PCB表面處理工藝特點(diǎn)、用途和發(fā)展趨勢(shì)

一.引言隨著人類對(duì)于居住環(huán)境要求的不斷提高，目前PCB生產(chǎn)過(guò)程中涉及到的環(huán)境問(wèn)題顯得尤為突出。目前有關(guān)鉛和溴的話題是最熱門的；無(wú)鉛化和無(wú)鹵化將在很多方面影響著PCB的發(fā)展。雖然目前來(lái)看，PCB的表面處理工藝方面的變化并不是很大，好像還是比較遙遠(yuǎn)的事情，但是應(yīng)該注意到：長(zhǎng)期的緩慢變化將會(huì)導(dǎo)致巨大的變化。在環(huán)保呼聲愈來(lái)愈高的情況下，PCB的表面處理工藝未來(lái)肯定會(huì)發(fā)生巨變。

二.表面處理的目的表面處理最基本的目的是保證良好的可焊性或電性能。由于自然界的銅在空氣中傾向于以氧化物的形式存在，不大可能長(zhǎng)期保持為原銅，因此需要對(duì)銅進(jìn)行其他處理。雖然在后續(xù)的組裝中，可以采用強(qiáng)助焊劑除去大多數(shù)銅的氧化物，但強(qiáng)助焊劑本身不易去除，因此業(yè)界一般不采用強(qiáng)助焊劑。

三.常見(jiàn)的五種表面處理工藝現(xiàn)在有許多PCB表面處理工藝，常見(jiàn)的是熱風(fēng)整平、有機(jī)涂覆、化學(xué)鍍鎳/浸金、浸銀和浸錫這五種工藝，下面將逐一介紹。

1.熱風(fēng)整平熱風(fēng)整平又名熱風(fēng)焊料整平，它是在PCB表面涂覆熔融錫鉛焊料并用加熱壓縮空氣整（吹）平的工藝，使其形成一層既抗銅氧化，又可提供良好的可焊性的涂覆層。熱風(fēng)整平時(shí)焊料和銅在結(jié)合處形成銅錫金屬間化合物。保護(hù)銅面的焊料厚度大約有1-2mil。PCB進(jìn)行熱風(fēng)整平時(shí)要浸在熔融的焊料中；風(fēng)刀在焊料凝固之前吹平液態(tài)的焊料；風(fēng)刀能夠?qū)~面上焊料的彎月?tīng)钭钚』妥柚购噶蠘蚪印犸L(fēng)整平分為垂直式和水平式兩種，一般認(rèn)為水平式較好，主要是水平式熱風(fēng)整平鍍層比較均勻，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。熱風(fēng)整平工藝的一般流程為：微蝕→預(yù)熱→涂覆助焊劑→噴錫→清洗。

2.有機(jī)涂覆有機(jī)涂覆工藝不同于其他表面處理工藝，它是在銅和空氣間充當(dāng)阻隔層；有機(jī)涂覆工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，這使得它能夠在業(yè)界廣泛使用。早期的有機(jī)涂覆的分子是起防銹作用的咪唑和苯并三唑，最新的分子主要是苯并咪唑，它是化學(xué)鍵合氮功能團(tuán)到PCB上的銅。在后續(xù)的焊接過(guò)程中，如果銅面上只有一層的有機(jī)涂覆層是不行的，必須有很多層。這就是為什么化學(xué)槽中通常需要添加銅液。在涂覆第一層之后，涂覆層吸附銅；接著第二層的有機(jī)涂覆分子與銅結(jié)合，直至二十甚至上百次的有機(jī)涂覆分子集結(jié)在銅面，這樣可以保證進(jìn)行多次回流焊。試驗(yàn)表明：最新的有機(jī)涂覆工藝能夠在多次無(wú)鉛焊接過(guò)程中保持良好的性能。有機(jī)涂覆工藝的一般流程為：脫脂→微蝕→酸洗→純水清洗→有機(jī)涂覆→清洗，過(guò)程控制相對(duì)其他表面處理工藝較為容易。

3.化學(xué)鍍鎳/浸金化學(xué)鍍鎳/浸金工藝不像有機(jī)涂覆那樣簡(jiǎn)單，化學(xué)鍍鎳/浸金好像給PCB穿上厚厚的盔甲；另外化學(xué)鍍鎳/浸金工藝也不像有機(jī)涂覆作為防銹阻隔層，它能夠在PCB長(zhǎng)期使用過(guò)程中有用并實(shí)現(xiàn)良好的電性能。因此，化學(xué)鍍鎳/浸金是在銅面上包裹一層厚厚的、電性良好的鎳金合金，這可以長(zhǎng)期保護(hù)PCB；另外它也具有其它表面處理工藝所不具備的對(duì)環(huán)境的忍耐性。鍍鎳的原因是由于金和銅間會(huì)相互擴(kuò)散，而鎳層能夠阻止金和銅間的擴(kuò)散；如果沒(méi)有鎳層，金將會(huì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)擴(kuò)散到銅中去?；瘜W(xué)鍍鎳/浸金的另一個(gè)好處是鎳的強(qiáng)度，僅僅5微米厚度的鎳就可以限制高溫下Z方向的膨脹。此外化學(xué)鍍鎳/浸金也可以阻止銅的溶解，這將有益于無(wú)鉛組裝?；瘜W(xué)鍍鎳/浸金工藝的一般流程為：酸性清潔→微蝕→預(yù)浸→活化→化學(xué)鍍鎳→化學(xué)浸金，主要有6個(gè)化學(xué)槽，涉及到近100種化學(xué)品，因此過(guò)程控制比較困難。

4.浸銀浸銀工藝介于有機(jī)涂覆和化學(xué)鍍鎳/浸金之間，工藝比較簡(jiǎn)單、快速；不像化學(xué)鍍鎳/浸金那樣復(fù)雜，也不是給PCB穿上一層厚厚的盔甲，但是它仍然能夠提供好的電性能。銀是金的小兄弟，即使暴露在熱、濕和污染的環(huán)境中，銀仍然能夠保持良好的可焊性，但會(huì)失去光澤。浸銀不具備化學(xué)鍍鎳/浸金所具有的好的物理強(qiáng)度因?yàn)殂y層下面沒(méi)有鎳。另外浸銀有好的儲(chǔ)存性，浸銀后放幾年組裝也不會(huì)有大的問(wèn)題。浸銀是置換反應(yīng)，它幾乎是亞微米級(jí)的純銀涂覆。有時(shí)浸銀過(guò)程中還包含一些有機(jī)物，主要是防止銀腐蝕和消除銀遷移問(wèn)題；一般很難測(cè)量出來(lái)這一薄層有機(jī)物，分析表明有機(jī)體的重量少于1％。

5.浸錫由于目前所有的焊料都是以錫為基礎(chǔ)的，所以錫層能與任何類型的焊料相匹配。從這一點(diǎn)來(lái)看，浸錫工藝極具有發(fā)展前景。但是以前的PCB經(jīng)浸錫工藝后出現(xiàn)錫須，在焊接過(guò)程中錫須和錫遷徙會(huì)帶來(lái)可靠性問(wèn)題，因此浸錫工藝的采用受到限制。后來(lái)在浸錫溶液中加入了有機(jī)添加劑，可使得錫層結(jié)構(gòu)呈顆粒狀結(jié)構(gòu)，克服了以前的問(wèn)題，而且還具有好的熱穩(wěn)定性和可焊性。浸錫工藝可以形成平坦的銅錫金屬間化合物，這個(gè)特性使得浸錫具有和熱風(fēng)整平一樣的好的可焊性而沒(méi)有熱風(fēng)整平令人頭痛的平坦性問(wèn)題；浸錫也沒(méi)有化學(xué)鍍鎳/浸金金屬間的擴(kuò)散問(wèn)題——銅錫金屬間化合物能夠穩(wěn)固的結(jié)合在一起。浸錫板不可存儲(chǔ)太久，組裝時(shí)必須根據(jù)浸錫的先后順序進(jìn)行。

6.其他表面處理工藝其他表面處理工藝的應(yīng)用較少，下面來(lái)看應(yīng)用相對(duì)較多的電鍍鎳金和化學(xué)鍍鈀工藝。電鍍鎳金是PCB表面處理工藝的鼻祖，自從PCB出現(xiàn)它就出現(xiàn)，以后慢慢演化為其他方式。它是在PCB表面導(dǎo)體先鍍上一層鎳后再鍍上一層金，鍍鎳主要是防止金和銅間的擴(kuò)散。現(xiàn)在的電鍍鎳金有兩類：鍍軟金（純金，金表面看起來(lái)不亮）和鍍硬金（表面平滑和硬，耐磨，含有鈷等其他元素，金表面看起來(lái)較光亮）。軟金主要用于芯片封裝時(shí)打金線；硬金主要用在非焊接處的電性互連。考慮到成本，業(yè)界常常通過(guò)圖像轉(zhuǎn)移的方法進(jìn)行選擇性電鍍以減少金的使用。目前選擇性電鍍金在業(yè)界的使用持續(xù)增加，這主要是由于化學(xué)鍍鎳/浸金過(guò)程控制比較困難。正常情況下，焊接會(huì)導(dǎo)致電鍍金變脆，這將縮短使用壽命，因而要避免在電鍍金上進(jìn)行焊接；但化學(xué)鍍鎳/浸金由于金很薄，且很一致，變脆現(xiàn)象很少發(fā)生。化學(xué)鍍鈀的過(guò)程與化學(xué)鍍鎳過(guò)程相近似。主要過(guò)程是通過(guò)還原劑（如次磷酸二氫鈉）使鈀離子在催化的表面還原成鈀，新生的鈀可成為推動(dòng)反應(yīng)的催化劑，因而可得到任意厚度的鈀鍍層。化學(xué)鍍鈀的優(yōu)點(diǎn)為良好的焊接可靠性、熱穩(wěn)定性、表面平整性。

四.表面處理工藝的選擇表面處理工藝的選擇主要取決于最終組裝元器件的類型；表面處理工藝將影響PCB的生產(chǎn)、組裝和最終使用，下面將具體介紹常見(jiàn)的五種表面處理工藝的使用場(chǎng)合。

1.熱風(fēng)整平熱風(fēng)整平曾經(jīng)在PCB表面處理工藝中處于主導(dǎo)地位。二十世紀(jì)八十年代，超過(guò)四分之三的PCB使用熱風(fēng)整平工藝，但過(guò)去十年以來(lái)業(yè)界一直都在減少熱風(fēng)整平工藝的使用，估計(jì)目前約有25％-40％的PCB使用熱風(fēng)整平工藝。熱風(fēng)整平制程比較臟、難聞、危險(xiǎn)，因而從未是令人喜愛(ài)的工藝，但熱風(fēng)整平對(duì)于尺寸較大的元件和間距較大的導(dǎo)線而言，卻是極好的工藝。在密度較高的PCB中，熱風(fēng)整平的平坦性將影響后續(xù)的組裝；故HDI板一般不采用熱風(fēng)整平工藝。隨著技術(shù)的進(jìn)步，業(yè)界現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了適于組裝間距更小的QFP和BGA的熱風(fēng)整平工藝，但實(shí)際應(yīng)用較少。目前一些工廠采用有機(jī)涂覆和化學(xué)鍍鎳/浸金工藝來(lái)代替熱風(fēng)整平工藝；技術(shù)上的發(fā)展也使得一些工廠采用浸錫、浸銀工藝。加上近年來(lái)無(wú)鉛化的趨勢(shì)，熱風(fēng)整平使用受到進(jìn)一步的限制。雖然目前已經(jīng)出現(xiàn)所謂的無(wú)鉛熱風(fēng)整平，但這可將涉及到設(shè)備的兼容性問(wèn)題。

2.有機(jī)涂覆估計(jì)目前約有25％-30％的PCB使用有機(jī)涂覆工藝，該比例一直在上升（很可能有機(jī)涂覆現(xiàn)在已超過(guò)熱風(fēng)整平居于第一位）。有機(jī)涂覆工藝可以用在低技術(shù)含量的PCB，也可以用在高技術(shù)含量的PCB上，如單面電視機(jī)用PCB、高密度芯片封裝用板。對(duì)于BGA方面，有機(jī)涂覆應(yīng)用也較多。PCB如果沒(méi)有表面連接功能性要求或者儲(chǔ)存期的限定，有機(jī)涂覆將是最理想的表面處理工藝。

3.化學(xué)鍍鎳/浸金化學(xué)鍍鎳/浸金工藝與有機(jī)涂覆不同，它主要用在表面有連接功能性要求和較長(zhǎng)的儲(chǔ)存期的板子上，如手機(jī)按鍵區(qū)、路由器殼體的邊緣連接區(qū)和芯片處理器彈性連接的電性接觸區(qū)。由于熱風(fēng)整平的平坦性問(wèn)題和有機(jī)涂覆助焊劑的清除問(wèn)題，二十世紀(jì)九十年代化學(xué)鍍鎳/浸金使用很廣；后來(lái)由于黑盤、脆的鎳磷合金的出現(xiàn)，化學(xué)鍍鎳/浸金工藝的應(yīng)用有所減少，不過(guò)目前幾乎每個(gè)高技術(shù)的PCB廠都有化學(xué)鍍鎳/浸金線?？紤]到除去銅錫金屬間化合物時(shí)焊點(diǎn)會(huì)變脆，相對(duì)脆的鎳錫金屬間化合物處將出現(xiàn)很多的問(wèn)題。因此，便攜式電子產(chǎn)品（如手機(jī)）幾乎都采用有機(jī)涂覆、浸銀或浸錫形成的銅錫金屬間化合物焊點(diǎn)，而采用化學(xué)鍍鎳/浸金形成按鍵區(qū)、接觸區(qū)和EMI的屏蔽區(qū)。估計(jì)目前大約有10％-20％的PCB使用化學(xué)鍍鎳/浸金工藝。

4.浸銀浸銀比化學(xué)鍍鎳/浸金便宜，如果PCB有連接功能性要求和需要降低成本，浸銀是一個(gè)好的選擇；加上浸銀良好的平坦度和接觸性，那就更應(yīng)該選擇浸銀工藝。在通信產(chǎn)品、汽車、電腦外設(shè)方面浸銀應(yīng)用的很多，在高速信號(hào)設(shè)計(jì)方面浸銀也有所應(yīng)用。由于浸銀具有其它表面處理所無(wú)法匹敵的良好電性能，它也可用在高頻信號(hào)中。EMS推薦使用浸銀工藝是因?yàn)樗子诮M裝和具有較好的可檢查性。但是由于浸銀存在諸如失去光澤、焊點(diǎn)空洞等缺陷使得其增長(zhǎng)緩慢（但沒(méi)有下降）。估計(jì)目前大約有10％-15％的PCB使用浸銀工藝。

5.浸錫錫被引入表面處理工藝是近十年的事情，該工藝的出現(xiàn)是生產(chǎn)自動(dòng)化的要求的結(jié)果。浸錫在焊接處沒(méi)有帶入任何新元素，特別適用于通信用背板。在板子的儲(chǔ)存期之外錫將失去可焊性，因而浸錫需要較好的儲(chǔ)存條件。另外浸錫工藝中由于含有致癌物質(zhì)而被限制使用。估計(jì)目前大約有5％-10％的PCB使用浸錫工藝。五.結(jié)束語(yǔ)隨著客戶要求愈來(lái)愈高，環(huán)境要求愈來(lái)愈嚴(yán)，表面處理工藝愈來(lái)愈多，到底該選擇那種有發(fā)展前景、通用性更強(qiáng)的表面處理工藝，目前看來(lái)好像有點(diǎn)眼花繚亂、撲朔迷離。PCB表面處理工藝未來(lái)將走向何方，現(xiàn)在亦無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。不管怎樣，滿足客戶要求和保護(hù)環(huán)境必須首先做到！