101揭開PCB***后表面處理之迷
發布時間：2012.06.13 新聞來源：不銹鋼酸冼鈍化液|不銹鋼酸洗鈍化膏|不銹鋼酸洗劑|不銹鋼表面處理-天長市俊武不銹鋼表面處理材料廠 瀏覽次數：
電子工業都把注意力集中在作為潛在的HASL替代的OSP、浸銀和浸錫上面。
雖然以產品生命周期短和迅猛的技術改變聞名，電子工業還不得不采用一種工業應用廣泛的熱空氣焊錫均涂(HASL, hot air solder leveling)的替代技術。在過去十年，有無數的論文發表，預言HASL會由有機可焊性保護層(OSP, organic solderability preservatives)、無電鍍鎳/浸金(ENIG, electroless nickel/immersion gold)或新的金屬浸泡技術諸如銀與錫所取代。到目前為止，還沒有一個預言變成現實。
HASL是在世界范圍內主要應用的***終表面處理技術。一個可預計的、******的涂層，HASL今天使用于億萬計的焊接點上。盡管如此，三個主要動力：成本、技術和無鉛材料的需要，推動著電子工業考慮HASL的替代技術。
從成本的觀點來看，許多電子元件諸如移動通信和個人計算機正變成任意使用的商品，以成本或更低的價格銷售，來保證互連網或電話服務合約。這個策略使得這些商品大量生產和日用品化。因此，須***考慮成本和對環境的長期影響。環境的關注通常集中在潛在的鉛泄漏到環境中去。僅管在北美的立法禁止鉛的使用還是幾年后的事情，但是原設備制造商(OEM, original equipment manufacturer)須***滿足歐洲和日本的環境法令，以使其產品作全球銷售。這個考慮已經孕育出許多課題，評估在每一個主要的OEM那里消除鉛的可選方法。
HASL的替代方法允許無鉛印刷電路板(PWB, printed wiring board)，也提供平坦的共面性表面，滿足增加的技術要求。更密的間距和區域陣列元件已允許增加電子功能性。通常，越高的技術對立著降低成本。可是，大多數替代方法改進高技術裝配和長期的可靠性，而還會降低成本。
成本節約是整個過程成本的函數，包括過程化學、勞力和企業一般管理費用(圖一)。象OSP、浸銀和浸錫等替代技術可提供***終表面處理成本的20 ~ 30%的減少。雖然每塊板的節約百分比在高層數多層電路板產品上可能低，日用電子的成本節約，隨著更大的功能性和鉛的消除，將驅使替代方法使用的急劇增加。
替代方法的使用將不僅會增加，而且將取代HASL作為***終表面處理的選擇。今天替代的問題是選擇的數量和已經發表的數據的純卷積。諸如ENIG、OSP、浸錫和浸銀等替代方法都提供無鉛、高可焊性、平整、共面的表面，在生產中對第一次通過裝配合格率提供重大改進。為了揭開***終表面處理的神秘面紗，這些HASL的替代方法可通過比較每個涂層對裝配要求和PWB設計的優點來區分。
裝配要求
HASL替代方法對裝配過程的作用反映表面的可焊性和它如何與使用的焊接材料相互作用。每一類替代的表面涂層 — OSP、有機金屬的organometallic)(浸錫和銀)或金屬的(ENIG) — 具有不同的焊接機制。焊接機制的這種差異影響裝配過程的設定和焊接點的可靠性。
OSP是焊接過程中須***去掉的保護性涂層。助焊劑須***直接接觸到OSP表面，以滲透和焊接到PWB表面的銅箔上。1
浸洗工藝，如浸銀或錫，有機共同沉淀消除***終表面的氧化物。不象OSP，錫和銀溶解在焊錫里面，將成為焊接點的一部分，將幫助熔濕速度。錫和銀兩者都在PWB的銅表面直接形成焊接點。
如果適當地沉淀，在ENIG表面的金是純凈的，由于其可熔于焊錫，所以將提供焊接的***快的熔濕速度。可是，當使用ENIG時，焊接點是在鎳障礙層上面形成的，不是直接在PWB的銅表面。
所有三類替代涂層都提供***佳的印刷表面，對所有類型的錫膏都一樣。錫膏直接印在表面涂層上面，提供助焊劑直接接觸、滲透OSP和熔濕PWB表面。印刷模板對沉積wm****的錫膏印刷，形成有效的密封，消除了HASL的印糊和錫橋問題。結果是三種替代涂層都有很高的第一次通過裝配合格率，焊錫熔濕方面相差很小。區別在于焊接點的強度和可靠性。幾個研究已經證實，使用OSP，直接焊接到銅的表面，提供***好強度的焊接點。2,3當使用區域陣列片狀包裝的較小焊盤時，焊接點的強度變得重要。
雖然使用上減少，波峰焊接還是今天裝配過程的構成整體的一部分。每一種***終表面涂層的焊接機制將影響助焊劑化學成分的選擇和波峰焊接工藝的設定。金屬的和有機金屬的涂層有助于通孔的焊錫熔濕，通常要求很少的助焊劑、較低活性的助焊劑和波峰的較少動蕩。免洗材料在生產條件下與OSP相處很好，但要求一些優化來增加助焊劑和/或焊錫滲透到通孔內。通常，這個優化增加助焊劑的使用量，代替特定類型的助焊劑化學成分，或通過更高的動蕩或溫度來增加焊錫滲透。
全球范圍內正在實施取代傳統波峰焊接工藝的方法。插入式回流(intrusive reflow)、選擇性焊錫噴泉(selective solder fountain)和順應針(compliant pin)正實際上使用在所有***終表面涂層上。至今為止所完成的工作表明，選擇性焊錫噴泉的動蕩改善了通孔(through-hole)的可熔濕性。孔中錫膏(paste-in-hole)或侵入式回流將助焊劑和助焊劑載體直接接觸PWB的表面，使得通孔的可熔濕性對所有***終表面涂層都是類似的。***后，由于可預見的孔的誤差，HASL的替代方法比使用順應針(compliant pin)的HASL要強。在替代方法中，較厚的浸錫為插件提供***光滑的表面，為順應針提供***寬的操作窗口。4
裝配工業現在正評估無鉛焊接替代品。雖然某些合金似乎是特別的OEM的選擇，但是，還要選擇整個工業所接受的合金。盡管如此，正在測試的所有合金都要求較高的回流溫度，并產生較慢的熔濕速度。錫膏供應商已經工程研究了專門的助焊劑化學成分，來改善這些新合金的熔濕。初始的研究表明較高的回流溫度不會影響OSP、浸銀或浸錫的可焊性或綁接強度。較高的熔化溫度明顯地幫助OSP的滲透和錫與銀表面熔濕，甚至是雙面回流。另外的測試正在進行中，以評估熔濕速度的影響和優化對***終表面涂層的特定回流參數。
PWB設計
正如所討論的，裝配過程可以優化，以適合所有的***終表面涂層。PWB的設計將***終決定適于各個應用的***佳的HASL替代方法，但更專門的包裝和互連的類型：
象按鍵接觸(key contact)、元件屏蔽(component shielding)和插件連接器(edge connector)這樣的應用要求在整個設備壽命內的接觸電阻低。
柔性的電路板通常要求鋁的或不銹鋼的加強構件或散熱器。
元件包裝和某些PWB要求引線接合(wire bonding)或與直接芯片附著用的導電性膠的兼容性。
PWB上的高密度互連(HDI, high-density interconnect)幾何形狀戲劇性地影響使用傳統無電鍍涂層的合格率。
已經看到由于裝配在ENIG上的區域陣列包裝的綁接強度不夠而出現的現場失效(field failure)。
為了滿足所有這些要求，電子工業正將注意力集中在三種主要的替代方法上：OSP、浸銀和浸錫。這三種涂層的每一種都提供適合特定PWB設計要求的優勢。
OSP是成本***低的替代方法，與多金屬表面兼容，提供***高的綁接強度。現在有新的配方，提供較薄的沉淀層，和原先的、消除了多金屬表面生銹的一樣牢固(圖二)。由于耐磨性或電解金沉淀的可焊性，要求多金屬涂層，如用于插件連接器或金引線接合(gold wire bonding)的電解鎳/金。高成本和焊接點中金的易脆性要求OSP對已焊接的連接作第二次涂層。
雖然生產已證實按鍵接觸，但ENIG也可以和新的OSP工藝一起使用，如果焊接點的強度對PWB設計是關鍵的話。這個高接合強度使得OSP成為移動電子和區域陣列包裝(area array package)的選擇。OSP也顯示與使用在倒裝芯片應用中的導電性膠的更大的兼容性(圖三)。***后，散熱器或剛性構件大都可以在***終表面處理之前容易地應用在板列形式。不象OSP，浸或無電鍍工藝將鍍在不銹鋼或鋁上面，引起變色。
和OSP與ENIG比較，浸銀還是一個相對較新的技術。可是，在過去六年里，廣泛的測試和大量的生產已經證實了這個工藝的可靠性5,6。焊錫的熔濕特性使得這種涂層更適合于一種現存的無鉛波峰焊接工藝。這種表面處理方法是大多數應用的潛在替代方法，包括屏蔽、鋁引線接合、按鍵接觸和焊接。
如表一所示，這個涂層的接觸電阻在經過老化或回流工序之后保持很低。初始的研究顯示，接觸電阻在與導電聚合物接觸300,000次后保持很低，雖然更多工作需要完成。作為一種金屬涂層，浸銀也可以在低放大或不放大的情況下檢查，使得應用者和裝配者兩個都容易決定其存在。
表一、浸銀涂層的接觸電阻
系列二，探針半徑0.020"，接觸力10oz。模擬壓縮連接器的100%接合。電阻以歐姆測量。
涂層 處理 系列號 讀數#1 讀數#2 讀數#3
電阻 電阻 電阻
OSP BTH處理 10370KG2 0.500 1.25 0.500
OSP 無環境處理 10370KKY 0.500 0.500 0.500
錫 BTH處理 10370KGM 0.025 0.025 0.025
錫 無環境處理 10370KHW 0.025 0.025 0.025
銀 BTH處理 10370K9Z 0.025 0.025 0.025
銀 無環境處理 10370K8Y 0.025 0.025 0.025
鎳/金 無環境處理 無 0.025 0.025 0.025
Sn63/Pb37 無環境處理 無 0.025 0.025 0.025
浸錫已經在PWB和金屬表面處理工業使用幾十年了。可是，已經開發出新的化學成分，使有機物與錫一起沉淀在銅的表面。這種共同沉淀的有機物消除纖維狀結晶(whisker)的增長，這是一個可靠性問題，阻礙銅錫金屬間的增長，影響可焊接性能。
這些新的浸錫工藝的結果是，較厚的***終表面涂層(30 ~ 50 millionths百萬分之一)，提供光滑表面給順應針插件和在線測試(ICT, in-circuit test)滲透。正在進行中的研究，評估相對ICT探針磨損和幾種最終表面涂層的性能。新的浸錫工藝很容易適應無鉛裝配，并與浸銀一樣，它們的存在容易檢查。
結論
OSP、浸銀和浸錫用于混合技術和水溶性與免洗裝配技術，都將提供高的第一次通過裝配合格率。每個產品的適當應用是通過PWB的設計要求來明確的：
OSP是成本***低的涂層，為芯片規模(chip-scale)和倒裝芯片(flip chip)包裝提供***好的焊接強度。新的配方能夠處理多金屬表面，如鎳/金帶自動連接(TAB, tape automated bonding)或鋁散熱器和剛性構件。
浸銀提供一種可引線接合的(wire bondable)單一的表面涂層，具有對按鍵接觸的和金屬對金屬屏蔽的低接觸電阻。
浸錫提供較厚的、均勻金屬涂層，改善ICT探針壽命和壓入裝配針的光滑性。
OSP已經是HASL替代品的市場主流，為應用者提供***寬的處理窗口。作為較新的產品，浸銀和錫還須***達到相同的市場滲透，現在，要求應用過程中更多的關注。全球都在作經驗積累，以解決工藝問題，使得可以從HASL容易地轉換到其它替代方法。
雖然以產品生命周期短和迅猛的技術改變聞名，電子工業還不得不采用一種工業應用廣泛的熱空氣焊錫均涂(HASL, hot air solder leveling)的替代技術。在過去十年，有無數的論文發表，預言HASL會由有機可焊性保護層(OSP, organic solderability preservatives)、無電鍍鎳/浸金(ENIG, electroless nickel/immersion gold)或新的金屬浸泡技術諸如銀與錫所取代。到目前為止，還沒有一個預言變成現實。
HASL是在世界范圍內主要應用的***終表面處理技術。一個可預計的、******的涂層，HASL今天使用于億萬計的焊接點上。盡管如此，三個主要動力：成本、技術和無鉛材料的需要，推動著電子工業考慮HASL的替代技術。
從成本的觀點來看，許多電子元件諸如移動通信和個人計算機正變成任意使用的商品，以成本或更低的價格銷售，來保證互連網或電話服務合約。這個策略使得這些商品大量生產和日用品化。因此，須***考慮成本和對環境的長期影響。環境的關注通常集中在潛在的鉛泄漏到環境中去。僅管在北美的立法禁止鉛的使用還是幾年后的事情，但是原設備制造商(OEM, original equipment manufacturer)須***滿足歐洲和日本的環境法令，以使其產品作全球銷售。這個考慮已經孕育出許多課題，評估在每一個主要的OEM那里消除鉛的可選方法。
HASL的替代方法允許無鉛印刷電路板(PWB, printed wiring board)，也提供平坦的共面性表面，滿足增加的技術要求。更密的間距和區域陣列元件已允許增加電子功能性。通常，越高的技術對立著降低成本。可是，大多數替代方法改進高技術裝配和長期的可靠性，而還會降低成本。
成本節約是整個過程成本的函數，包括過程化學、勞力和企業一般管理費用(圖一)。象OSP、浸銀和浸錫等替代技術可提供***終表面處理成本的20 ~ 30%的減少。雖然每塊板的節約百分比在高層數多層電路板產品上可能低，日用電子的成本節約，隨著更大的功能性和鉛的消除，將驅使替代方法使用的急劇增加。
替代方法的使用將不僅會增加，而且將取代HASL作為***終表面處理的選擇。今天替代的問題是選擇的數量和已經發表的數據的純卷積。諸如ENIG、OSP、浸錫和浸銀等替代方法都提供無鉛、高可焊性、平整、共面的表面，在生產中對第一次通過裝配合格率提供重大改進。為了揭開***終表面處理的神秘面紗，這些HASL的替代方法可通過比較每個涂層對裝配要求和PWB設計的優點來區分。
裝配要求
HASL替代方法對裝配過程的作用反映表面的可焊性和它如何與使用的焊接材料相互作用。每一類替代的表面涂層 — OSP、有機金屬的organometallic)(浸錫和銀)或金屬的(ENIG) — 具有不同的焊接機制。焊接機制的這種差異影響裝配過程的設定和焊接點的可靠性。
OSP是焊接過程中須***去掉的保護性涂層。助焊劑須***直接接觸到OSP表面，以滲透和焊接到PWB表面的銅箔上。1
浸洗工藝，如浸銀或錫，有機共同沉淀消除***終表面的氧化物。不象OSP，錫和銀溶解在焊錫里面，將成為焊接點的一部分，將幫助熔濕速度。錫和銀兩者都在PWB的銅表面直接形成焊接點。
如果適當地沉淀，在ENIG表面的金是純凈的，由于其可熔于焊錫，所以將提供焊接的***快的熔濕速度。可是，當使用ENIG時，焊接點是在鎳障礙層上面形成的，不是直接在PWB的銅表面。
所有三類替代涂層都提供***佳的印刷表面，對所有類型的錫膏都一樣。錫膏直接印在表面涂層上面，提供助焊劑直接接觸、滲透OSP和熔濕PWB表面。印刷模板對沉積wm****的錫膏印刷，形成有效的密封，消除了HASL的印糊和錫橋問題。結果是三種替代涂層都有很高的第一次通過裝配合格率，焊錫熔濕方面相差很小。區別在于焊接點的強度和可靠性。幾個研究已經證實，使用OSP，直接焊接到銅的表面，提供***好強度的焊接點。2,3當使用區域陣列片狀包裝的較小焊盤時，焊接點的強度變得重要。
雖然使用上減少，波峰焊接還是今天裝配過程的構成整體的一部分。每一種***終表面涂層的焊接機制將影響助焊劑化學成分的選擇和波峰焊接工藝的設定。金屬的和有機金屬的涂層有助于通孔的焊錫熔濕，通常要求很少的助焊劑、較低活性的助焊劑和波峰的較少動蕩。免洗材料在生產條件下與OSP相處很好，但要求一些優化來增加助焊劑和/或焊錫滲透到通孔內。通常，這個優化增加助焊劑的使用量，代替特定類型的助焊劑化學成分，或通過更高的動蕩或溫度來增加焊錫滲透。
全球范圍內正在實施取代傳統波峰焊接工藝的方法。插入式回流(intrusive reflow)、選擇性焊錫噴泉(selective solder fountain)和順應針(compliant pin)正實際上使用在所有***終表面涂層上。至今為止所完成的工作表明，選擇性焊錫噴泉的動蕩改善了通孔(through-hole)的可熔濕性。孔中錫膏(paste-in-hole)或侵入式回流將助焊劑和助焊劑載體直接接觸PWB的表面，使得通孔的可熔濕性對所有***終表面涂層都是類似的。***后，由于可預見的孔的誤差，HASL的替代方法比使用順應針(compliant pin)的HASL要強。在替代方法中，較厚的浸錫為插件提供***光滑的表面，為順應針提供***寬的操作窗口。4
裝配工業現在正評估無鉛焊接替代品。雖然某些合金似乎是特別的OEM的選擇，但是，還要選擇整個工業所接受的合金。盡管如此，正在測試的所有合金都要求較高的回流溫度，并產生較慢的熔濕速度。錫膏供應商已經工程研究了專門的助焊劑化學成分，來改善這些新合金的熔濕。初始的研究表明較高的回流溫度不會影響OSP、浸銀或浸錫的可焊性或綁接強度。較高的熔化溫度明顯地幫助OSP的滲透和錫與銀表面熔濕，甚至是雙面回流。另外的測試正在進行中，以評估熔濕速度的影響和優化對***終表面涂層的特定回流參數。
PWB設計
正如所討論的，裝配過程可以優化，以適合所有的***終表面涂層。PWB的設計將***終決定適于各個應用的***佳的HASL替代方法，但更專門的包裝和互連的類型：
象按鍵接觸(key contact)、元件屏蔽(component shielding)和插件連接器(edge connector)這樣的應用要求在整個設備壽命內的接觸電阻低。
柔性的電路板通常要求鋁的或不銹鋼的加強構件或散熱器。
元件包裝和某些PWB要求引線接合(wire bonding)或與直接芯片附著用的導電性膠的兼容性。
PWB上的高密度互連(HDI, high-density interconnect)幾何形狀戲劇性地影響使用傳統無電鍍涂層的合格率。
已經看到由于裝配在ENIG上的區域陣列包裝的綁接強度不夠而出現的現場失效(field failure)。
為了滿足所有這些要求，電子工業正將注意力集中在三種主要的替代方法上：OSP、浸銀和浸錫。這三種涂層的每一種都提供適合特定PWB設計要求的優勢。
OSP是成本***低的替代方法，與多金屬表面兼容，提供***高的綁接強度。現在有新的配方，提供較薄的沉淀層，和原先的、消除了多金屬表面生銹的一樣牢固(圖二)。由于耐磨性或電解金沉淀的可焊性，要求多金屬涂層，如用于插件連接器或金引線接合(gold wire bonding)的電解鎳/金。高成本和焊接點中金的易脆性要求OSP對已焊接的連接作第二次涂層。
雖然生產已證實按鍵接觸，但ENIG也可以和新的OSP工藝一起使用，如果焊接點的強度對PWB設計是關鍵的話。這個高接合強度使得OSP成為移動電子和區域陣列包裝(area array package)的選擇。OSP也顯示與使用在倒裝芯片應用中的導電性膠的更大的兼容性(圖三)。***后，散熱器或剛性構件大都可以在***終表面處理之前容易地應用在板列形式。不象OSP，浸或無電鍍工藝將鍍在不銹鋼或鋁上面，引起變色。
和OSP與ENIG比較，浸銀還是一個相對較新的技術。可是，在過去六年里，廣泛的測試和大量的生產已經證實了這個工藝的可靠性5,6。焊錫的熔濕特性使得這種涂層更適合于一種現存的無鉛波峰焊接工藝。這種表面處理方法是大多數應用的潛在替代方法，包括屏蔽、鋁引線接合、按鍵接觸和焊接。
如表一所示，這個涂層的接觸電阻在經過老化或回流工序之后保持很低。初始的研究顯示，接觸電阻在與導電聚合物接觸300,000次后保持很低，雖然更多工作需要完成。作為一種金屬涂層，浸銀也可以在低放大或不放大的情況下檢查，使得應用者和裝配者兩個都容易決定其存在。
表一、浸銀涂層的接觸電阻
系列二，探針半徑0.020"，接觸力10oz。模擬壓縮連接器的100%接合。電阻以歐姆測量。
涂層 處理 系列號 讀數#1 讀數#2 讀數#3
電阻 電阻 電阻
OSP BTH處理 10370KG2 0.500 1.25 0.500
OSP 無環境處理 10370KKY 0.500 0.500 0.500
錫 BTH處理 10370KGM 0.025 0.025 0.025
錫 無環境處理 10370KHW 0.025 0.025 0.025
銀 BTH處理 10370K9Z 0.025 0.025 0.025
銀 無環境處理 10370K8Y 0.025 0.025 0.025
鎳/金 無環境處理 無 0.025 0.025 0.025
Sn63/Pb37 無環境處理 無 0.025 0.025 0.025
浸錫已經在PWB和金屬表面處理工業使用幾十年了。可是，已經開發出新的化學成分，使有機物與錫一起沉淀在銅的表面。這種共同沉淀的有機物消除纖維狀結晶(whisker)的增長，這是一個可靠性問題，阻礙銅錫金屬間的增長，影響可焊接性能。
這些新的浸錫工藝的結果是，較厚的***終表面涂層(30 ~ 50 millionths百萬分之一)，提供光滑表面給順應針插件和在線測試(ICT, in-circuit test)滲透。正在進行中的研究，評估相對ICT探針磨損和幾種最終表面涂層的性能。新的浸錫工藝很容易適應無鉛裝配，并與浸銀一樣，它們的存在容易檢查。
結論
OSP、浸銀和浸錫用于混合技術和水溶性與免洗裝配技術，都將提供高的第一次通過裝配合格率。每個產品的適當應用是通過PWB的設計要求來明確的：
OSP是成本***低的涂層，為芯片規模(chip-scale)和倒裝芯片(flip chip)包裝提供***好的焊接強度。新的配方能夠處理多金屬表面，如鎳/金帶自動連接(TAB, tape automated bonding)或鋁散熱器和剛性構件。
浸銀提供一種可引線接合的(wire bondable)單一的表面涂層，具有對按鍵接觸的和金屬對金屬屏蔽的低接觸電阻。
浸錫提供較厚的、均勻金屬涂層，改善ICT探針壽命和壓入裝配針的光滑性。
OSP已經是HASL替代品的市場主流，為應用者提供***寬的處理窗口。作為較新的產品，浸銀和錫還須***達到相同的市場滲透，現在，要求應用過程中更多的關注。全球都在作經驗積累，以解決工藝問題，使得可以從HASL容易地轉換到其它替代方法。
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