PCB表面处理工艺常见的热风整平、有机涂覆OSP

PCB表面处理工艺常见的热风整平、有机涂覆OSP

现在PCB表面处理工艺有很多，常见的有热风整平、有机涂层OSP、化学镀镍/沉金、沉银、沉锡和电镀镍金等工艺。

图1 电路板表面处理的类型

1.热风整平喷锡

热风整平也称为热风焊锡整平HASL（Hot Air）。 它是将熔融的锡铅焊料涂覆在PCB表面上，并用加热的压缩空气整平（吹），形成一层既能抗铜氧化又能提供良好可焊性的涂层的过程。 可焊性好，热风整平时焊料与铜在接合处形成铜锡金属间化合物。 如图1中a)所示。

热风整平时必须将PCB浸入熔化的焊料中； 气刀在焊料凝固前将液态焊料吹平； 气刀可以最大限度地减少铜表面焊料的弯月面并防止焊料桥接。 热风整平分为立式和卧式两种。 一般认为卧式较好。 主要原因是卧式热风流平涂层更均匀，可以实现自动化生产。 热风整平工艺的一般流程为：微蚀→预热→助焊剂涂覆→喷锡→清洗。

HASL焊料的厚度和焊盘的平整度（圆顶形状）难以控制，使得窄间距元件的安装变得困难。 无铅HASL用无铅金属或无铅焊料合金代替Pb-Sn。

2.有机涂层OSP

有机镀膜工艺OSP（ative）与其他表面处理工艺不同，如图1b）所示。它充当铜与空气之间的阻挡层； 有机涂层工艺简单、成本低廉，使其在工业上得到广泛应用。 早期的有机涂料分子是咪唑和苯并三唑，起到防锈剂的作用。 最新的分子主要是苯并咪唑，它是一种与 PCB 化学键合的铜氮官能团。 在后续的焊接过程中，铜表面只有一层有机涂层是不行的，必须有很多层。 这就是化学罐中通常添加铜液的原因。 第一层涂覆后，涂覆层吸附铜； 然后第二层的有机涂层分子与铜结合，直至铜表面聚集二十个甚至数百个有机涂层分子，从而保证多次循环利用。 流焊。 测试表明，最新的有机涂层工艺可以在多次无铅焊接过程中保持良好的性能。

有机镀膜工艺的一般流程为：脱脂→微蚀→酸洗→纯水清洗→有机镀膜→清洗。 工艺控制比其他表面处理工艺更容易。

3.化学镀镍/沉金ENIG

(一)工艺流程

图2 ENIG表面焊盘结构图

化学镀镍/沉金工艺的一般流程为：酸洗→微蚀→预浸→活化→化学镀镍→化学沉金。 主要有6个化学品罐，涉及近百种化学品，过程控制相对困难。

（二）申请

化学镀镍和浸金（ENIG）具有良好的可焊性，用于印刷插头（金手指）和触摸屏开关。 作为隔离层和可焊涂层，Ni要求厚度≥3um； Au是Ni的保护层。 Au可以与焊料中的Sn形成金锡共价化合物（AuSn4）。 焊点中金含量超过3%。 会使焊点变脆，过多的Au原子取代Ni原子，因为过多的Au溶入焊点（无论是Sn-Pb还是Sn-Ag-Cu）会引起“金脆”。 因此，必须限制Au层的厚度。 用于焊接的Au层厚度≤1μm（ENIG：0.05~0.3μm）。

如果镀镍过程控制不稳定，就会出现“黑垫”现象。 如图 3 中的示例所示，

图3

图中A为焊接后元件脱落的现象，可以看到焊盘发黑；

b为QFP元件焊接前电路板上的焊盘；

c：放大后，QFP对应的空焊盘变黑；

d为元件引脚、焊盘金相断面，焊接接触面出现裂纹；

e 根据焊盘的SEM扫描电镜分析，可以看出镍层中存在粗糙的空洞。

(3)“黑垫”现象产生的原因

(a) PCB焊盘镀金、镀镍结构不够致密，表面有裂纹，空气中的水分容易进入，沉金过程中的酸容易残留在镀镍层中。 镀金时，由于Ni的原子半径小于Au的原子半径，当Au原子排列沉积在Ni层上时，表面晶粒会显得粗糙、疏松、多孔，形成无数空隙，镀液会穿透这些间隙，继续与Au层下的Ni原子发生反应，导致Ni原子继续氧化，未溶解的Ni离子被困在Au层下，形成氧化镍（NixOy）。 当镍层受到过度氧化的侵蚀时，就会形成所谓的黑焊盘。

(b)镍镀层磷含量过高或过低，导致镀层耐酸腐蚀性能差，容易出现腐蚀变色，出现“黑盘”现象，使焊接性变差。 （PH值3~4为佳）

(c)镀镍后未清洗酸性镀液，Ni长期会被酸腐蚀。

(d)焊接时，作为可焊性保护层的薄Au层迅速扩散到焊料中，暴露出已过度氧化且可焊性较低的Ni层表面，这必然会导致Ni和焊料连接困难。 均匀连续的金属间化合物（IMC）的形成会影响焊点界面的结合强度，并可能导致沿焊点/镀接点表面的裂纹。 严重时会导致表面润湿不良，导致元件从PCB上脱落或镍表面变黑。 ，俗称“黑镍”。

大量研究和实际情况表明，镀层中的P含量是整个镀层质量的关键。 当P含量在7%~10%之间时，Ni层质量较好。

4. 沉银

沉银工艺（ ）如图1中d）所示。它介于有机镀层和化学镀镍/沉金之间。 过程比较简单、快捷； 它不像化学镀镍/沉金那么复杂，也不适合PCB。 它是一层厚厚的铠甲，但仍然提供良好的电气性能。 银仅次于金，即使在受热、潮湿和污染的情况下也能保持良好的可焊性，但会失去光泽。 沉银不具备化学镀镍/沉金的良好物理强度，因为银层下面没有镍。 此外，浸银还具有良好的保存性能。 浸银数年组装不会出现大问题。

浸银是一种置换反应，它几乎是纯银的亚微米涂层。 有时沉银工艺中还含有一些有机物，主要是为了防止银腐蚀和消除银迁移问题； 一般很难测量这层薄薄的有机物，分析表明有机物的重量小于1%。

5.浸锡

浸锡（Tin），如图1中的e）所示。由于目前所有的焊料都是锡基的，因此锡层可以与任何类型的焊料相匹配。 从这一点来看，浸锡工艺具有很大的发展前景。 然而，以前的PCB在浸锡工艺后会出现锡须。 焊接过程中的锡须和锡迁移会导致可靠性问题，因此浸锡工艺的采用受到限制。 后来在浸锡液中加入了有机添加剂，使锡层结构呈颗粒状，克服了之前的问题，同时还具有良好的热稳定性和可焊性。

浸锡工艺可以形成扁平的铜锡金属间化合物。 这一特性使得沉锡具有与热风整平同样良好的可焊性，而无需担心热风整平令人头疼的平整度问题； 浸锡也没有化学镀镍。 /浸金金属之间的扩散问题——铜锡金属间化合物可以牢固地结合在一起。 浸锡板不能存放太久，必须按浸锡顺序组装。

6.电镀镍金

电镀镍金（/Gold）是PCB表面处理技术的鼻祖。 它自PCB出现以来就出现了，此后逐渐演变为其他方法。 如图7-17中f)所示。 是先在PCB表面导体上镀一层镍，然后再镀一层金。 镀镍主要是为了防止金和铜之间的扩散。 现在电镀镍金有两种：镀软金（纯金，金表面看起来不亮）和镀硬金（表面光滑坚硬，耐磨，含有钴等元素，金表面看起来更亮）。 软金主要用于芯片封装时的金布线； 硬金主要用于非焊接区域的电气互连。

考虑到成本，业界常通过图像转移进行选择性电镀，以减少金的使用。 目前，选择性镀金在行业中的使用持续增加，主要是由于化学镀镍/沉金工艺控制难度较大。

一般情况下，焊接会导致电镀金变脆，从而缩短使用寿命，因此应避免在电镀金上焊接； 然而，在化学镀镍/浸金中，由于金非常薄且一致，因此很少发生脆性。

7、其他表面处理工艺

其他表面处理工艺很少采用。 我们来看一下应用比较广泛的化学镀钯工艺。