众所周知,暴露在空气中的所有金属都会被氧化。为了防止PCB铜焊盘被氧化,焊盘表面应涂有(镀)保护层。PCB焊盘表面处理的材料、工艺和质量直接影响焊接工艺和焊接质量。此外,PCB焊盘表面处理的选择因电子产品、工艺和焊接材料而异。让我们了解一下PCB焊盘涂层对激光锡焊的四种常见方法的影响。

1.ENIG Ni(P)/Au镀层

1)涂层特性ENIG) Ni(P)/Au(化学镀镍、金)工艺是在PCB上涂上阻焊层(绿油)后进行的。对于ENIG Ni/Au工艺的基本要求是焊接性和焊点的可靠性。化学镀层厚度为3~5μm,化学镀层Au层(又称浸Au层、更换Au),厚度为0.025~0.1μm。化学镀厚Au层(又称还原Au层),厚度为0.3~1μm,一般在0.5μm左右。

化学镀镍的P含量对于镀层的焊接性和耐腐蚀性至关重要。通常含有P 7%~9%适合(中磷)。P含量过低,涂层耐腐蚀性差,易氧化。而且在腐蚀性环境中,因为Ni/Au对原电池的腐蚀作用,会对Ni产生影响/Au的Ni表面层被腐蚀,产生Ni黑膜。(NixOy),这对可焊性和焊点的可靠性极为不利。P含量高,镀层耐腐蚀性提高,可焊性也能提高。

2)应用特性

●成本高;

●黑盘问题难以根除,虚焊缺陷率往往居高不下;

●ENIG Ni/Au表面的二次互连可靠性与OSP更高、Im-Ag、Im-Sn及HASL-Sn等涂层的可靠性较差;

●因为ENIG Ni/Au使用Ni和5%~12%P一起镀,所以当PCBA的工作频率超过5GHz时,趋肤效果非常明显,因为Ni-P在信号传输中复合涂层的导电性比铜差,因此信号传输速度较慢;

●Au溶入钎料后与Sn形成的AuSn4金属间化合物碎片,导致高频阻抗不能“复零”;

●“金脆”是降低焊点可靠性的隐患。一般来说,焊接时间很短,只能在几秒钟内完成,因此Au不能在焊料中均匀扩散,因此会在局部形成高浓度层,强度较低。

2.Im-Sn镀层

1)涂层特性Im-Sn是近年来非铅化过程中非常重要的一种可焊性涂层。Sn化学反应(硫酸亚锡或氯化亚锡)获得的Sn层厚度为0.1~1.5μm之间(经过多次焊接至少浸泡Sn厚度应为1.5μm)。这种厚度与镀液中的亚锡离子浓度、温度和涂层孔隙度有关。由于Sn具有较高的接触电阻,因此在接触检测测试方面不如浸银测试。传统的Im-Sn工艺,涂层呈灰色,由于表面呈蜂窝状排列,导致疏孔较多,易渗透,加速老化。

2)应用特性

●比ENIG更昂贵 Ni/Au及Im-Ag、OSP低;

●存在锡晶须问题,对精细间距和长寿命器件影响较大,但对PCB影响不大;

●存在锡瘟现象,Sn相变点为13.2℃,低于此温度时变成粉末状的灰锡(α锡),使强度丧失;

●在温度环境下,SnCu金属间化合物会加速与铜层的扩散,导致SnCu金属间化合物(IMC)如表1所示,增长;

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●新板具有良好的润湿性,但储存一段时间后,或多次再流后,润湿性下降较快,因此后端应用工艺较差。

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●如表2所示,高温处理后,由于锡层厚度的消耗,储存时间会缩短;

3.OSP涂层

1)涂层特性OSP是20世纪90年代出现的Cu表面有机助焊保护膜(以下简称OSP)。一些环氮化合物,如苯醌三氮唑(BTA)、咪唑、烷基咪唑、苯醌咪唑等水溶液容易与干净的铜表面发生反应。这些化合物中的氮杂环与Cu表面形成复合物,这种保护膜防止Cu表面氧化。

2)应用特性

●成本低,工艺简单;

●焊接加热时,铜的复合物迅速分解,只留下裸铜,因为OSP只是一个分子层,焊接时会被稀酸或助焊剂分解,因此不会有残留物污染;

●可以更好地兼容有铅焊接或无铅焊接;

●OSP保护涂层与助焊剂RMA(中等活性)兼容,但与活性较低的松香基免清洗助焊剂不兼容;

●OSP厚度(目前大多采用0.2~0.4μm)对所选助焊剂的匹配性要求较高,不同厚度对助焊剂的匹配性要求也不同;

●存储环境条件要求高,车间寿命短,如果生产管理不能配合,则不能选择。

4.Im-Ag镀层

1)涂层特性Ag在室温下具有良好的导热性、导电性和焊接性,反射能力强,高频损耗小,表面传导能力高。然而,Ag对S有很高的亲和力,大气中有少量的S(H2)S、所有的SO2或其它硫化物都会改变颜色,产生Ag2S、Ag2O失去了可焊性。Ag的另一个缺点是,在潮湿的环境中,Ag离子很容易沿绝缘材料的表面和体积方向迁移,从而降低甚至短路材料的绝缘性能。

沉积在基材铜上的Ag厚0.075~0.225μm,表面光滑,可引线键合。

2)应用特性

●与Au或Pd相比,其成本相对便宜;

●具有良好的引线键合性,与Sn基钎料合金具有良好的可焊性;

●金属间化合物在Ag和Sn之间形成(Ag3Sn)没有明显的易碎性;

●在射频(RF)由于电路中的趋肤效应,Ag的高电导率特性刚刚发挥出来;

●和空气中的S、Cl、O接触时,分别在表面生成AgS、AgCl、Ag2O,使其表面失去光泽而变暗,影响外观和可焊性。