无铅组装的表面处理技术_2009年7月30日PCB007 [时间：2009-07-31 14:50:46] [点击：164] [分类：技术信息]
? 作者 Dow Electronic Materials ? 发布 07/28/2009
? 特约专栏作家 , Dow Electronic Materials 引言：
电子零件和印刷电路板之间结合需要焊点强度高、焊锡质量可靠，才能保证良好的连接性。自从组装产业转向无铅焊料合金应用以来，对用于电路板焊垫表面处理（镀层类型和厚度）后焊点的可靠性及关于锡膏和锡球的焊料合金组成，一直有着大量的研究正在进行中。这些研究透过广泛的可靠性试验，包括锡球推力/锡球剪切力测试、剪切速率影响和失效模式分析、挠曲试验、掉落冲击试验和冷热循环试验等方法，对焊点性能进行了深度的探索。界面合金共化物（IMC）的形成和焊点电迁移受回流焊条件、热老化和电流密度影响的研究也在一些学术单位有所进展。所有这些研究的目的都是为了配合不同工业应用条件下，如何提高焊点可靠度的要求。
大约在2006年中，无铅组装开始在亚洲广泛推广，但却遭遇了严重的组装良率大幅下降并造成巨额的经济损失。在这段过渡期，几乎所有的组装公司都同时面临着各种不同的技术问题。至2008~2009年，各公司进行了大量重新设计和研发工作后，包括对印刷电路板重新设计、优化组装程序参数、锡膏和助焊剂的配方重新修正，及对印刷电路板基板材料和焊垫表面处理重新选择或制程条件修正，无铅组装的成品良率已经有了很大的改进（虽然与采用锡铅合金焊接相比，仍经常出现某种程度的良率损失）。
转向无铅组装所面临的问题之一是焊接制程操作范围变窄了。与传统锡铅相比，无铅焊接有一项主要不同点，就是锡面扩散性差，这导致了焊垫锡覆盖面积不足(露铜)和通孔填锡量不足。组装厂就加大印刷钢板的开口孔径以获得较多的锡膏沉积量，来解决焊垫锡覆盖不足问题 ; 但是电路板采用有机保焊（OSP）作为表面处理时，在无铅波峰焊时，零件插接在通孔的填锡量往往不足而导致很高的组装返工率，虽然对回焊参数和助焊剂成分进行了诸多调整，目前尚无法解决此一棘手问题。多次无铅波峰焊操作及后续返工之后，均在通孔肩部附近发现铜厚变薄，这是由于无铅合金和较高的工作温度导致了较高的铜溶出率。倘若能确保通孔具有足够的电镀铜厚度，以便为预计的组装工艺流程提供适当的安全裕度，该问题即可大大减少。
然而，工业界仍继续寻找各种新方法，透过更清楚各式表面处理、无铅焊料合金及焊点可靠性之间的交互作用，以进一步提高无铅组装的良率。
本文中，我们要讨论各种表面处理技术对无铅组装的影响。 表面处理和焊锡合金技术的发展趋势
最广泛使用的表面处理技术是ENIG（无电镀镍-沉金）、OSP(有机保焊)、沉锡、沉银、锡铅与无铅喷锡及最近推出并受到广泛好评的ENEPIG（无电镀镍-无电镀钯-沉金）。业内专家们对这些表面处理方法所形成的焊点性能进行了比较，也有对无铅锡膏和无铅波峰焊进行相关研究。应用和可靠性的要求推动了下列表面处理技术的升级。
· 在笔记计算机和桌上型主机板无铅组装工艺中，因成本考量，OSP表面处理技术几乎取代了所有的锡铅喷锡表面处理
· 掉落冲击试验需要高焊锡强度，而按键部位需要低阻抗耐磨耗性高，因此行动电话和手持电子产品有许多公司使用选择性无电镀镍-沉金（ENIG+OSP）
· ENIG和OSP具有良好的连接可靠性和镀层平整度，均大量用于闪存产品
· 在汽车和通信产品的印刷电路板使用各种表面处理技术，包括ENIG、沉锡、OSP和锡铅喷锡等。其中压接(press fit)技术或在恶劣的环境中保持焊点高可靠度的需求，业界正在努力评估与探索无铅焊锡的可能性
· 在覆晶组装的领域，沉锡和ENEPIG表面处理技术已成功地成为主流技术
· ENEPIG正在导入如何取代电镀镍/金表面处理技术，以降低成本与应用在高密度无导线设计
自从无铅组装技术发展后，使用最广泛的焊锡合金是SAC305（锡96.5wt％，银3％，铜0.5％）。但是对无铅焊点强度、长期可靠性和持续的成本压力等方面的研究，使人们寻求替代合金的可能性。如低银合金掺杂SAC105+XY或SAC0307+XY等的合金，可能会降低焊料成本，但是不牺牲或提高焊点可靠性。
当被动组件的尺寸缩小到0201或以下，焊垫和焊点尺寸均大幅减小，这将导致新的可靠性问题，且为组装带来挑战。若锡膏中锡粉粒径分布从25-45μm（3型）减小至20-38μm（4型），且对锡膏和助焊剂成分进行优化，则能将锡膏印刷用于0201（0.6毫米x 0.3毫米）和01005（0.4毫米x 0.2毫米）的被动组件。 加上无卤助焊剂的使用的导入，也带来新的复杂问题。 无铅焊接的接口结构
接口结构变化和接口合金共化物(IMC)是与不同焊料合金和印刷电路板表面处理镀层焊接后的结果，从这观点将有助于焊点可靠性的了解。 有机保焊(OSP)
OSP的作用为沉积一薄层有机化合物以防止铜金属表面在焊接之前产生氧化。OSP层厚度有填平铜面粗糙表面的趋势，但同时可能导致OSP层发生局部厚度变化，如图1所示。这种变化可能导致对下面的铜的保护不均衡，OSP膜较薄的区域容易氧化，而OSP膜较厚的区域则难以润湿。在同一片电路板上同时出现这两种情况均可能导致铜表面无法被助焊剂完全润湿，倘若当该表面曾暴露于无铅回焊的高温下，这一问题将更为严重。 图1 OSP膜在a）电镀铜和b）抛光铜表面上的厚度分布
在OSP主要的接口合金共化物是Cu6Sn5，长在靠近铜垫界面较薄的一层Cu3Sn上。在老化过程中接口合金共化物层厚度增加，当高温老化时，金属间化合物会过厚并形成接口空洞，会导致接口脆性断裂，而造成可靠性不利影响。
在实际应用中，倘若焊点电流密度特别高，有可能发生明显电迁移且容易在铜焊点接口形成空洞。限制电迁移造成的影响所能采用的方法包括采用替代的表面处理方法与在焊料合金中添加微量成分，以降低电迁移速度或减少空洞的形成。例如，铜表面即使很薄的一层镍层都能够改变金属间化合物的结构，透过形成一种三元金属接口合金共化物（Cu,Ni）6Sn5，能有效降低铜扩散至锡层的（1）速度。 沉银，沉锡
在沉银和沉锡过程中金属接口合金共化物的形成过程与OSP（2）类似。沉银技术在早期遇到了一些问题，如无铅焊料合金会在铜-焊点接口上产生一些微洞（称为香槟空洞）。这些问题产生极大的品质问题，但沉银供货商认为透过改变工艺控制和银沉积厚度，这一问题可以得到解决。
倘若基板铜的保存时间过长或温度升高，沉锡镀层很容易形成接口合金共化物。沉积结构变化会降低焊料润湿性。因此，沉锡表面处理技术的有效期显著短于其它表面处理方法。 无电镀镍沉金( ENIG)
ENIG表面处理技术采用薄薄的一层沉金以防止下面的无电镀镍沉积氧化。在焊锡过程中，金层快速溶解至锡层，而镍层和焊料相互作用下形成性能可靠的接口合金共化物。在同样回
焊条件下，金属界面合金共化物在镍层上的形成速度比在铜上要慢，因此应注意确保组装条件合理化。一般无电镀镍含磷量为6-10 wt%，并广泛被采用于焊接的应用。由于无电镀镍沉金药水在制程中的控制和组装参数（尤其是回焊温度曲线）之间的相互影响，磷含量对金属接口合金共化物结构和焊点可靠性的影响仍然不易了解。高磷含量 (11 - 12 wt%)的无电镀镍沉积具有良好的耐蚀性，但可焊性较差。然而，在空气污染环境下对中低磷含量ENIG表面易造成镀层受腐蚀，高磷含量无电镀镍沉金的技术已成功运用在接触性表面处理的应用。提高了无电镀镍配方、改善了沉金系统及优化的工艺控制，药水供货商持续研发的基础提供了印刷电路板更有竞争力ENIG产品选择。 无电镀镍钯沉金(ENEPIG)
打金线的应用中ENEPIG是替代电镀镍金的优选方法。近年来，该方法已成功用于一般多层印刷电路板，且获得很多终端用户的较高评价。覆晶BGA也同样在焊接中采用了ENEPIG。 在IC substrate 打金线使用ENEPIG代替电镀镍金的应用正在逐渐商业化中。无电镀钯和沉金厚度适当的匹配的表面处理技术，既易于打金线又具有较强可焊性，同时整体金层的厚度显著降低（3）。因为有钯沉积作屏障，在沉金过程中，ENEPIG可以免除无电解镍被沉金腐蚀。
在多次回焊组装的流程中，ENEPIG对于SAC305焊料合金，可以提供良好的焊点强度。无电镀镍层和金层之间的薄薄的镀钯层，对接口合金共化物的形成进行了明显改变。焊球剪切试验证明，在多次回焊周期后，ENEPIG的焊点强度明显优于ENIG（4）。 结论
由于焊料合金的创新、助焊剂化学技术和印刷电路板表面处理技术的日益发展，无铅焊接技术因此得以不断的持续发展并提高焊锡可靠性，以符合无铅焊接技术之时代需求。 Simon Lee是陶氏电子材料亚洲电子互连技术产品经理，可以透过电子邮箱tslee@rohmhaas.com 与其联络。
表面實裝技術Reflow&無鉛(Pb Free)合金
1-1. 如何能實現實裝化的條件：
表-1 Sn系Pb Free合金溶融最低溫 Reflow可能的最低溫度 無鉛合金主要成分組成 260℃ 250℃ 240℃ Sn 10Sb Sn 5Sb Sn 1Cu系 Sn0.5~1.5Ag系