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PCB浸镀银工艺之常见缺陷

   文章来源:Internet  发布时间:2009-09-03  访问量:2819

一、前言
  由于浸镀银用于PCB可焊性皮膜的成功实绩越来越多,因而从多家PCB厂与下游组装的量产中,较易取得极多的宝贵资料。本文在于浸镀银被退货与失效等实务案例,也就是集中检讨PCB与下游组装两大量产领域中所发生的各种不良失效现象。
  二、案例调查
  所访查的对象是来自64家PCB厂及29家组装客户共93个参与的业者,从其失效或被拒收板类中,可归纳出有关浸银皮膜的六个主要缺失,下表1中即按其重要性而对其失效内容加以分类。

          
                          表1 浸镀银量产中容易出现失效模式之统计
  若从各种缺点所造成成本损失的观点来看,无疑的是焊点中微空洞缺点所占的比例最高。由于密装板上零件太多太密已无从进行返修,多半拒收的高额损失是发生在组装工厂中。其中客户端尚未组装前,进料检验发现微洞问题而遭剔退者只有8件。至于焊锡性问题方面则PCB厂全无不良纪录,组装厂也只有3件疑似者,而且仔细追究之下发现竟然是误叛为浸银之焊锡性不良。事实上此一特殊案例是出自一种厚多层板高纵横比(HAR)的某些深孔中,波焊后发现上锡性不佳的半高孔壁虎,竟然直接与内层大地铜层相连接,以致在波焊中涌锡升起的瞬间,该接地处大量失热导致锡波的冷却固化所致,根本不是浸银皮膜的焊接问题。此种失效经过多次不同考试板的试验,甚至客户更改互连设计的反复验证后,终于证明完全与浸银皮膜无关。纯就此一假性焊锡性问题,当然也就无需对浸镀银做任何改变了。
  三、根本原因的分析
  3.1贾凡尼咬铜(Galvanic Attack)
  经过多次根本原因的追究,上述各项失效案例的确已大幅减少。不过对于贾凡尼效应的铜腐蚀问题则始终未能根绝,其原因是板面绿漆边缘与立体铜线间一向存在着较多的细缝(Crevice),于是在浸镀银的湿制程中会使得银液在毛细作用下不断渗入细缝内,再加上后清洗难竟全功之下,造成银离子与铜金属之间发生了贾凡尼电化学电池式的腐蚀反应。事实上唯有当铜金属被腐蚀成为铜离子而释出电子时,银离子才能产生沉积反应。这种无从避免的麻烦也与银层厚度(浸镀时间)有关,愈厚当然就越不好。

                          
  上述板面绿漆与铜导线之间所存在细缝的问题,其背后的真正原因则是感光绿漆施工中,其皮膜本身已发生侧蚀甚至过度显像的异常,以致未能完全紧贴在铜导线的两侧面或附着性不佳所致。此外深孔中央银层太薄或绿漆下铜面上已出现较深的刮痕者,都将会出现贾凡尼式咬铜的麻烦。
  3.2银面变色(Tarnish)
  银面变色变脏与空气中的氧与硫有关,一旦银面与硫接触时将会形成黄色的Ag2S硫化银薄膜,若继续接触中将会逐渐变到棕黑色。此种硫污染的来源可能出自不洁空气中的污染,或来自看似无害的包装用纸类。至于氧气则除了空气之外,底铜表面氧化已存在的Cu2O与CuO等薄膜,其中的氧将可能转移到银层中。且对快速沉积厚度很薄、结构松散又具多孔性的浸银层而言,又将让底铜大有机会继续与空气接触而再行氧化。为了防堵此漏洞起见,势必要加厚银镀层以阻止其晶界(Grain Boundary)的漏气。然而加厚银层不但会使成本上升,而且细缝中的贾凡尼咬铜效应也将更为之恶化。且在离子污染增多后其焊锡性亦将变差,甚至出现焊点微洞与变脆等问题(见下页图3)。

               

               
  3.3局部露铜
  此种缺失与浸银制程本身有关,经常在完成浸银工序后即可发现。其原因是铜面上在前处理流程中可能已附着了一层阻碍反应的薄膜,致使铜与银之间无法发生置换反应。此膜一旦微蚀不掉时将会阻止铜的释出电子行为,而无法让银层产生沉积反应。此外浸银槽液的机械搅拌也会产生一些不同的效果,加以生产板类在几何外形上的差异,使得不同区域受到药水的冲刷效果也有所不同,以致让浸渡银层的厚度也出现不够均匀的现象,太薄区域看起来就会出现镀不上银而露铜的现象。
  3.4离子污染
  经过湿制程后板面上可能残留的各种离子,都将会对PCB的电性功能造成不良影响。此等烦恼多半出自银层表面附着药水的不易清洗,甚至在绿漆表面也会残留已老化的槽液。浸镀银的配方中经常会加入一些有机物,因而也可能会随伴发生一些有机皮膜等额外异物的附着,进而造成后段清洗的困难。通常补充银消耗的做法是采用专用的补给药水,而此等药水是将金属银配制成为“有机银的络合物”(Organic Silver Complexes),一旦银金属用掉后将剩下颇多量的有机物,当然就会使得后段清洗越发困难了。
  3.5微洞现象(Microvoids)
  浸银层在下游焊接中所发生的焊点微洞,直径大多不足Imil,且多数聚集在焊点与承垫IMC以上的介面处,是一种全面分布性空泡式的众多小空洞,对焊点强度会出现一种“破坏性的效应”(Devastating Effect)
  此种介面性微空洞不但在PCB浸镀银的焊接中出现,也会发生在OSP与ENIG等皮膜之焊接中,其根本原因到目前为此尚未彻底搞清楚。不过也找到某些确定的相关成因,例如厚度加厚者微空洞也较多(尤其当厚度超过15μin者),然而某些配方也未必全然如此。此外底铜面的粗糙度也是原因之一,通常愈粗愈糟。且还发现与配方中的有机物含量与成份有关,某些有机物则容易伴随银金属产生共镀而存在于皮膜中。不过这种假设性的理论,曾经通过某些品牌商(OEM)、代工组装业者(EMS)、PCB业者,与药水供应商等,所共同组成联盟的多次合作研究,竟然没有一次模拟成功,当然也就无法将微洞彻底予以排除了(见下页图4)。


 

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