無鉛器件電鍍層的性能和成本比較

電鍍是利用電解作用在機械制品上沉積出附著良好的、但性能和基體材料不同的金屬覆層的技術(shù)。電鍍層比熱浸層均勻，一般都較薄，從幾個微米到幾十微米不等。通過電鍍，可以在機械制品上獲得裝飾保護性和各種功能性的表面層，還可以修復(fù)磨損和加工失誤的工件。鍍層大多是單一金屬或合金，如鈦靶、鋅、鎘、金或黃銅、青銅等；也有彌散層，如鎳-碳化硅、鎳-氟化石墨等；還有覆合層,如鋼上的銅-鎳-鉻層、鋼上的銀-銦層等。無鉛電鍍中，電鍍層大體有五種，本文中我們將著重分析這些無鉛電鍍層的性能和成本，以及毛刺的處理。

　　一、  五種外部鍍層分析
　　對現(xiàn)有資料進行研究，并通過與知名組織(如iNEMI和JEDEC)交流互動對電子產(chǎn)業(yè)進行評估，任何器件制造商均可從眾多無鉛鍍層解決方案中精選出若干方案。安森美半導(dǎo)體首先考慮了五種外部鍍層，每一種解決方案都有優(yōu)勢和劣勢。這五種外部鍍層包括：錫-銀(Sn-Ag)鍍層、錫-鉍(Sn-Bi)鍍層、錫-銅(Sn-Cu)鍍層、預(yù)鍍鎳-鈀-金(Ni-Pd-Au)引腳框架和純霧錫(Pure matte tin)鍍層。

　　1、  Sn-Ag鍍層的錫含量約為3.5%，具有良好的可焊性和機械屬性。但是Sn-Ag鍍層容易產(chǎn)生錫毛刺，這是所有高錫含量替代方案的主要可靠性風(fēng)險。由于材料成本較高，并且鍍浴(plating bath，電鍍?nèi)芤?控制程序復(fù)雜，Sn-Ag鍍層比較昂貴。從“總擁有成本”的角度考慮，Sn-Ag鍍層并不能作為一種完全可行的選擇。
　　自2000年以來， Sn-Bi作為引腳鍍層已在日本得到廣泛應(yīng)用，因此人們開始對其密切關(guān)注。當(dāng)鉍含量為3%時，Sn-Bi的熔點約為220℃，選擇該鍍層肯定可行。但是Sn-Bi 材料易碎，鍍層控制復(fù)雜，而且它會產(chǎn)生錫毛刺。關(guān)于鉍的真實毒性也有疑問，且含鉛焊料后向兼容性問題仍存在爭議。內(nèi)部篩選實驗和研究確認了這些Sn-Bi問題的存在，所以這種鍍層只能作為臨時解決方案。

　　2、  Sn-Cu鍍層可形成一種銅含量為0.7%的高強度低熔點合金，其熔點為227℃。此鍍層的價格相對低廉，且具有良好的可焊性。但是Sn-Cu容易產(chǎn)生錫毛刺，甚至合金成份的微小改變就會大大改變共晶溫度。由于精確控制鍍層成份困難，且Sn-Cu引腳加工與合金(Alloy)42引腳框架不兼容，所以該系統(tǒng)不能作為一種可行的解決方案。

　　3、  預(yù)鍍的Ni-Pd和Ni-Pd-Au引腳框架作為無鉛焊接的一種可選方案，于1989年首先由德州儀器(TI)引進。其主要優(yōu)勢在于該技術(shù)適于商業(yè)應(yīng)用，且封裝工藝得以簡化。但是對大批量產(chǎn)品應(yīng)用而言，Ni-Pd-Au解決方案不具備優(yōu)勢，主要原因在于其成本較高，而且根據(jù)現(xiàn)有資料記錄，該方案存在可靠性問題。此外，鍍層在彎曲時會發(fā)生斷裂，而且在焊接、引線接合和成模時也存在問題。鈀和金成本高且難以預(yù)計，引腳框架的供貨商數(shù)量也有限，這些都是該方案的劣勢所在。由于此鍍層系統(tǒng)與Alloy 42引腳框架不兼容，其應(yīng)用范圍進一步受限。因此，對于大批量生產(chǎn)線而言，這種解決方案不是一種可行的備選方案。

　　4、  純霧錫是大批量半導(dǎo)體制造商鍍層應(yīng)用的首選。其原因眾多：對于各種引腳框架而言，霧錫工藝不僅具有良好焊接特性，而且它是一種低成本解決方案，不存在Sn-Ag、Sn-Bi和Sn-Cu系統(tǒng)中的雙合金成份控制問題。

　　5、  霧錫解決方案得以廣泛應(yīng)用的另一個關(guān)鍵因素是其供應(yīng)充足，此因素與上述技術(shù)密切相關(guān)。霧錫最重要的一個優(yōu)勢可能在于它可與含鉛焊料后向兼容。鑒于世界上很許多無鉛政策在執(zhí)行上存在延遲，這種后向兼容仍較為重要。
　　由于安森美半導(dǎo)體在特定應(yīng)用中使用霧錫有很長的歷史，因此霧錫工藝解決方案已成為大多數(shù)需要無鉛外部鍍層的產(chǎn)品的首選。

　　二、  降低鍍層毛刺的措施
　　上面討論了鍍層成份的選擇問題，現(xiàn)在我們將重點探討可降低風(fēng)險的策略，方案必須可以有效地解決與該鍍層形成錫毛刺相關(guān)的可靠性問題。

　　研究表明，下列四種方案是減少錫毛刺產(chǎn)生的最可行解決方案：對霧錫鍍層進行退火，增加霧錫鍍層的厚度，在引腳鍍層中加入鎳阻擋層(barrier)，對錫鍍層進行回流。

　　就減少毛刺的問題而言，成本效益最高的方案是對鍍錫層進行退火。大量研究表明，在銅襯底上對錫鍍層進行退火可以大大減少毛刺的產(chǎn)生。具體操作方法是在溫度為150℃下，對錫鍍層進行一小時的退火。根據(jù)現(xiàn)有的資料記載，在鍍層操作完成后24小時內(nèi)對錫鍍層進行退火較為有效。

　　從資料中我們可以清楚了解，盡管錫鍍層的最佳厚度尚不清楚，錫沉積越厚，越不容易產(chǎn)生毛刺。根據(jù)資料中提供的參考數(shù)據(jù)，安森美半導(dǎo)體方案中的錫鍍層仍將集中介于7.5至12.5微米之間。我們相信，該方案可以在不影響鍍層質(zhì)量的前提下，減少毛刺，提高成本效益。

　　另一種被廣泛認可的減少毛刺方案是在鎳阻擋層上加入錫鍍層。然而，在鍍層上加入鎳會使許多產(chǎn)品的成本增加，在市場上失去價格競爭力。此外，眾所周知，盡管鎳阻擋層會使毛刺產(chǎn)生的時間增加，但這很大程度上取決于所使用的錫鍍浴類型。大家普遍認為，鎳之所以可以減少毛刺產(chǎn)生，原因在于它會對錫鍍層中的應(yīng)力產(chǎn)生影響。
　　由于使用鍍鎳減少毛刺的產(chǎn)生取決于所使用的錫鍍浴，安森美半導(dǎo)體采用的對策側(cè)重于選擇基于甲基硫酸(MSA)的錫鍍層化學(xué)方法。MSA電鍍化學(xué)方法不僅可以控制錫鍍層中產(chǎn)生的應(yīng)力，而且可以產(chǎn)生一種不易產(chǎn)生毛刺的鍍層。

　　另一種減少毛刺的方案是在錫熔點232℃以上進行錫回流，但是這種處理方法的有效性尚不清楚。因此，錫回流不能作為減少毛刺產(chǎn)生的工藝。但是，安森美半導(dǎo)體采用的方案包括了采用回流測試作為確定總體霧錫工藝有效性的方法。這種方法在很大程度上重復(fù)了最后的封裝工藝。
　　需要對所有含大量錫的鍍層進行持續(xù)測試和檢查，以確保毛刺的產(chǎn)生得以控制。用于錫毛刺評估的測試條件和檢查程序在過去幾年中發(fā)生了重大變化，可以將其看作是一個變化的目標(biāo)。JEDEC和iNEMI的動議已經(jīng)帶動了越來越多的標(biāo)準(zhǔn)化工作，以確定進行上述評估所運用的方法。安森美半導(dǎo)體將嚴(yán)格遵守JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD22A121中的建議。該標(biāo)準(zhǔn)不僅要求對特定的溫度循環(huán)、環(huán)境溫度/濕度儲存和高溫/高濕度存儲進行測試，還規(guī)定了所需的錫毛刺檢查程序。

　　除了監(jiān)測當(dāng)前的電鍍化學(xué)方法外，還將在這些新近議定并得以標(biāo)準(zhǔn)化的JEDEC測試條件下進行實驗，以便將樣品組錫毛刺與下列屬性相比較。
　　1. 霧錫鍍層的厚度范圍為5至15微米；
　　2. 回流與不回流的比較；
　　3. 銅引腳框架與鍍銅Alloy 42引腳框架的比較；
　　4. 基于MSA的不同錫鍍浴化學(xué)成分。

　　三、  結(jié)束語
　　龍芯世紀(jì)PCB事業(yè)部一直在無鉛電鍍工藝的技術(shù)提升中做著不懈努力，我公司引進設(shè)備，研發(fā)使用了半自動直線電鍍線，逐步淘汰了手工業(yè)工作方式，現(xiàn)在基本杜絕了電鍍質(zhì)量事故的發(fā)生。世紀(jì)芯反向技術(shù)研究中心是目前國內(nèi)最具技術(shù)實力和影響力的IC與軟件解析的反向研究機構(gòu),擁有國際領(lǐng)先的技術(shù)解析設(shè)備、專用的算法解析軟件、和技術(shù)精湛的專業(yè)研發(fā)團隊，能依據(jù)客戶提供的完好樣板/樣機的克隆、芯片解密，并承諾與原PCB電路100%相同。