常用无铅镀层技术的特性.doc

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1、欧盟WEEE与RoHS指令于2006年7月1日正式实施，直接对电子电子行业造成极大的冲击。欧盟WEEE与RoHS指令要求生产国、生产企业必须负责电气、电子产品的回收工作，同时亦对电气、电子产品中的有害物质提出禁用要求。 RoHS指令禁用物质量化指示：Pb（铅） 100010-6即1000ppmHg（汞） 100010-6即1000ppmCd（镉） 10010-6即100ppmCr+6（六价铬） 100010-6即1000ppmPBB（多溴联苯） 100010-6即1000ppmPBDE（多溴二苯醚） 100010-6即1000ppm由于欧盟WEEE与RoHS指令的实施，市场上出现各种的无铅镀层

2、材料和技术。而一般也各有各的强弱点。下图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在保护性能方面有很好的性能，但却存在成本很高、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Flux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。镀层技术性能 HASL ImAg ImSn OSP E-Ni/A

3、u Flash gold热风整平 化学沉银 化学沉锡 抗氧化 化学镍金 电镀镍金库存寿命(月)12 12 12 6 6 12生产成本 低 中 中 低 高 高镀层平整性 低 高 高高 高 高焊接次数 4 5 5 3 4 5加工难度 高 中 中 低 高 高加工温度()240 50 70 40 80 50镀层厚度(um)1-25 0.05-0.2 0.8-1.2 0.2-0.5 0.05-0.2 0.05-0.2厚度可控性 低 中 中 低 高 高润湿性 高 高 高 中 中 中Flux兼容性 高 高 高 中 高 高IMC影响 中 低 中 低 高 高HASL热风整平：由于成本低和使用习惯而受欢迎，日本较

4、看好这技术而有较多的研究投入。主要是在SAC以及SnCu合金上。但欧美不看好它的发展。主要基于其平整度问题、高温加工问题以及工艺对员工有健康风险等考虑。HASL能够提供和焊料合金完全匹配的材料，有很好的润湿性。但它会有IMC增长以及对PCB绿油不利等问题。所以发展情况不是很肯定，是否最终会被广泛接受，得看大多数用户对工艺和质量的敏感程度，OSP和ImAg的成本竞争状况，以及用户们是否能够舍弃这传统的工艺而定。 ImAg化学沉银：在常用技术中，ImAg相对是门较新的技术，而其被看好也是最近几年的事。ImAg在各方面都表现不错，是个表现“均衡”的技术。加上其加工技术上的改善，使成本得以下降，虽然仍

5、高于HASL和OSP技术，但低于ImSn和Electroless Sn，尤其低于Ni/Au许多能够处理Ni/Au在键合以及接触点的应用上，使这技术被业界看好，有很大的发展潜能。 ImAg技术上的好处包括平整度高，导电性强，IMC（Ag3Sn）较其他镀层材料的IMC坚固，加工温度低（一般46度），润湿性好以及库存寿命长等等。 纯Sn技术：采用纯锡的最大好处是和一般含Sn量高的无铅焊料焊接后没有IMC的问题。但焊盘（铜）镀层加工后形成的SnCu层增长很快，造成库存寿命不长。在早期，纯锡镀层的质量很不稳定而曾经一度不受欢迎。近来在工艺上的改进（使用“白锡”和所谓的“FST”）使这门技术又开始被接受。

6、有些供应商甚至认为它将成为无铅技术中PCB镀层技术的主流。不过这必须在Whisker，镀层加工后的IMC增长，以及锡瘟等顾虑得到较好的处理后才可能出现。 镀纯锡技术以所有三种常见工艺出现。即电镀、无电极电镀、以及浸镀技术。无电极电镀技术，由于Electroplated电镀纯锡技术中存在的金属须以及镀层厚度不均等问题而取代它。新的Electoplating电镀纯锡技术，有报告说通过电镀液配方造出较大多边形结晶颗粒结构以及采用白锡，可以防止金属须的产生。加上其相对简单的工艺，使Electroplating技术又再抬头。ImSn由于成本低和工艺简单，在纯锡镀层中的应用已经广泛。ImSn在焊接工艺上被

7、认为是表现最接近SnPb技术的（无铅技术中所有的材料工艺表现都不如传统的锡铅材料），但由于浸镀技术对厚度的控制能力不强，镀层厚度一般只有1.5um或以下。这使这门技术的库存寿命受到较大的威胁。 近来出现的另外一种新技术，是在浸锡前在焊盘表面镀上一层有机金属。实验证明这工艺能够减小纯锡应用中IMC层的增长速度。使纯锡应用的地位又进一步得到提升。 Ni/Au技术：Ni/Au技术的好处是表面平整度高；可以承受多次的焊接（Ni可以承受多次加热而不会有底层的Cu溶蚀现象）；库存寿命长；容易和多数焊剂兼容；Ni层能够阻止Cu溶蚀入焊点的Sn中而形成对焊点不利的合金，对焊点寿命有利（但Au对焊点不利而必须给

8、于量上的控制）。Ni/Au的弱点是成本高，以及不适用于所有绿油。而且Au镀层厚度以及后续焊接工艺的控制不好时会造成焊点可靠性的损失问题。 常用的Ni/Au电镀技术有无电极电镀Electroless Ni/Au（简称ENEG）和Electroless Ni/ImAu（简称ENIG）两种。其中ENIG使用较多，Electroless技术其次，市场上虽然也有有电极的Electroplated Ni/Au但供应较少。 焊点可靠性方面，Ni/Au由于Au和IMC特性的关系，一般不如其他镀层材料技术。Au镀层厚度是个质量控制的要点，而这又必须在库存寿命和可靠性的矛盾需求之间找到平衡点。此外，无电极电镀技术

9、的焊点可靠性也差于有极电镀。这是因为工艺中固有的磷含量的影响。在无电极电镀中，当焊点形成后，在Ni和以Sn为主的焊料之间存在3层IMC，分别为含大量磷的NiP层，NiPSn层以及Ni2Sn4层。而其中NiP层和NiPSn层之间的结合力很脆弱，是焊点的强度受到影响。所以无电极电镀技术的焊点一般不如有电极电镀技术。不过在实际经验中业界也发现，在无铅焊接中如果使用SAC焊料，其中的Cu成分在Ni和Sn之间形成CuNiSn的IMC层。这有助于加强焊点的寿命，是其接近有电极电镀技术的能力。而在比较OSP、HASL、ImAg、和Ni/Au可靠性的试验中也发现，除了Ni/Au外，其他的可靠性在无铅SAC焊接

10、中的可靠性都较锡铅中逊色。唯有Ni/Au由于CuNiSn层的出现而变得更可靠。 业界使用最广的Ni/Au技术是ENIG技术。也就是先对焊盘进行无电极电镀镍层后，再进行浸镀金的做法。ENIG有工艺较简单的优势。但金的镀层厚度不能随意控制，而且业界都已经知道其质量不如Electroplated和ENEG技术。常出现的问题有“镀层针孔”、黑斑、“黑Pad”、绿油脆化、漏镀、高磷IMC层、AuSn4沉淀等。其中有些问题的机理还没有完全被了解。不过ENIG有个重要的强点，就是使用在高密度和多I/O板上。因为这类板需要很多的通接孔和层次多，细而长的通接孔形状不利于有电极电镀工艺，采用ENIG工艺可以确保较

11、好的寿命。 OSP有机保护膜技术：OSP技术早期在日本十分受欢迎，在市场调查中，有约4成的单面板使用这种技术，而双面板也有近3成使用它。在美国，OSP技术也在1997年起激增，从1997以前的约10%用量增加到1999年的35%。OSP并非新技术，它实际上已经有超过35年，比SMT历史还长。OSP具备许多好处，例如平整面好，和焊盘的铜之间没有IMC形成，允许焊接时焊料和铜直接焊接（润湿性好），低温的加工工艺，成本低（可低于HASL），加工时的能源使用少等等。 OSP有三大类的材料：松香类（Rosin），活性树脂类（Active Resin）和唑类（Azole）。目前使用最广的是唑类OSP。唑类

12、OSP已经经过了约5代的改善，这五代分别名为BTA，IA，BIA，SBA和最新的APA。早期的BTA类对湿度敏感，库存寿命很短（3个月），不能承受多次加热，而且需要较强的焊剂，所以性能不是很好。一直到70年代有日本开发的第三代BIA类OSP后才有较显著的改善。美国市场也在80年代开始采用这类OSP，同时被正在发展的SMT所接受。不过BIA的耐热性仍然是个弱点。目前仍然有供应商提供BIA类的OSP，但逐渐在为新一代的SBA所取代。 SBA是1997年的研发成果，有美国IBM推出而后得到在OSP技术上享有盛名的日本“四国化学”公司的改善。在保护性和耐热性有显著的加强。其耐热性已经可以承受3次的回流

13、处理（但多次加热后需要较强的焊剂）。SBA是目前OSP供应的主流。成本低于传统的HASL，所以在锡铅时代已经被大量的使用，尤其是单面板上。在双面回流板以及混装板工艺应用上却仍然有些顾虑。 随着无铅技术的推进，OSP技术，即使是较好的SBA技术，将不能很理想的支持无铅的高温环境和可能出现的多次焊接。在不断研究中，业界有出现了更新更好的技术。这就是最新一代的Aryl Phonylimidazole（APA）了。这类OSP的分解温度为355oC，能够承受多次加热。而且能够和一般的免清洗焊接兼容，无需较强的助焊剂。它还有一个好处，就是不沾金。这允许使用在需要金手指应用的板上，加工时不需要覆盖（Mask

14、ing）工艺。这类OSP的出现给业界带来了好消息。 OSP当然也有它不足之处，例如实际配方种类多，性能不一。也就是说供应商的认证和选择工作要做得够做得好。OSP处理的表面容易受损，库存和取放等必须给于小心管理；锡膏印刷工艺要掌握得好，因为印刷不良的板不能使用IPA等进行清洗，会损害OSP层。透明和非金属的OSP层厚度也不容易测量，透明性对涂层的覆盖面程度也不容易看出，所以供应商这些方面的质量稳定性较难评估；OSP技术在焊盘的Cu和焊料的Sn之间没有其他材料的IMC隔离，在无铅技术中，含Sn量高的焊点中的SnCu增长很快，影响焊点的可靠性。专用名词解释PPM(Part Per Million)：百万分之一RoHS(Restriction of the use of Hazardous Substances)：电子、电气设备中限制使用某些有害物质指令WEEE(Waste form Electrical and Electronic Equipment)：报废电子电气设备回收指令