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1、无铅技术系列文章五：PCB和PCB焊盘镀层心薛竞成 撰写前言：上篇文章我们谈到了焊料合金。我们也提到整个焊接必须当作个系统 来处理和考虑。而这个系统中就包括了材料、工艺、设备、检测、返 修几个主要部分。在材料中，除了焊料合金和助焊剂是个关键技术外， 就是 PCB 材料、焊盘镀层（保护层），以及器件焊端的材料了。我 们这期就来看看 PCB 方面的发展。无铅技术对 PCB 主要造成两个方面的影响。一是较高的热量或温度 对 PCB 基材造成的破坏威胁；另一是和焊盘保护镀层材料相关的， 虽然镀层材料在进入无铅技术时并没有什么变化，但由于焊料合金的 改变，使焊点和焊盘界面特性也起了变化，而这变化是否影响
2、焊点的 可靠性，是无铅技术研究的重点之一。PCB 的耐热性能：虽然无铅焊接可以在传统的温度范围内进行（即所谓的drop-in工艺）， 但对于多数用户来说，要做到这一点是不容易的。尤其是要做到每一 种产品都能够在传统的峰值为235C以下焊接成功的话，就需要有十 分良好的DFM、设备和工艺的配合。这些技能的掌握并非容易。所 以对于许多用户来说，无铅也就意味着较高的焊接温度。而在较高温 度的情况下，原有的PCB材料是否还能够承受这些热量而不会出现 可靠性问题呢在传统工艺上，PCB 的软化温度（Tg，Glass Transition Temperature） 一直是个主要的关注指标。这特性指标也常间接
3、地被使用来评估基板 的耐热性。越高的Tg，意味着耐热性较高，也意味着在焊接过程中 变形的程度会较小。在常用的FR4材料上，Tg的范围大约从低Tg 值的120+ C到高Tg类FR4的180C左右。而这温度，在无铅的一 些应用上（如大而薄的BGA）是不太理想的。所以追求更高的Tg, 或在使用上小心设计，或采用drop-in工艺（注一），是一些无铅用 户的研发重点。不过在无铅的普遍高温度的研究中，使业界发现了在PCB基材上， 有另外一个特性对我们的应用更重要。这就是层压分离温度（Td, Delamination temperature）。这特性指的是在某一高温下，PCB的层 压间开始失去结合力而出现
4、脱离现象。在锡铅技术时代，人们很少发 现PCB分层的问题（除非是PCB的制造上问题）。但当焊接温度和 时间加高加长以后，这类问题开始出现了。所以用户也就开始关心供 应商使用的材料的这一特性指标。一些专家认为，在无铅技术中，这 指标甚至比Tg的应用更为重要。原因是它所表示的特性，遇到问题 的可能性更高。Td在英文中有时也称为Decomposition Temperature（缩写不变，都是Td）。也就是分解温度。原因是造成分层问题的 原因，是由PCB基材中树脂的化学分解造成的。不过虽然Td在无铅 应用中很重要，并非所有的供应商对这特性都给于测试以及制定指 标，所以还得通过用户不断的提出要求才能推
5、动起来。还有一个特性，就是影响外观的变色。一些FR4材料在240C以上时 就会变色（变得更深更暗的褐色）。而无铅焊接的温度可能高达245 到250C,这将会给产品带来外观上的问题。虽然此时的基板质量（如 绝缘性等）并没有变，但对用户来说总是个不放心的因素。由于目前没有Tg超过260C的材料，所以焊接过程中产生曲翘的传 统问题依然存在。甚至随着焊接热量的增加而更严重。而这方面一直 也缺乏测试指标（注二），所以用户必须得自行处理。PCB 的耐热测试：不像SMT器件，到目前为止，还没有一个较统一的测试方法用来鉴 定PCB在无铅技术中的使用质量。一些大企业例如IBM等有自己的 测试方法。一般都像器件一
6、样的采用类似回流温度曲线来测试。因为 大家认为这是最接近实际应用的状况。事实上由于测试时使用的多是 裸板，其负荷和对流条件和实际产品是有出入的。我们在实际应用中， 所要确保的是焊点上的温度变化，以求符合我们所要的温度曲线，当 我们通过设置来达到这目的时，由于以上所说的空气对流性的影响（和布局有很大的关系），以及导热特性的变化（和PCB内层布线 等相关），我们在板上不同点的温度也有不同的变化。所以严格遵守 焊接回流曲线图形是没有必要的。而更重要的，是测试时的温度和时 间以及升温和降温速率的设置，也就是热量的大小和热冲击程度的模 拟才是个关键。为此，笔者比较喜欢使用梯形或双梯形（注 三）的测试方法
7、。如果读者采用焊接回流曲线的测试法，我建议测试的参数必须比IPC/JEDEC的J-STD-020C来得严峻。因为在实际应用中，PCB由于两面受热以及对流条件较器件好，很多时候是可能热于器件的。我见 过的测试做法，都采用和器件测试参数很接近的，有些参数甚至比器 件测试的要求低。这是不太理想和值得再研究的。目前被看好的镀层技术：PCB 上焊盘一般都是使用铜，为了防止铜的氧化而造成可焊性差的现 象，所有的焊盘表面都有经过保护涂层或镀层的处理。由于在锡铅技 术时代，许多镀层的材料都已经不含有铅，所以在进入无铅技术的研 究中，这方面主要是把焦点放在和新的无铅焊料合金的兼容性上。同 时，由于 SMT 一直
8、也在朝向微型化发展，而焊盘的平整对微型组装 是个重要因素，所以当业界在处理无铅技术的焊盘镀层时，同时也考 虑到镀层技术所能提供的平整度。这一来，使用最广的传统热风整平 锡铅技术（HASL）的用户，受到影响的也将会很多。焊盘保护镀层的种类也不少。其中有纯锡Sn、纯银Ag、纯铋Bi、以 及合金的锡银SnAg、锡铋SnBi、锡铜SnCu、锡镍SnNi、钯Pd和钯 合金、还有多层的钯/金Pd/Au、镍/钯Pd/Ni、镍/锡Ni/Sn、镍/金 Ni/Au、以及有机涂层的OSP。在众多技术中目前较受到看好的镀层 技术有以下几种：OSP 镍金层（有 Electroless 和 ENIG） 浸银ImAg纯锡（
9、有Electroless和浸锡）业界，尤其是日本方面，也在发展热风整平HASL的无铅技术。虽然 有一定的成果，但其他技术的发展以及对平整度的要求，是这门技术 再不像以往锡铅时代一样的具有很大的优势。最终是否能受大部分用 户欢迎而成为主流还是个未知数。镀层加工技术：一直以来，焊盘保护层的加工（电镀）技术，并没有得到SMT用户 广泛的关注。我们一般在SMT组装用户中都把这门知识交给供应商， 很少有SMT工程师对这方面熟悉的。不过在无铅技术的研究中，业 界发现不同的加工工艺对焊点的可靠性也有一定的影响。其实这状况 在锡铅技术中也有，但无铅的某些情况下似乎较严重。例如金属须（Whisker）问题，在电
10、镀加工中情况严重，而在浸镀和热风整平中 几乎没有见到过（这类问题在锡铅技术中由于铅的存在能够抑制金属 须而不被关注）。除了个别工艺在可靠性上有差异外，我们还发现在 不同工艺中，其质量保证的要求也不一样。例如电镀（Electroplated） 工艺本身是较容易控制的。但无电极电镀就需要复杂的电镀液和控 制，对于质量的一致性保证难度较高。这些技术在供应商方面是否能掌握得好会直接影响用户的产品质量。所以对于那些产品要求可靠性 高的行业，这可是个SMT工程师需要学习了解的新课题。常用的镀层技术有电镀(Electroplating)、无电极电镀或化学电镀(Electroless plating)、浸镀(
11、Immersion)或以上的混合式，例如无 电极电镀加浸镀。这些技术和镀层材料(如Sn, Pd, Ag, Au等)配合， 就出现不同的工艺和寿命特性。这些技术各有特点，比如电镀容易控 制，但因为加工时必须通电流，而决定电镀程度的电流密度受到电镀 面外形的影响，所以这工艺用在高密度上较不理想。无电极电镀的工 艺控制难，虽然结果能够有好的质量，但供应商必须对该技术有很好 的认识和掌握才行。图一种显示了两个由于电镀工艺控制不好的故障 例子。r2 - 1- 警甲各芒图一：电镀工艺失控造成的质量问题，左边是针孔，右边是裂痕现象在无电极电镀技术中，电镀液的配方和控制是个关键。除了要掌握这 配方外，电镀过程
12、的温度、时间、耗损、以及电镀液的酸性值等都是 必须控制的。所以这门技术对供应商的要求较高，而用户在供应商的选择和能力评估上就有必要更小心，以免遇到批量质量的变化和风险。图二显示了因温度变化造成的电镀差异。图二：不同温度下电镀的表面颗粒状况。这些差异影响如Whisker和IMC等的程度问题 浸镀和无电极电镀一样，是属于化学镀的一种。和无电极电镀的一大 不同是，这类镀层的厚度是自然形成的，是受材料影响而不是受工艺 所控制的。比如浸锡镀层的厚度就较浸银厚得多。镀层的厚度影响库 存寿命以及组装的焊接工艺参数和最终的焊点质量，所以如果配搭不 良就会造成质量问题。这也是用户必须了解和关注的。供应界的情况：
13、不像锡膏、焊料和器件方面供应商一般采取较针对供应的情况，在 PCB供应商中一般都能同时提供多种常用镀层工艺的技术。例如绝大 部分供应商都能够同时提供HASL，OSP，ENIG，E-Ni/Au技术。而 也有不少能够提供ImAg，ImSn和无电极电镀Sn技术的。必须强调 的一点，是虽然不少供应商都能够提供多数常用的技术和材料，但实 际影响用户的，在很大的程度上还有供应商的工艺技术和质量管理能 力。这方面在以往锡铅时代都不被用户重视，但在无铅技术中就应该 加以考虑。作为用户，您至少应该先判断这方面是否是您可以忽略的。 市场的使用情况：在锡铅技术中，热风整平（HASL）技术由于成本优势是最被广泛接 受
14、的。但当需要较平整表面，无需长时间库存和多次加热应用时，另 一类的 OSP 技术也大量被采用。如果对保护性要求更高，以及需要 接触点和键合工艺时，则多数采用ENIG技术。这种情况在无铅到来时只有少部分的改变。主要是由于传统的HASL 技术多使用锡铅焊料度层，其材料必须给于改变。加上 HASL 的平整 度一向不太理想，所以在进入无铅后 HASL 技术将会被取代。而取代 的就自然是原本就不含铅的OSP和ENIG。除了这两种技术外，在全 球的三大经济体中，对其他技术的使用偏好也有不同的情况。日本在 研究和推动无铅的HASL，主要是以SAC和SnCu为合金材料；美国 看好ImAg；而欧洲则似乎较喜欢I
15、 mSn。前年美国的一份市场调查报 告，预测在 2006 年无铅大量推行的时候，各种 PCB 镀层技术的使用 量约如图三中所是示。3C%IS%图三 2006年PC库镀展使用顼测这调查结果可能不适合中国的情况。主要是由于中国的许多加工业和 北美相比之下，还是属于低成本以及对可靠性要求不很高的产品（这 还包括了对质量的认识和意识不同的问题）。而虽然ImAg的成本已 经大大下降到十分接近HASL的程度（但还不如OSP），但ENIG或 Ni/Au的成本仍然十分可观。所以除了某些应用外，相信大部分用户 还是会使用OSP，或可能追随日本的发展方向-无铅HASLo常用镀层技术的特性：市场上出现各种的镀层材料
16、和技术，肯定有他们受欢迎之处。而一般 也各有各的强弱点。图四是各种常用技术在一些重要特性上的比较。 读者可以从中了解到各种存在技术的特性和存在的原因。例如Ni/Au 在保护性能方面有彳艮好的性能，但却存在成本彳艮高、库存寿命较低以 及IMC影响可靠性的问题。OSP具有成本、加工温度低和工艺容易 的优势，但质量的稳定性、库存寿命和对F lux的兼容性上却是用户 所担心的。基本来说，没有一种技术是具备绝对优势的。如果从整体较平衡的角度来评估的话，ImAg似乎较具有优势。这就是近来ImAg 被美国为主的用户所欢迎的原因。尤其是当其成本下降之后，已成为 具有很大发展潜能的技术。HASLImAgImSnOSPE-Ni/Au库存寿命（月）12121266成本
