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常用無鉛鍍層技術探討2011年09月07日

市場上出現各種的無鉛鍍層材料和技術。而一般也各有各的強弱點。例如Ni/Au在保護性能方面有很好的性能,但卻存在成本很高、庫存壽命較低以及IMC影響可靠性的問題。OSP具有成本、加工溫度低和工藝容易的優勢,但質量的穩定性、庫存壽命和對Flux的兼容性上卻是用戶所擔心的。基本來說,沒有一種技術是具備絕對優勢的。如果從整體較平衡的角度來評估的話,ImAg似乎較具有優勢。這就是近來ImAg被美國為主的用戶所歡迎的原因。尤其是當其成本下降之后,已成為具有很大發展潛能的技術。
  HASL熱風整平:由于成本低和使用習慣而受歡迎,日本較看好這技術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展。主要基于其平整度問題、高溫加工問題以及工藝對員工有健康風險等考慮。HASL能夠提供和焊料合金完全匹配的材料,有很好的潤濕性。但它會有IMC增長以及對PCB綠油不利等問題。所以發展情況不是很肯定,是否最終會被廣泛接受,得看大多數用戶對工藝和質量的敏感程度,OSP和ImAg的成本競爭狀況,以及用戶們是否能夠舍棄這傳統的工藝而定。
  ImAg化學沉銀:在常用技術中,ImAg相對是門較新的技術,而其被看好也是最近幾年的事。ImAg在各方面都表現不錯,是個表現“均衡”的技術。加上其加工技術上的改善,使成本得以下降,雖然仍高于HASL和OSP技術,但低于ImSn和ElectrolessSn,尤其低于Ni/Au許多能夠處理Ni/Au在鍵合以及接觸點的應用上,使這技術被業界看好,有很大的發展潛能。
  ImAg技術上的好處包括平整度高,導電性強,IMC(Ag3Sn)較其他鍍層材料的IMC堅固,加工溫度低(一般46度),潤濕性好以及庫存壽命長等等。純Sn技術:采用純錫的最大好處是和一般含Sn量高的無鉛焊料焊接后沒有IMC的問題。但焊盤(銅)鍍層加工后形成的SnCu層增長很快,造成庫存壽命不長。在早期,純錫鍍層的質量很不穩定而曾經一度不受歡迎。近來在工藝上的改進(使用“白錫”和所謂的“FST”)使這門技術又開始被接受。有些供應商甚至認為它將成為無鉛技術中PCB鍍層技術的主流。不過這必須在Whisker,鍍層加工后的IMC增長,以及錫瘟等顧慮得到較好的處理后才可能出現。
  鍍純錫技術以所有三種常見工藝出現。即電鍍、無電極電鍍、以及浸鍍技術。無電極電鍍技術,由于Electroplated電鍍純錫技術中存在的金屬須以及鍍層厚度不均等問題而取代它。新的Electoplating電鍍純錫技術,有報告說通過電鍍液配方造出較大多邊形結晶顆粒結構以及采用‘白錫’,可以防止金屬須的產生。加上其相對簡單的工藝,使Electroplating技術又再抬頭。ImSn由于成本低和工藝簡單,在純錫鍍層中的應用已經廣泛。ImSn在焊接工藝上被認為是表現最接近SnPb技術的(無鉛技術中所有的材料工藝表現都不如傳統的錫鉛材料),但由于浸鍍技術對厚度的控制能力不強,鍍層厚度一般只有1.5um或以下。這使這門技術的庫存壽命受到較大的威脅。

近來出現的另外一種新技術,是在浸錫前在焊盤表面鍍上一層‘有機金屬’。實驗證明這工藝能夠減小純錫應用中IMC層的增長速度。使純錫應用的地位又進一步得到提升。

  Ni/Au技術:Ni/Au技術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有底層的Cu溶蝕現象);庫存壽命長;容易和多數焊劑兼容;Ni層能夠阻止Cu溶蝕入焊點的Sn中而形成對焊點不利的合金,對焊點壽命有利(但Au對焊點不利而必須給于量上的控制)。Ni/Au的弱點是成本高,以及不適用于所有綠油。而且Au鍍層厚度以及后續焊接工藝的控制不好時會造成焊點可靠性的損失問題。
  常用的Ni/Au電鍍技術有無電極電鍍ElectrolessNi/Au(簡稱ENEG)和ElectrolessNi/ImAu(簡稱ENIG)兩種。其中ENIG使用較多,Electroless技術其次,市場上雖然也有有電極的ElectroplatedNi/Au但供應較少。焊點可靠性方面,Ni/Au由于Au和IMC特性的關系,一般不如其他鍍層材料技術。Au鍍層厚度是個質量控制的要點,而這又必須在庫存壽命和可靠性的矛盾需求之間找到平衡點。此外,無電極電鍍技術的焊點可靠性也差于有極電鍍。這是因為工藝中固有的‘磷’含量的影響。在無電極電鍍中,當焊點形成后,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層之間的結合力很脆弱,是焊點的強度受到影響。所以無電極電鍍技術的焊點一般不如有電極電鍍技術。不過在實際經驗中業界也發現,在無鉛焊接中如果使用SAC焊料,其中的Cu成分在Ni和Sn之間形成CuNiSn的IMC層。這有助于加強焊點的壽命,是其接近有電極電鍍技術的能力。而在比較OSP、HASL、ImAg、和Ni/Au可靠性的試驗中也發現,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由于CuNiSn層的出現而變得更可靠。
  業界使用最廣的Ni/Au技術是ENIG技術。也就是先對焊盤進行無電極電鍍鎳層后,再進行浸鍍金的做法。ENIG有工藝較簡單的優勢。但金的鍍層厚度不能隨意控制,而且業界都已經知道其質量不如Electroplated和ENEG技術。常出現的問題有“鍍層針孔”、黑斑、“黑Pad”、綠油脆化、漏鍍、高磷IMC層、AuSn4沉淀等。其中有些問題的機理還沒有完全被了解。不過ENIG有個重要的強點,就是使用在高密度和多I/O板上。因為這類板需要很多的通接孔和層次多,細而長的通接孔形狀不利于有電極電鍍工藝,采用ENIG工藝可以確保較好的壽命。
  OSP有機保護膜技術:OSP技術早期在日本十分受歡迎,在市場調查中,有約4成的單面板使用這種技術,而雙面板也有近3成使用它。在美國,OSP技術也在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,它實際上已經有超過35年,比SMT歷史還長。OSP具備許多好處,例如平整面好,和焊盤的銅之間沒有IMC形成,允許焊接時焊料和銅直接焊接(潤濕性好),低溫的加工工藝,成本低(可低于HASL),加工時的能源使用少等等。
  OSP有三大類的材料:松香類(Rosin),活性樹脂類(ActiveResin)和唑類(Azole)。目前使用最廣的是唑類OSP。唑類OSP已經經過了約5代的改善,這五代分別名為BTA,IA,BIA,SBA和最新的APA。早期的BTA類對濕度敏感,庫存壽命很短(3個月),不能承受多次加熱,而且需要較強的焊劑,所以性能不是很好。一直到70年代有日本開發的第三代BIA類OSP后才有較顯著的改善。美國市場也在80年代開始采用這類OSP,同時被正在發展的SMT所接受。不過BIA的耐熱性仍然是個弱點。目前仍然有供應商提供BIA類的OSP,但逐漸在為新一代的SBA所取代。
  SBA是1997年的研發成果,有美國IBM推出而后得到在OSP技術上享有盛名的日本“四國化學”公司的改善。在保護性和耐熱性有顯著的加強。其耐熱性已經可以承受3次的回流處理(但多次加熱后需要較強的焊劑)。SBA是目前OSP供應的主流。成本低于傳統的HASL,所以在錫鉛時代已經被大量的使用,尤其是單面板上。在雙面回流板以及混裝板工藝應用上卻仍然有些顧慮。
  隨著無鉛技術的推進,OSP技術,即使是較好的SBA技術,將不能很理想的支持無鉛的高溫環境和可能出現的多次焊接。在不斷研究中,業界有出現了更新更好的技術。這就是最新一代的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,無需較強的助焊劑。它還有一個好處,就是不沾金。這允許使用在需要‘金手指’應用的板上,加工時不需要覆蓋(Masking)工藝。這類OSP的出現給業界帶來了好消息。

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