消除PCB沉銀層有哪些方法？

中信華

    一、目前現(xiàn)狀

5 r7 T! [7 w8 w8 j    因?yàn)橛≈凭�路板完成裝配后不能重工，所以因微空洞而報(bào)廢所造成的成本損失最高。雖然其中有八個(gè)PWB制造廠商因?yàn)榭蛻敉思�而注意到了該缺陷，但是此類缺陷主要還是由裝配廠商提出。
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    可焊性問題根本沒有被PWB制造廠商報(bào)告過，只有三家裝配廠商誤將發(fā)生在內(nèi)部有大散熱槽/面的高縱橫比(HAR)厚板上的”縮錫”問題(是指在波峰焊后焊錫只填充到孔深度的一半)歸咎于沉銀層。經(jīng)由原始設(shè)備商(OEM)針對(duì)此問題更深入的研究驗(yàn)證,此問題完全是由于線路板設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的可焊性問題,與沉銀工藝或其他最終表面處理方式無關(guān)。

0 o2 q. b1 s/ N    二、根本原因分析
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1 \) ?+ ^3 v" C3 {1 w    通過對(duì)造成缺陷的根本原因分析，可經(jīng)由工藝改善和參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合的方式將這些缺陷率降到最低。賈凡尼效應(yīng)通常出現(xiàn)在阻焊膜和銅面之間的裂縫下。在沉銀過程中，因?yàn)榱芽p的縫隙非常小，限制了沉銀液對(duì)此處的銀離子供應(yīng)，但是此處的銅可以被腐蝕為銅離子，然后在裂縫外的銅表面上發(fā)生沉銀反應(yīng)。

4 S0 W1 \: b: Y7 b    因?yàn)殡x子轉(zhuǎn)換是沉銀反應(yīng)的源動(dòng)力，所以裂縫下銅面受攻擊程度與沉銀厚度直接相關(guān)。2Ag++1Cu=2Ag+1Cu++(+是失去一個(gè)電子的金屬離子)下面任何一個(gè)原因都會(huì)形成裂縫：側(cè)蝕/顯影過度或阻焊膜與銅面結(jié)合不好；不均勻的電鍍銅層(孔口薄銅處)；阻焊膜下基材銅上有明顯的深刮痕。
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    腐蝕是由于空氣中的硫或氧與金屬表面反應(yīng)而產(chǎn)生的。銀與硫反應(yīng)會(huì)在表面生成一層黃色的硫化銀(Ag2S)膜，若硫含量較高，硫化銀膜最終會(huì)轉(zhuǎn)變成黑色。銀被硫污染有幾個(gè)途徑，空氣(如前所述)或其他污染源，如PWB包裝紙。銀與氧的反應(yīng)則是另外一種過程，通常是氧和銀層下的銅發(fā)生反應(yīng)，生成深褐色的氧化亞銅。
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. X# ^0 m0 h2 l' T% @" f    這種缺陷通常是因?yàn)槌零y速度非�？�，形成低密度的沉銀層,使得銀層低部的銅容易與空氣接觸，因此銅就會(huì)和空氣中的氧產(chǎn)生反應(yīng)。疏松的晶體結(jié)構(gòu)的晶粒間空隙較大，因而需要更厚的沉銀層才能達(dá)到抗氧化。這意味著生產(chǎn)中要沉積更厚的銀層從而增加了生產(chǎn)成本，也增加了可焊性出現(xiàn)問題的機(jī)率，如微空洞和焊接不良。

) ^# U2 @0 O) G0 j2 u    露銅通常與沉銀前的化學(xué)工序有關(guān)。這種缺陷在沉銀工藝后顯現(xiàn),主要是因?yàn)榍爸瞥涛赐耆�去除的殘留膜阻礙了銀層的沉積而產(chǎn)生的。最常見的是由阻焊工藝帶來的殘留膜。它是在顯影液中顯影未凈所致，也就是所謂的“殘膜”，這層殘膜阻礙了沉銀反應(yīng)。機(jī)械處理過程也是產(chǎn)生露銅的原因之一,線路板的表面結(jié)構(gòu)會(huì)影響板面與溶液接觸的均勻程度，溶液循環(huán)不足或過多同樣會(huì)形成不均勻的沉銀層。
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+ U( Z0 O4 {# K    離子污染線路板表面存在的離子物質(zhì)會(huì)干擾線路板的電性能。這些離子主要來自沉銀液本身(殘存在沉銀層或在阻焊膜下)。不同沉銀溶液離子含量不同，離子含量越高的溶液，在同樣的水洗條件下，離子污染值越高。
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& I  N8 @) p) Z" S( U    沉銀層的孔隙度也是影響離子污染的重要因素之一，孔隙度高的銀層容易殘存溶液中的離子，使得水洗的難度增大，最終會(huì)導(dǎo)致離子污染值的相應(yīng)升高。后水洗效果同樣會(huì)直接影響離子污染，水洗不充分或水質(zhì)不合格都會(huì)引起離子污染超標(biāo)。

    微空洞通常直徑小于1mil，位于焊料和焊接面之間的金屬界面化合物之上的空洞被稱為微空洞，因?yàn)樗鼘?shí)際上是焊接面的“平面空泡群”，所以極大的減小了焊接結(jié)合力。OSP、ENIG以及沉銀表面都會(huì)出現(xiàn)微空洞，其形成的根本原因尚未明確，但已確認(rèn)了幾個(gè)影響因素。盡管沉銀層的所有微空洞都發(fā)生在厚銀(厚度超過15μm)表面，但并非所有的厚銀層都會(huì)發(fā)生微空洞。當(dāng)沉銀層底部的銅表面結(jié)構(gòu)非常粗糙時(shí)更容易產(chǎn)生微空洞。
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2 O, o  f; V2 }! Q; [    微空洞的發(fā)生似乎也與共沉積在銀層中的有機(jī)物的種類及成分有關(guān)。針對(duì)以上所述之現(xiàn)象，原始設(shè)備廠商(OEM)、設(shè)備生產(chǎn)服務(wù)商(EMS)、PWB制造廠商以及化學(xué)品供應(yīng)商進(jìn)行了數(shù)個(gè)模擬條件下焊接研究,但沒有一個(gè)能夠徹底消除微空洞。

9 g' u) @" j% `3 Q1 z    三、預(yù)防措施

    預(yù)防措施的制訂需要考量實(shí)際生產(chǎn)中化學(xué)品和設(shè)備對(duì)各種缺陷的貢獻(xiàn)度，才能避免或消除缺陷并提升良品率。賈凡尼效應(yīng)的預(yù)防可以追溯到前制程的鍍銅工序，對(duì)高縱橫比孔和微通孔而言，均勻的電鍍層厚度有助于消除賈凡尼效應(yīng)的隱患。剝膜，蝕刻以及剝錫工序中的過度腐蝕或側(cè)蝕都會(huì)促使裂縫的形成，裂縫中會(huì)殘留微蝕溶液或其他溶液。

6 [8 z# a* M! d1 q2 P    盡管如此，阻焊膜的問題仍是發(fā)生賈凡尼效應(yīng)的最主要原因，大多數(shù)發(fā)生賈凡尼效應(yīng)的缺陷板都有側(cè)蝕或阻焊膜脫落現(xiàn)象，這種問題主要來自于曝光顯影工序。因此如果阻焊膜顯影后都呈“正向腳”同時(shí)阻焊膜也被完全固化，那么賈凡尼效應(yīng)問題就幾乎可以被消除。要得到好的沉銀層，在沉銀的位置必須是100%金屬銅，每個(gè)槽溶液都有良好的貫孔能力，而且通孔內(nèi)溶液能夠有效交換。
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& B/ a3 i7 u; j/ o6 W) i. j; O6 O/ D    若是非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)，如HDI板，在前處理和沉銀槽液中安裝超聲波或噴射器非常有用。對(duì)于沉銀工藝生產(chǎn)管理而言，控制微蝕速率形成光滑、半光亮的表面也可以改善賈凡尼效應(yīng)。對(duì)于原始設(shè)備商(OEM)而言，應(yīng)盡量避免大銅面或高縱橫比的通孔與細(xì)線路相連接的設(shè)計(jì)，消除發(fā)生賈凡尼效應(yīng)的隱患。對(duì)化學(xué)品供應(yīng)商而言，沉銀液不能有很強(qiáng)的攻擊性，要保持適當(dāng)pH值，沉銀速度受控并能生成預(yù)期的晶體結(jié)構(gòu)，能以最薄銀厚達(dá)到最佳的抗蝕性能。

- \' C0 U0 v" w  [, Z/ Q    腐蝕可以通過提高鍍層密度，降低孔隙度來減小。使用無硫材料包裝,同時(shí)以密封來隔絕板與空氣的接觸，也防止了空氣中夾帶的硫接觸銀表面。最好將包裝好的板存放在溫度30℃、相對(duì)濕度40%的環(huán)境中。雖然沉銀板的保存期很長，但是存儲(chǔ)時(shí)仍要遵循先進(jìn)先出原則。
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6 x& r$ X" _+ Y/ J" d, b9 J    露銅可以通過優(yōu)化沉銀的前工序來降低或消除。為了達(dá)到這個(gè)目的，可在微蝕后通過“破水”實(shí)驗(yàn)或“亮點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)來檢查銅表面，清潔的銅表面可以保持水膜至少40秒。定期維護(hù)保養(yǎng)設(shè)備以確保溶液循環(huán)均勻穩(wěn)定，通過DOE優(yōu)化時(shí)間、溫度、攪拌來獲得最佳的沉銀操作參數(shù)，進(jìn)而確保得到理想的厚度和高品質(zhì)的銀層。

( |. e  U& I1 t& _) Y: m( c9 E7 g: y    根據(jù)需要使用超聲波或噴射器來提高沉銀液對(duì)微通孔、高縱橫比孔及厚板的潤濕能力，同時(shí)也為生產(chǎn)HDI板提供可行的解決方案，這些輔助的機(jī)械方法可被應(yīng)用在前處理和沉銀液中來確保孔壁完全被潤濕。
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    離子污染可通過降低沉銀溶液的離子濃度來降低�；�于這個(gè)原因,在不影響溶液性能的條件下，沉銀液的離子含量應(yīng)盡可能保持在較低水平。通常最后的清洗段要用去離子水清洗至少1分鐘，同時(shí)還必須定期檢測離子含量(陰離子和陽離子)是否符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。區(qū)別主要污染的來源，這些測試的結(jié)果必須記錄并保留。
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    微空洞是最難預(yù)防的一種缺陷，因?yàn)樗�產(chǎn)生的真正原因尚未明確。誠如前面所述，我們已經(jīng)知道有些因素似乎會(huì)引發(fā)微空洞或伴隨微空洞而出現(xiàn)，可以通過消除或盡量減少這些因素來達(dá)到控制出現(xiàn)微空洞問題。其中沉銀厚度是引發(fā)微空洞的最顯著因素，所以控制沉銀層厚度是首要步驟。其次還應(yīng)該調(diào)整微蝕速度和沉銀速度以獲得光滑均勻的表面結(jié)構(gòu)。還要通過測試槽液在使用周期內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)的沉銀層的純度，來監(jiān)控沉銀層中的有機(jī)物含量，合理的銀含量應(yīng)控制在90%(原子比)以上。
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    四、理想工藝-AlphaSTAR
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5 [# U4 U2 i) J7 q. n0 P+ t/ i# l    一個(gè)“理想工藝”除了是性能優(yōu)異之外，還必須滿足2006年7月1日公布的電子工業(yè)對(duì)于安全、環(huán)保以及可靠性的要求。雖然早在1994年樂思化學(xué)就擁AlphaLEVEL產(chǎn)品系列的專利權(quán)，但是樂思化學(xué)依舊持續(xù)不斷的進(jìn)行著工藝的改善和研發(fā)，現(xiàn)已成功研發(fā)出應(yīng)用于印制線路板的第三代沉銀技術(shù)—AlphaSTAR。AlphaSTAR工藝特別為滿足當(dāng)今日益嚴(yán)格的最終表面處理的要求而設(shè)計(jì)，它解決了以上探討的幾個(gè)導(dǎo)致線路板報(bào)廢、成本增加、環(huán)保和安全等問題，并且符合現(xiàn)在和未來可能影響印制線路板工業(yè)的相關(guān)法規(guī)。本工藝共有7個(gè)步驟(其中三個(gè)為水洗步驟),其性能及優(yōu)點(diǎn)如下所述:
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+ y0 O% j  F& L8 v    前處理分為以下四個(gè)步驟：除油、水洗、微蝕及水洗。除油溶液的表面張力非常低，能夠潤濕所有的銅表面，這樣既消除了露銅問題，又促進(jìn)了銀層在高縱橫比孔和微通孔內(nèi)的沉積。獨(dú)特的微蝕配方可產(chǎn)生微粗化，半光亮的表面結(jié)構(gòu)，這樣的表面結(jié)構(gòu)有利于形成具有精細(xì)而且致密的晶體結(jié)構(gòu)的銀層，因此即使在銀層厚度很低時(shí)也可獲得高密度、低孔隙的沉銀層。這就大大提高了銀層的抗蝕性能。
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. ^, q# \1 Y2 r    沉銀分為以下三個(gè)步驟：預(yù)浸、沉銀和最后的去離子水洗。設(shè)立預(yù)浸的目的有三個(gè)，一是用作犧牲溶液，防止從微蝕槽帶進(jìn)銅和其他物質(zhì)污染沉銀液，二是為沉銀置換反應(yīng)提供清潔的銅面，使銅面獲得與沉銀液中相同的化學(xué)環(huán)境和pH值。由于預(yù)浸的成分和沉銀液一樣(除了金屬銀外)，此工序的第三個(gè)功能就是對(duì)沉銀槽的自動(dòng)補(bǔ)充。在沉銀反應(yīng)中唯一消耗的是金屬銀，沉銀液中有機(jī)組分含量的變化僅僅是由槽液帶出所造成的損失，而預(yù)浸和沉銀溶液有同樣的成分，預(yù)浸帶進(jìn)的量等于沉銀帶出的量，因此沉銀液不會(huì)積聚不必要的有機(jī)物。

8 ~, R8 Z! R+ u, K" `$ X9 \    沉銀反應(yīng)是通過銅和銀離子之間的置換反應(yīng)進(jìn)行的。經(jīng)過AlphaSTAR微蝕溶液微粗化處理的銅表面，可以確保在受控的沉銀速度下能夠緩慢生成均勻一致的沉銀層。慢的沉銀速度有利于沉積出致密的晶體結(jié)構(gòu)，避免了由于沉淀和結(jié)塊而產(chǎn)生的微粒增長，形成高密度的銀層。這種結(jié)構(gòu)緊密，厚度適中(6-12u”)的銀層不僅具有高的抗蝕性能，同時(shí)也具有非常良好的導(dǎo)電性能。沉銀液非常穩(wěn)定，有很長的使用周期,對(duì)光和微量鹵化物不敏感。AlphaSTAR的其他優(yōu)點(diǎn)如:大大縮短了停工期，低離子污染以及設(shè)備成本低。
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