新型沉银工艺的生产经验及特性连载

摘要

　　延续本文作者之前对最新化学沉银工艺特性的简介，本文着重于介绍该工艺配合水平线作业的生产经验以及该化学沉银工艺的稳定性。同时文章也讨论了目前在一般化学沉银工艺中共有的几个可靠性问题，如“贾凡尼效应”，焊接点强度以及BGA 焊盘粘合的完整性。研究表明阻焊油墨的侧蚀不是发生“贾凡尼效应”的必要条件，沉银厚度才是最直接的原因。在锡铅和SAC305 合金焊接面的剪切强度与沉银厚度（0.05 – 0.5 μm）和无铅回流焊处理无关。在BGA 焊接点中没有发现降低焊接强度和可靠性的“平面”微空洞。

　　简介

　　为了满足电子工业对于禁用铅的迫切要求，印刷电路板（PWB）工业正逐步将最终表面处理从锡铅热风整平转移到其他表面处理，如沉银、沉锡、化学沉镍金以及有机保护膜（OSP [1]。其中，沉银工艺由于它的优异性能及合理的成本，被认为是最佳的选择。新型沉银工艺的一般特性已在[2,3]叙述。本文着重探讨水平线的生产经验，该工艺的稳定性以及现有沉银工艺共有的几个可靠性问题，如细线路的“贾凡尼效应”、焊接点強度及BGA 焊盘粘合的完整性。

　　实验

　　沉银工艺的稳定性是通过监控在水平生产线的产品来评估（工艺步骤如表1 所示）。作为前处理步骤的除油段和微蚀段对于控制沉银层的外观很重要，总微蚀深度大约为1 – 2 μm，该微蚀深度与铜面实际状况有关。

　　铜线路上“贾凡尼效应”的发生趋势是通过在水平生产线上处理沉银测试板来评估。首先，测试板以 1 米/分的正常线速进行沉银处理，(停留时间为2.5 分钟)，沉银厚度为0.25 μm（在尺寸为1.9 x 1.9 mm 的焊盘上测量）。其次，测试板在预浸段前使用和第一次相同的生产条件，但在沉银段的线速度减为0.5 米/分，(停留时间为5 分钟)，沉银厚度为0.48 μm。在阻焊油墨剥除之前和之后用电子显微镜检查铜线路被咬蚀的状况來決定“贾凡尼效应”。

　　焊接点的结合力用剪切测试来测量。在有BGA 焊盘（直径为0.5 mm）的测试板上分别鍍0.05、0.2 和0.5 μm 厚的银，然后将测试板在最高温度262 °C 下进行3 次无铅回流焊处理，再分别将Sn63Pb37 和SAC305 錫球（直径为0.76 mm）用与之相匹配的焊膏焊接在BGA 焊盘上。最后用Dage PC-400 推力测试仪（如图1 所示）以200 μm/sec 的速度完成剪切测试。

　　BGA 焊盘粘合的完整性是使用Nicolet 图象系统在55 KV、30 μA 下的X 光测量。该系统利用X 光穿透力强、无破坏并且可以在显示屏上形成图象的特性，可以观察物体的内部结构。从图象可观察到物体是否有隐藏的缺陷或内部不规则，如比较组件和印刷电路板之间焊接结合处零缺陷和其他缺陷的百分比；也可以和样品的横截面作对比。

结果及讨论
　　生产经验

　　以一个完整槽液寿命周期的生产经验为例，在9 周的时间里，700 L 的沉银槽共处理板面积12,200 m2，单位耗量为17.5 m2/L。其中包括7000 m2 的“厚银板”（0.225 – 0.3 μm）和5,200 m2 的“薄银板”（0.15 – 0.2 μm）。在尺寸为2 mm x 2 mm 的焊盘上的平均银层厚度为0.203 μm。在槽液寿命的前期及后期，分别测试沉银层的厚度、外观、结合力、贾凡尼效应、IR 回流处理（260 °C/2 次）后的抗蚀性、湿老化（85 °C/85% RH，12 小时）后和干烘（155 °C，4 小时）后的抗蚀性以及可焊性，结果都满足客户的要求。另外在整个槽液寿命周期里的日常品质测试结果，包括干烘后的可焊性和抗蚀性以及离子污染度等，也均表明品质稳定可靠。

　　沉银工艺是基于溶液中的银离子和印刷电路板上金属铜之间的置换反应。由于沉银速率是取决于银离子的还原速度[2]，因而沉银速率随银离子浓度、溶液搅拌以及温度的增加而增加。对不同银厚度的要求可以很容易通过改变线速度（沉银槽中的停留时间）和槽液温度获得。此置换反应的结果是需要不断的补充银离子，同时铜离子含量在银溶液中逐渐增加。所以铜离子含量也是影响溶液寿命的一个因素。

　　如图2 所示，银的添加量随产量直线增加。平均来说，1 m2的印刷电路板消耗0.53 g 的银。也就是0.53 g/m2。根据已知的平均沉银厚度0.203 μm，可计算出印刷电路板表面有效沉银面积为13%。基于置换反应原理，铜离子的“理论”积聚率为0.156 g/m2，如圖中虚线所示。然而，实际的铜离子积聚率逐渐偏离“理论积聚率”并在1.6 g/L 達到稳定状态。这是因为铜离子不断的被印制电路板从沉银槽带出。随着铜离子浓度的不断增加，铜离子的带出量和置换反应产生的量最终会达到平衡。这最终平衡状态的铜离子浓度随着生产线的设备而异。一般而言，2 g/L 的铜负载力足以应付正常的生产。

　　沉银工艺的一个独特的现象是银厚随焊盘尺寸的增加而减少。由于沉银性能直接受厚度的影响，对厚度的要求因每个沉银工艺而异。IPC-4553 规定了尺寸为1.5 mm x 1.5 mm 焊盘为测试沉银厚度的标准焊盘尺寸[4]。如图3 所示，当焊盘面积从1 mm2 （1 mm x 1 mm的焊盘）增加到25 mm2 （5 mm x 5 mm 的焊盘）时，平均银厚逐渐从0.23 μm 降到0.16μm。大焊盘和小焊盘的沉银厚度差异约为30%，这个差异比通常在其它沉银工艺里观察到的要小，这也意味着当小焊盘上的银厚符合要求时，这样的差异仍可确保大焊盘上的银厚及性能。

焊接点强度

　　图7 为SAC305 焊锡球的剪切测试（推力测试）结果。该图可以看到剪切力（推力）迅速增加并直线上升到约8N，然后逐渐达到最大值10 – 12 N，接着再下降直到锡球被推掉，所得到的最大值被视为焊接强度。图中给出了不同的银厚（0.05 – 0.5 μm）以及经过不同次数回流焊处理后的焊接强度测试结果。由于焊接强度取决于所剪切（推断）锡球的横切面积，所测结果会因锡球的几何形状及推刀和焊盘之间的间隙而有所差异（参看图1）。剪切测试后用EDS 分析印刷电路板上的断裂表面（图8）显示只有微量的铜，这是来自SAC305 合金中的铜（0.5%）。这表明断裂是发生于SAC 焊锡合金內，而不是在焊锡与铜焊盘的界面，因此也说明焊锡与铜焊盘之间的焊接强度大于SAC305 焊锡本身的强度。

　　SnPb 合金焊接有同样的测试结果。图9 中给出了不同的银厚和经过不同次数回流焊处理后的焊接强度测试结果。图10 是印刷电路板上断裂面的EDS 分析结果。值得注意的是断裂面上虽然有不同程度的空洞，但是断裂面都在SnPb 焊球内部而不是在焊锡与铜焊盘的界面。

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