1.12 PCB表面处理与工艺特性

概述

2006年7月1日，RoHS（Restriction of Hazardous Substances）即关于限制在电子电气设备中使用某些有害物质的指令生效，凡是出口到欧盟的电子电气设备必须满足RoHS的要求，这促使电子制造业需要从有铅工艺向无铅工艺转变。

焊点的铅无非来源于元器件引脚镀层、PCB焊盘镀层和焊料。要使焊点中的铅符合RoHS标准要求（铅含量＜0.1%），PCB表面处理也必须无铅化。由于无铅焊料的高熔点特性，无铅喷锡工艺很少应用于层数超过6层的PCB。业界提出了很多种无铅表面处理工艺，目前广泛使用的有ENIG、Im-Ag、Im-Sn和OSP等。之所以有这么多种，是因为每种表面处理都不是十全十美的，都有局限性。

常用表面处理及工艺特性见表1-3。

在IPC-2221中，除了对ENIG镀层，其余表面处理镀层都没有给出厚度要求，仅给出可焊即可的要求。

在IPC-70985C中对ENIG镀层的厚度做了说明：若太厚，则镍层腐蚀，影响可焊性，有黑盘风险；若太薄，则镍层氧化，可焊性可能更差。因此，在IPC-70985C中规定ENIG镀层的厚度为0.05～0.10μm，而村田等药水厂家推荐的厚度为0.03～0.06μm。在IPC-2221中，只规定了ENIG镀层的最小厚度，要求不小于0.05μm，没有规定最大厚度，可能基于厂家成本的考虑，认为不会出现超厚的问题。罗列这些标准的要求，主要想说明工艺的复杂性，而在采用标准时必须考虑标准制定的出发点是什么。比如，不同电镀药水厂家推荐的厚度不同，这是因为电镀药水配方的不同；因此，应根据所使用的药水要求进行管控。

ENIG

ENIG（Electroless Nickel/Immersion Gold，化学镀镍/浸金）俗称化镍金。

ENIG镀层结构如图1-77所示，由于化学镀的原因，镍（Ni）层不是纯镍层，而含有一定的P。在浸金时，由于置换反应，在靠近金（Au）层的地方会形成富磷（P）的Ni层，富P层的厚度有时可作为镀层控制的参数之一。

ENIG镀层，焊接时Au会迅速溶解到焊料中形成Au-Sn合金，焊料只与镍层形成IMC。

1.工艺特性

ENIG镀层适用于安装有大量精细间距的元器件（＜0.63mm）及共面度要求比较高的PCBA，也可用作OSP表面的选择性镀层以及按键盘。

1）优势

（1）表面平整。

（2）与无铅的兼容性好。

（3）储存期长，可达12个月。

（4）可焊性（润湿性）好。

2）不足之处

（1）价格高。

（2）焊点/焊缝存在脆化的风险。

（3）存在“黑盘”失效风险。黑盘是一种发生概率比较低的缺陷，但没有办法检测，存在较大风险；因此，一般不建议用于高可靠性的产品，如军用航空器。

所谓“黑盘”，是Puttlitz在1990年时提出的一种ENIG焊点失效模式，指镍层受到深度腐蚀而引起ENIG处理焊点易断的失效模式。由于断裂的镍面呈灰色、黑色，因此被Puttlitz定义为黑盘现象。黑盘的最大问题就是难以消除和发现，从而给可靠性带来隐患。

黑盘的典型特征：

●去Au层后，Ni层表面上有晶界腐蚀现象（俗称泥浆裂纹），如图1-78（a）所示。

●Ni表面有非正常的富P层，切片后可以看到腐蚀针刺（实际就是晶界腐蚀现象的截面图），如图1-78（b）所示。

（4）浸金层很薄，不能用于连接器、金手指的镀层。

2.应用问题

（1）不润湿，多为“黑盘”现象所致，如图1-79所示。需要指出，不润湿往往出现在镍层腐蚀严重的情况下。在大多数情况下，有黑盘现象的ENIG镀层，焊点表现正常；但不耐应力作用，像高低温度循环试验、振动试验以及日常的插拔操作都可能导致焊点开裂，这是最大的风险。

（2）波峰焊接孔盘边缘部分不润湿（如图1-80所示），属于黑盘的典型表现之一。由于电镀时电流向导体尖部集中，在插装孔的孔盘边缘和拐角处，容易出现严重的腐蚀现象，即黑盘现象，如图1-81所示。这种不润湿，预示着整板存在黑盘风险，只是比较轻微，在SMT工艺条件下一般能够被润湿，焊接后从焊点外观上看不出来，但是其连接强度会有所下降。这在一般的应用条件下可以接受，不会降低可靠性，但对于高可靠性要求的军用、航空电子等产品就需要根据客户的要求进行评估。此现象类似反润湿，但镍层上没有任何锡，看上去呈黑灰色。

（3）镀层薄，底层镀层镍被氧化。最常见的表现就是焊接后锡与镍不能形成IMC，焊点的强度几乎为零，可以归为虚焊一类缺陷；其次表现为潮湿环境下储存一段时间后出现腐蚀，从点状到局部面状，如图1-82所示。之所以要求ENIG镀层必须满足最小的厚度，就是为了避免底层镍被氧化；其氧化程度与金镀层厚度、温度、湿度、储存期等有关。

Im-Sn

Im-Sn（化锡）是Immersion Tin的简写，又称浸镀锡、浸锡。

Im-Sn镀层，是通过置换反应在铜的表面形成的纯锡层。置换反应的一个特点，就是随着镀层的增厚，反应速率逐渐下降直到停止，因此Im-Sn的镀层厚度是受限的，一般较难超过1.2μm。Im-Sn是直接在铜表面沉积的，其镀层结构如图1-83所示。

1.工艺特性

Im-Sn能够获得满意的压接孔径尺寸，即很容易做到±0.05mm（±0.002mil）。此外，Im-Sn还具有一定的润滑作用，特别适合压接工艺为主的PCBA，如通信背板（Backplane）。

1）优势

（1）成本低，比ENIG低20%。

（2）与无铅要求兼容。

（3）可焊性好。

（4）焊盘表面平整，适用于精细间距器件。

2）不足之处

（1）储存期比较短，通常为6个月。

（2）由于手印及返修次数限制，不推荐用于通信线卡（Line Card）。

（3）再流焊接后塞孔附近镀锡层易变色。这是因为阻焊剂（俗称绿油）塞孔容易藏药水，再流焊接时喷出来与附近锡层反应而变色。

（4）有产生锡须的风险。锡须风险取决于Im-Sn所使用的药水，有些药水制作的锡层容易发生锡须，有些则不太容易产生锡须。

（5）大多数Im-Sn配方药水与阻焊剂不兼容，对阻焊侵蚀比较严重，不适合精细阻焊桥的应用。

2.应用问题

（1）不耐储存。这有两方面的原因：一方面，镀层厚度受限；另一方面，Sn在室温下的扩散速度很快，不断与基铜反应而生成IMC，消耗纯Sn镀层。Sn的扩散数据：

①室温Sn的扩散速度：0.144～0.166nm/s；

②室温储存1个月，Sn的厚度损失0.23μm（转成了IMC）；

③两次再流焊，Sn的厚度损失0.80μm；

④要实现第三次再流焊接，则在两次再流焊接后，Sn厚度需要0.10μm；

⑤如果要储存6个月，还必须经受三次焊接，Im-Sn层最小厚度必须超过1.28μm。这个要求一般做不到，一般只能达到1.15μm。

（2）Im-Sn镀层极怕被手接触，在装焊周转过程中，手接触到就会立即留下手印。（3）Im-Sn表面过炉后会出现变色现象。研究发现，Im-Sn表面的变色与镀层厚度、有机物污染等因素没有关系，主要与锡面氧化层厚度有关，也就是与SnO ₂ 的膜厚有关；膜越厚，颜色就越深。

（4）Im-Sn药水在浸锡时浸泡时间长（＞15min）、镀液酸性强（pH＜1）及浸锡段操作温度比较高（＞70℃）等原因，使阻焊膜会受到攻击，其与铜的结合力变弱，严重时造成阻焊膜剥离，如图1-84所示。由于此原因，一般阻焊桥宽不能太小，否则会掉。因此，Im-Sn不太适用于有精细间距器件单板的应用。

（5）锡须是Im-Sn应用的主要部分。试验表明，锡须的发生概率很高，常达10%以上，但大部分生长长度小于50μm，如图1-85所示。对于PCBA而言，焊接后的地方就不是纯锡，不存在锡须的问题。有锡须的地方是那些没有焊膏覆盖而只有纯锡的地方，如测试点、屏蔽条，必须确保这些地方与元器件引脚之间的距离大于0.5mm。

（6）由于药水的攻击性，塞孔油墨往往有裂纹。这些裂纹可能渗进电镀药水，再流焊接时受热会喷出来，与附近的焊盘发生反应，影响外观与可靠性。

Im-Ag

Im-Ag，即Immersion Silver，又称化银。镀层厚度根据工艺要求分为薄银（薄Ag）和厚银（厚Ag）。IPC-4557推荐：薄Ag镀层厚度要求为0.07～0.15μm，用于焊接；厚Ag镀层厚度要求为0.2～0.3μm，用于引线键合。其镀层结构如图1-86所示。

Im-Ag镀层，一般是直接在铜基上形成镀Ag层，由于药水的特性，Im-Ag镀层的Ag层并非纯的Ag层，而是含有30%左右的有机物质，如图1-87所示 ，图中纵坐标为镀层组成元素的原子数百分比。由于镀层不同位置处成分组成不同，该组成比例是从镀层表层开始计算的。比如，1.2×10 ^-6 in（1in=2.54cm）厚的镀层，越靠近表层，Ag的含量越高。

1.工艺特点

Im-Ag适用于安装有大量精细间距器件（＜0.63mm）以及共面度要求比较高的PCBA。

1）优势

（1）成本相对比较低。

（2）与无铅的兼容性好。

（3）储存期比较长，通常为6～9个月；如果采用气密包装，则储存期可以达到12个月以上。

（4）可焊性好。

2）不足之处

（1）潜在的界面微空洞。

（2）与镀Au的压接连接器不兼容，因为两者间的摩擦力比较大。

（3）浸Ag层很薄，不能承受10次以上的机械插拔。

（4）非焊接区域容易高温变色。

（5）易于硫化（对硫敏感）。

（6）存在贾凡尼效应，一般沟槽深度会到达10μm左右。因贾凡尼沟槽露铜，在高硫环境下容易发生爬行腐蚀。

2.应用问题

Im-Ag表面处理，容易出现浸银表面微空洞现象及爬行腐蚀（Cu ₂ S生长）、Ag迁移（枝晶生长），这些都会严重破坏PCBA的可靠性。

（1）浸银表面处理，常常会导致焊点Ag镀层界面处出现微空洞现象，通常直径小于0.05mm（约2mil）。

浸银表面微空洞最终导致焊缝界面微空洞（也称为香槟空洞）现象，如图1-88所示，它会大大降低焊缝的强度，特别是当PCB受到板面冲击时会失效。

（2）爬行腐蚀是Im-Ag板环境中最主要的失效方式。由于阻焊边缘的小面积的露铜和大面积的银面，构成了电偶对，在潮湿的环境下Cu与空气中的H ₂ S发生电化学腐蚀，生成Cu ₂ S。

试验表明，贾凡尼发生概率平均为2.5/1000，咬蚀深度为12.66μm，如图1-89所示。

（3）乐思化学（Enthone）公司的研究表明，大面积的Im-Ag不会发生Ag迁移，如图1-90所示。Ag迁移主要发生于厚膜电路、IC内部，具有特定的场景，即缝隙露铜的场合。

（4）容易变色。

Im-Ag的变色有两种情况：一是在空气中存放一段时间后会逐渐变黑；一是再流焊接后很短的时间内出现黄棕色或棕色的晕斑。

Im-Ag表面在空气中变色，主要是因为银表面存在孔隙，与空气中的硫化物反应的结果，此变色情况业界有很多的研究，这里不再做重点说明。

Im-Ag处理的单板，再流焊接后很短的时间内的变色是很多客户不能接受的，常常被视为一种不良现象。为什么Im-Ag处理的单板会很快变色呢？这是因为Im-Ag镀层是在铜面上通过置换反应直接沉积形成的。常温下，Cu原子与Ag原子之间的扩散速度很慢，非常稳定，但是再流焊接时，由于高温的作用，Cu与Ag原子之间的扩散速度非常快，随着焊接次数的增加，Cu原子会不断往表面扩散。由于Im-Ag很薄，通常在经过两次再流焊接后，Cu原子就会扩散到Ag镀层表面。一旦Cu扩散到表面裸露出来，在空气中就很容易被氧化，从而引起变色。图1-91所示为经过Im-Ag处理的微波组件，再流焊接后约2周的时间，Ag面就出现棕斑。

对于Im-Ag单板过再流焊接后变色的问题，陈黎阳、乔书晓进行了试验研究，发现影响Im-Ag板焊接后变色的主要因素有两个——镀层厚度与空气中的暴露时间。这个研究证实了上述的说法。研究表明，提高镀层厚度和减少空气中的暴露时间，有助于减少Im-Ag板的变色。

OSP

1.关于OSP膜

OSP（Organic Solderability Preservative），在业界有护铜剂、抗氧化剂等称谓。它是一种低成本的表面处理工艺。由于OSP膜能够完全被助焊剂成分所溶解，因此，在日本OSP膜也被称为水溶性预涂助焊剂（Preflux）。

业界比较著名的OSP药水有日本的四国化成F2、F3和Enthone（乐思化学）的EMTEK PLUS系列。随着无铅化的实施，对耐焊次数有着更高的要求，业界开发了第4代的产品，如四国化成的F3。

OSP膜，本质上是Cu与苯基咪唑的络合物。分析表明Cu与苯基咪唑的比例约为1:10。苯基咪唑与Cu ⁺ /Cu ²⁺ 有亲和性，而不是Cu原子。把Cu浸入OSP槽，未溶解部分化学吸附苯基咪唑的分子，溶解的部分并入苯基咪唑中，形成网络结构，如图1-92所示。

Cu离子的浓度从最深处（Cu-OSP界面）向表面逐渐递减，如图1-93所示。这就意味着Cu的分布不均匀。值得注意的是在Cu-OSP界面存在富氧层。OSP膜保护下铜面的氧化主要来自储存与过炉，氧化程度可以通过目视检查外观颜色变化、FIB/SEM观察和SERA测量（Sequential Electrochemical Reduction Analysis）进行分析。四国化成的研究表明，再流焊接对氧化的影响是很大的，是放置时间的近40倍。抽真空的铝箔包装，储存一年基本上氧化可以忽略不计，真正有影响的是过炉和过炉后的时间。需要注意的是，市场上大部分品牌的OSP膜随着储存时间的增加可焊性会劣化。一般而言，对于OSP处理的板，真空储存一年后应作报废处理比较可靠。

2.OSP膜质量的外观判断

1）高质量OSP膜的工艺特征

原始色有一种嫩的、瓷质光泽，如图1-94所示。

随着过炉次数增加，颜色逐渐变深，如图1-95所示。不同品牌颜色不完全一样，且随视角变小而变深（会变色），但好品质的OSP膜不管过炉还是存放，始终会有瓷质光泽（特别是斜视时）。

2）低质量OSP膜的工艺特征

基本无光泽，过炉后颜色变化也不十分明显，甚至变浅。大气环境中放置一段时间后表面会变得铁锈般暗淡。

3.OSP膜工艺特性

OSP膜是最广泛使用的表面处理。由于其表面平整、焊点强度高，被推荐用于精细间距器件（＜0.63mm）及对焊盘共面度要求比较高的器件的表面处理。

1）优势

（1）成本相对最低。

（2）焊盘表面平整。

（3）与无铅兼容。

（4）供应商资源多。

2）不足之处

（1）存储期比较短，一般按6个月执行，超过9个月可焊性开始劣化，超过1年应作报废处理。

（2）热稳定性差。在首次再流焊接后，必须在OSP厂家规定的期限（一般为48h）内完成其余的焊接操作。波峰焊接对这个时间更加敏感，主要是波峰焊焊接时间比较短所致。

（3）不太适用于有电磁干扰（EMI）接地区域、安装孔、测试焊盘的单板。对于有压接孔的单板也不太适合。

4.应用问题

1）受热后可焊性劣化

（1）试验表明，OSP在再流焊接温度条件下，不会发生挥发，质量的损失＜10%，这说明OSP应用时，可以采用最薄的厚度。但是，厚度较薄会影响抗氧化能力。（2）OSP在260℃以下，不会发生分解。TG曲线表明它由固态直接转为气态，没有发生散热。

（3）可焊性的劣化主要是铜面的氧化。这种氧化主要受再流焊接次数影响。

2）应用经验

（1）OSP膜随着存储时间的增长变差，一般将3个月作为保质期。存储超过1年，可焊性就变得不可靠，润湿性变差，通常将超期板作报废或重工处理。

（2）OSP板过一次高温，可焊性显著劣化，这就是为什么需要控制焊接次数的原因。因此，选择OSP药水，主要应评估其耐焊次数的特性。OSP过炉可焊性降级，可以从OSP处理板上的焊点经常露铜这一点得到证明。焊盘上焊膏没有覆盖到的地方，再流焊接时焊锡就不会铺展到，这个现象说明OSP膜经过加热后变得不好焊接了。

（3）第一次过炉到最终完成焊接，应在48小时内完成。我们控制这个时间，主要基于控制吸潮量的考虑。经验表明，不管是过炉的还是没有过炉的，常温下可焊性的劣化速度比较慢，对可焊性的影响主要是过炉次数及峰值温度。

（4）应避免用IPA等清洗。焊膏印刷不良，如漏印，应采用重印的方法补救。

（5）对于吸湿超标的OSP板，可以采用短时烘干工艺（2h×125℃），它可以把80%的湿气驱赶出去，一般不会影响可焊性。

无铅喷锡

无铅喷锡，是无铅热风整平（Pb-Free HASL）表面处理的俗称，因国内使用的比较多，本书就以此称谓。

无铅工艺实施时，业界首先想到的表面处理就是无铅喷锡，原因很简单，就是焊接性能好。但是，由于无铅喷锡采用Sn0.7Cu合金，熔点很高，喷锡的锡槽温度达到275℃以上，这样高的温度对PCB的损伤很大，因此，无铅喷锡工艺的应用仅限于层数不多、无间距≤0.4mm的QFP的器件应用的场合。

1.工艺特点

1）优点

（1）与无铅兼容。

（2）耐存储。如果涂层厚度超过1.5μm，能够存储1年以上（有铅喷锡存储期可以长达2年）。

（3）可焊性好。在无铅喷锡时，金属间化合物Cu ₆ Sn ₅ 立即形成，涂层与铜基底界面存在金属间化合物，相当于已经完成了一半的焊接。这个厚度与无铅喷锡层的厚度无关，只与喷锡的工艺温度和喷涂次数有关，如两次垂直（温度低，265℃），IMC厚度≈0.23μm，两次水平（温度高，275℃），IMC厚度≈0.31μm。

2）不足之处

（1）成本上并不具备太大的优势，只有在层数小于或等于6层的板上具有一定价格优势。

（2）小尺寸焊盘比大尺寸焊盘喷锡更厚，如图1-96所示，因而使得密脚间距元器件相对其他镀层更容易发生桥连。

（3）镀层表面不平整，即共面性比较差，不太适合多引脚的QFN、BGA焊接。表1-4为BGA焊盘上SnCuNiGe涂层厚度 。

但是，需要指出，无铅涂层与有铅涂层相比，还是更薄更均匀一些，这也许是因为无铅焊料具有较高表面张力的结果。

2.应用问题

（1）润湿不良。通常，无铅喷锡层具有良好的可焊性，如果焊剂或焊膏活性被排除，一般可能是涂层厚度问题，如图1-97所示。如果薄的地方没有自由的锡层，存储一段时间后，当Cu ₆ Sn ₅ 长出涂层时，可焊性就会成为问题。

（2）无铅涂层的成本只在层数低于6层时具有优势，一般可以降低6%～12%。

（3）由于涂层以熔融的形式涂覆，没有残余应力。众所周知，在电镀镀层中的压应力是锡须产生与生长的主要驱动力。根据JESD22A121技术规范“锡和锡合金表面上锡须增长测量方法”委托第三方测试，在铜上热浸无铅涂层上，仅在故意引入应力的地方和按照规范在最严格的条件下（60℃、87%RH）2000h后，看到锡须的生长。值得注意的是，无银的SnCuNiGe合金，一旦诱导压力缓解，锡须即停止生长。但是，SAC305涂覆层中锡须晶体仍继续增长，这可能是由湿热环境中持续腐蚀产生的应力所驱动，如图1-98所示。