不同表面處理耐老化性能分析

張智暢 胡夢(mèng)海

（廣廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）（深圳市興森快捷電路科技股份有限公司，廣東 深圳 518028）

不同表面處理耐老化性能分析

張智暢 胡夢(mèng)海

（廣廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）
（深圳市興森快捷電路科技股份有限公司，廣東 深圳 518028）

不同的表面處理在正常的工藝生產(chǎn)情況下可焊性相差無(wú)幾，但在面臨如生產(chǎn)后儲(chǔ)存時(shí)間的增長(zhǎng)或者貼裝工藝的復(fù)雜化等各種可能存在的情況下，由于鍍層金屬及結(jié)構(gòu)的差異，各表面處理間可焊性的差異便得到了放大。本文主要通過(guò)一系列模擬現(xiàn)實(shí)的老化條件，對(duì)比了常見(jiàn)表面處理的耐老化性能差異，并分析了相關(guān)失效機(jī)理。

表面處理；可焊性；老化

1 前言

常見(jiàn)的無(wú)鉛表面處理包括無(wú)鉛熱風(fēng)整平焊錫（HASL）、OSP、化學(xué)鍍銀（沉銀）、化學(xué)鍍錫（沉錫）、化學(xué)鍍金（沉金）、水金等。選擇一個(gè)表面處理需要考慮很多因素，包括焊接能力、與焊料合金的兼容性、焊接的可靠性、引線可鍵合能力、連接磨損阻抗、電子連接阻抗、存儲(chǔ)期，以及與自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的對(duì)比等。［1］

對(duì)于存儲(chǔ)期而言，在一般的室溫環(huán)境條件下密封包裝，水金、沉金、HASL板的有效存儲(chǔ)時(shí)間為半年，而沉銀、沉錫、OSP板的有效存儲(chǔ)時(shí)間為3個(gè)月。存儲(chǔ)的過(guò)程是一個(gè)緩慢老化的過(guò)程，期間表面處理由于受到環(huán)境中的溫度或濕度的影響而產(chǎn)生一定的氧化或者劣化的情況，最終會(huì)影響到其可焊性能。而實(shí)際SMT生產(chǎn)中，對(duì)超期存儲(chǔ)的PCB而言，面對(duì)貼裝中的分層風(fēng)險(xiǎn)，因而多數(shù)會(huì)采用烘板的辦法來(lái)加以改善，但在吸濕分層風(fēng)險(xiǎn)得到解決的同時(shí)，高溫的環(huán)境又進(jìn)一步加速了表面處理的老化、劣化，此時(shí)又將帶來(lái)可焊性的風(fēng)險(xiǎn)。這種案例十分常見(jiàn)，如我司生產(chǎn)的一款水金板，前一年年初生產(chǎn)而第二年年初才進(jìn)行貼裝，貼裝首板出現(xiàn)了分層隨即對(duì)整批板進(jìn)行了常規(guī)的烘板處理（150 ℃，2 h）。在后續(xù)的貼件后檢查出現(xiàn)了100%的可焊性不良情況：

不同的表面處理在正常的工藝生產(chǎn)情況下可焊性差異并不十分明顯，但在老化過(guò)程，由于鍍層金屬及結(jié)構(gòu)的差異，各表面處理耐老化的性能不盡相同，因而最終的可焊性也可能大不相同。因此在進(jìn)行表面處理的選擇以及各種表面處理的生產(chǎn)處理時(shí)，就需要對(duì)各種表面處理的耐老化性能進(jìn)行一定的了解，方可做到有的放矢。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)背景

表面處理在生產(chǎn)以及貼裝過(guò)程中，可能面對(duì)的老化按照處理方式大致可分為三類：長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存、高溫烘烤以及多次回流。為了獲取到不同表面處理在面臨上述各種現(xiàn)實(shí)存在的老化處理后的可焊性變化情況，設(shè)計(jì)了針對(duì)不同表面處理的不同老化處理方式的試驗(yàn)，之后進(jìn)行可焊性的驗(yàn)證。

2.2 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)前對(duì)試樣的表面鍍層厚度進(jìn)行了測(cè)試，相關(guān)數(shù)據(jù)如下，符合基本的工藝控制要求見(jiàn)表1。

表1

2.2.1 回流老化

回流老化的條件如表2。

表2

對(duì)試樣分別進(jìn)行了上述的回流處理后，采用潤(rùn)濕天平測(cè)試記錄了5s潤(rùn)濕力值，并通過(guò)實(shí)際板印刷錫膏過(guò)爐進(jìn)行了驗(yàn)證?？偟膩?lái)說(shuō)，隨著回流老化次數(shù)的增加，各表面處理的潤(rùn)濕性均出現(xiàn)了不同程度的下降。

（1）鎳基底表面處理（沉金、水金）（圖1）。

圖1 鎳基底回流老化

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，下降最為顯著的是水金，一次回流后5s潤(rùn)濕力即下降38.8%，兩次回流后只能達(dá)到初始情況的50%左右；而沉金在經(jīng)過(guò)5次回流后潤(rùn)濕力相較于初始狀態(tài)下降為28.18%。通過(guò)印刷錫膏驗(yàn)證情況來(lái)看，水金板經(jīng)過(guò)3次回流后出現(xiàn)了較穩(wěn)嚴(yán)重的縮錫情況，而沉金板5次回流后情況良好。

（2）銅基底表面處理（圖2）。

圖2 銅基底回流老化

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，下降最為顯著的是OSP，一次回流后變化并不十分明顯，但在完成第二次回流出現(xiàn)了較明顯的劣化，潤(rùn)濕力下降30.37%。通過(guò)印刷錫膏效果來(lái)看，在第三次回流后出現(xiàn)了縮錫情況，但總體的可以較好的滿足基本的兩次回流貼裝后波峰焊的組裝工藝。

沉銀表現(xiàn)良好，經(jīng)過(guò)5次回流后潤(rùn)濕力下降6.24%。但沉銀板在完成一次回流后變黃明顯，情況與可焊性失效時(shí)發(fā)黃外觀相近，易讓人產(chǎn)生可焊性的顧慮。

沉錫與熱風(fēng)整平類似，隨著回流次數(shù)的增加潤(rùn)濕力呈現(xiàn)梯度變化，兩者均在第三次回流后出現(xiàn)了較大幅度的潤(rùn)濕力下降，分別為46.5%和55.9%，該情況下印刷錫膏后出現(xiàn)了縮錫情況。由于熱風(fēng)整平存在錫厚均勻性的問(wèn)題，大焊盤(pán)縮錫更為明顯。

2.2.2 烘烤老化

回流老化的條件如下，為了了解烘烤后回流焊過(guò)程中的可焊性變化情況，因而在烘烤后也追加了回流老化條件（表3）。

表3

對(duì)試樣分別進(jìn)行了上述的處理后，采用潤(rùn)濕天平測(cè)試記錄了5 s潤(rùn)濕力值，并通過(guò)實(shí)際板印刷錫膏過(guò)爐進(jìn)行了驗(yàn)證。同樣的隨著烘烤時(shí)長(zhǎng)的增加，各表面處理的潤(rùn)濕性均出現(xiàn)了不同程度的下降。

（1）鎳基底表面處理（沉金、水金）（圖3）。

圖3 鎳基底烘烤后回流老化

基本情況和回流老化相似，另從水金的不同處理后潤(rùn)濕力下降情況來(lái)看，9 h烘烤的老化程度近似于一次回流的情況。

（2）銅基底表面處理（圖4）。

圖4 銅基底烘烤后回流老化

烘烤后下降最為顯著的仍是OSP，3 h烘烤后5 s潤(rùn)濕力即下降87.3%，說(shuō)明OSP長(zhǎng)時(shí)間的高溫處理極為敏感；同樣的沉銀依舊表現(xiàn)良好；沉錫和HASL隨著老化程度的加深潤(rùn)濕力呈現(xiàn)梯度下降，以下是相應(yīng)條件下印刷錫膏后的外觀。

2.2.3 穩(wěn)態(tài)濕熱老化條件

目的濕熱老化的條件如表4、圖5，為了了解長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存后回流過(guò)程中的可焊性變化情況，因而在濕熱處理后也同樣追加了回流老化條件。

表4

圖5 濕熱老化后回流

綜上，經(jīng)過(guò)濕熱老化后，水金、沉錫、OSP、無(wú)鉛HASL的5 s潤(rùn)濕力均有一定的下降：

（1）水金與沉錫下降最為顯著，尤其是沉錫經(jīng)濕熱老化后即下降39.4%；

（2）絕大多數(shù)表面處理在經(jīng)過(guò)濕熱處理后并未明顯表現(xiàn)出潤(rùn)濕性下降，但在之后的回流處理后相比裸板直接回流所表現(xiàn)出的潤(rùn)濕性下降更為明顯。

2.3 綜合分析

無(wú)論是何種表面處理，其主要作用就是要保護(hù)焊接基底金屬，防止焊接前的氧化等。因而不同的鍍/涂層的保護(hù)能力不盡相同：

（1）水金與沉金同為鍍鎳金表面處理，鎳作為焊接鍍層由于其易氧化，因而加入金鍍層給其保護(hù)。此種鍍層結(jié)構(gòu)失效主要來(lái)自鎳遷移至金層或者鍍金層不致密而產(chǎn)生氧化而導(dǎo)致可焊性不良，因而金厚便是關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于水金而言，常規(guī)的工藝控制金厚為0.025 μm，而受到工藝穩(wěn)定性的影響，在金厚低于控制點(diǎn)要求時(shí)通過(guò)能譜的線掃描功能可發(fā)現(xiàn)即使是金面形貌正常、未經(jīng)任何異常處理的水金金面也存在星點(diǎn)露鎳的情況。

因而水金無(wú)論在哪種老化處理后均潤(rùn)濕力下降明顯，而金較厚的沉金未出現(xiàn)明顯的潤(rùn)濕力下降；

（2）沉錫和HASL相類似，其失效主要來(lái)自錫鍍層與銅基底的相互擴(kuò)散作用，一方面溫度使表面易于氧化，二方面鍍層易發(fā)生合金化而導(dǎo)致實(shí)際焊接時(shí)缺少可焊的錫層而拒焊，如圖6所示，錫面呈現(xiàn)陰影的部分為銅錫合金。

圖6

合金化隨著溫度的升高而加劇，因而總的來(lái)說(shuō)熱處理溫度對(duì)錫鍍層可焊性的影響非常大［2］；

（3）OSP由于其涂層本身的熱揮發(fā)、熱穩(wěn)定性限制其耐熱處理性能很差，且受熱處理時(shí)間越長(zhǎng)影響越大，但可明顯看出目前OSP工藝基本能保證正常的兩次回流焊后的組裝工藝；

（4）沉銀失效來(lái)自底銅的氧化而導(dǎo)致可焊性不良，因而其主要影響點(diǎn)就在于銀鍍層的致密性。一般的，沉銀速度非常快，形成低密度沉銀層，使得銀層底部的銅與空氣氧很容易接觸，因此銅就會(huì)和空氣中氧發(fā)生氧化反應(yīng)。［3］但在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的老化程度范圍內(nèi)并未對(duì)其潤(rùn)濕力造成很明顯的影響。

3 結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)對(duì)比，各種表面處理經(jīng)過(guò)相應(yīng)的老化處理后的可焊性差異體現(xiàn)明顯：（1）沉金、沉銀相對(duì)而言耐老化能力較強(qiáng)，較為適用于多次回流焊接的組裝工藝；（2）水金、OSP對(duì)熱處理過(guò)程敏感，應(yīng)盡量減少或避免組裝前的熱處理；（3）沉錫、HASL對(duì)儲(chǔ)存過(guò)程以及熱處理過(guò)程均較為敏感，組裝前的相應(yīng)過(guò)程應(yīng)受控。

［1］劉漢城，汪正平，李寧成 著. 姜巖峰，張常年 譯. 電子制造技術(shù)——利用無(wú)鉛無(wú)鹵素和導(dǎo)電膠材料.北京:化學(xué)工業(yè)出版社， 2005.

［2］徐瑞東，郭忠誠(chéng)，朱曉云. 化學(xué)鍍錫層可焊性研究，電子工藝技術(shù).2002.5（23）.

［3］徐歡. 沉銀線體的生產(chǎn)實(shí)踐及化銀產(chǎn)品共性問(wèn)題的分析與解決. 2007春季國(guó)際PCB技術(shù)/信息論壇會(huì)議論文， 2007.

張智暢，技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)室工程師，從事失效分析工作。

Analysis of the aging resistance performance of different surface treatment

ZHANG Zhi-yang HU Meng-hai

Typically different surface treatments show not much difference in solderability， but after aging treatment such as a long storing time or a complex surface mount process， differences in solderability will be found in different treatment ways due to the difference of metal coating and structure. In this paper， through a series aging condition of realistic simulation， the differences of aging resistant performance between common treatment ways are compared with the analyses of its failure mechanisms.

Surface Treatment； Weldability； Aging

TN41

A

1009-0096（2015）11-0051-04