表面處理所無(wú)法匹敵的良好電性能，它也可用在高頻信號(hào)中。EMS推薦使用浸銀工藝是因?yàn)樗子诮M裝和具有較好的可檢查性。但是由于浸銀存在諸如失去光澤、焊點(diǎn)空洞等缺陷使得其增長(zhǎng)緩慢（但沒有下降）。估計(jì)目前大約有10％-15％的PCB使用浸銀工藝。
5. 浸錫
    錫被引入表面處理工藝是近十年的事情，該工藝的出現(xiàn)是生產(chǎn)自動(dòng)化的要求的結(jié)果。浸錫在焊接處沒有帶入任何新元素，特別適用于通信用背板。在板子的儲(chǔ)存期之外錫將失去可焊性，因而浸錫需要較好的儲(chǔ)存條件。另外浸錫工藝中由于含有致癌物質(zhì)而被限制使用。估計(jì)目前大約有5％-10％的PCB使用浸錫工藝。
五. 結(jié)束語(yǔ)
    隨著客戶要求愈來(lái)愈高，環(huán)境要求愈來(lái)愈嚴(yán)，表面處理工藝愈來(lái)愈多，到底該選擇那種有發(fā)展前景、通用性更強(qiáng)的表面處理工藝，目前看來(lái)好像有點(diǎn)眼花繚亂、撲朔迷離。PCB表面處理工藝未來(lái)將走向何方，現(xiàn)在亦無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。不管怎樣，滿足客戶要求和保護(hù)環(huán)境必須首先做到！