表面處理工藝的新發(fā)展

章建飛 張 庶 向 勇（電子科技大學能源科學與工程學院 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都 611731）徐景浩 陳 浪 張宣東 何 波（珠海元盛電子科技股份有限公司，廣東 珠海 519060）

表面處理工藝的新發(fā)展

章建飛 張 庶 向 勇
（電子科技大學能源科學與工程學院 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都 611731）
徐景浩 陳 浪 張宣東 何 波
（珠海元盛電子科技股份有限公司，廣東 珠海 519060）

文章簡述了當下流行的有機涂覆（OSP）、化學鍍鎳浸金（ENIG）、化學鍍鎳鍍鈀浸金(ENEPIG)等表面處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；并對浸銀（IAg）、浸錫（ISn）和直接浸金（DIG）以及自組裝單分子（SAM）等新工藝進行了簡單討論，并提出了一些降低工藝成本，改進技術(shù)，提高工藝可靠性的方法。

表面處理；化學鍍鎳/浸金；化學鍍鎳/鍍鈀/浸金；浸銀；浸錫；直接浸金；自組裝單分子層

1 表面處理工藝概述

表面處理是PCB生產(chǎn)的后期步驟，處理后的表面起著使產(chǎn)品和外部電路實現(xiàn)良好的電氣和機械連接的作用，要求焊接部位的金屬表面具有高可焊性、平整性和可靠性。常見的PCB表面處理工藝包括化學鍍鎳，化學浸金，浸銀，浸錫，選擇性電鍍，有機涂覆等。常用的金屬表面涂層包括Ni/Ag（化學鍍鎳/浸金和化學鍍鎳/浸金/化學鍍金）、Ni/Pd/Ag（化學鍍鎳/化學鍍鈀/浸金）、Ag（浸銀）、Au（直接浸金）等。有機涂覆層主要是指有機可焊保護劑（OSP）。目前，還發(fā)展了用于保護金屬表面涂層的最后保護工藝- 自組裝單分子工藝（Self-Assembled Monolayer，簡稱SAM）。

根據(jù)焊點處形成的界面合金共化物（Intermetallic Compound，簡稱IMC），金屬表面涂層的表面處理工藝常見的兩種類型為 Cu/Sn合金共化物和Ni/Sn合金共化物。相比于形成Cu/Sn合金共化物的表面處理工藝（OSP、IAg、DIG、浸錫、熱風焊料整平等），ENIG、ENEPIG和ENIGEG是基于Ni并形成Ni/Sn合金共化物焊接的表面處理工藝，在焊接過程中貴金屬覆蓋層分散到焊錫中，從而形成Sn和Ni-P層之間的連接點。隨著Ni形成Ni/Sn合金共化物，會在界面處的Ni中形成一層富磷的區(qū)域。這兩種合金共化物連接類型的比較詳見圖1。

2 表面處理工藝性能比較

在目前的市場上，適合于QFP和BGA器件封裝的PCB無鉛化表面處理主要有浸錫（ISN）、浸銀（IAG）、有機可焊保護涂層（OSP）和化學鍍鎳/浸金（ENIG）。表1 列出了上述4種表面處理和化學鍍鎳/化學鍍鈀/浸金（ENEPIG）的特性比較。在表面處理中，由于需要考慮各種各樣的參數(shù)如多重回流再焊能力，組裝前的待用壽命和引線連接能力等，在無鉛化組裝中，上述幾種工藝沒有一種是完美的。相比之下，ENEPIG由于優(yōu)異的待用壽命、焊點可靠性和金線連接能力以及作為接觸表面的通用性而表現(xiàn)出良好的性能優(yōu)勢。

圖1 Ni/Sn和Cu/Sn合金共化物的形成[1]

3 表面處理工藝的發(fā)展動態(tài)

3.1 有機可焊保護劑（OSP）

有機可焊保護劑（OSP）在不同的應(yīng)用領(lǐng)域有不同的成分。但是，所有的OSP都能與銅表面結(jié)合并形成一個保護性涂層，從而使銅表面在存儲和組裝過程中都能保持良好的可焊性。大多數(shù)OSP形成的保護層的厚度在幾個埃的范圍，并且極易溶解在礦物油和有機溶劑中。

在諸多OSP中，苯并三氮唑（Benzotriazole）形成的保護層的厚度最小，在需要經(jīng)過多次熱處理焊接才能完成的組裝工藝中，會造成保護層的損失而不能形成長久的保護。目前，用烷基咪唑（Alkylimidazoles）替代苯并三氮唑從而形成一層較厚的保護層并能經(jīng)受多次的熱處理，這一類型的OSP也成為這種表面處理工藝被廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

作為下一代的OSP技術(shù)，主要在以下兩個方面進行改進：（1）進一步提高OSP薄膜在高溫熱處理工藝下的穩(wěn)定性；（2）增強OSP薄膜阻擋氧分子滲透的能力。后一種技術(shù)的關(guān)鍵在于提高OSP薄膜交聯(lián)的能力，這將使銅在經(jīng)歷多次熱處理工藝后仍然保持良好的表面狀態(tài)和可焊性（圖2）。

圖2 下一代OSP工藝圖，更致密的OSP膜能有效地防止水和氧對銅基底地腐蝕[2]

表1 不同表面處理工藝的性能比較

下一代的OSP應(yīng)當朝更薄、更致密和更高的溫度穩(wěn)定性的方向發(fā)展。致密的薄膜不僅能盡可能的減少氧的滲入，而且還能阻擋水分子進入。圖3展示了用下一代OSP和目前市場上的OSP處理的表面經(jīng)過強氧化后的外觀對比。

圖3 銅表面經(jīng)不同OSP處理后再經(jīng)熱處理后的對比，OSP #1和OSP #2均被嚴重氧化[2]

3.2 化學鍍鎳浸金工藝（ENIG）

二十世紀九十年代，隨著PCB線路精細化、孔徑微小化的發(fā)展趨勢，加之面臨熱風整平的平坦性問題和有機涂覆助焊劑清除問題，ENIG工藝開始廣泛應(yīng)用于PCB生產(chǎn)。經(jīng)ENIG處理的表面可焊性好，有優(yōu)良的電氣和機械連接性能，待用壽命長，無趨膚效應(yīng)，對高頻信號的傳輸不會產(chǎn)生影響。ENIG工藝常用于接觸開關(guān)所需的PCB制造工藝中[3]。

在ENIG的浸金工藝中，如果控制不好，Ni表面會被腐蝕而出現(xiàn)焊盤黑化（又稱黑鎳）的現(xiàn)象。過量的Ni表面腐蝕會使焊接表面的潤濕性和連接性能嚴重下降，焊料與被腐蝕的Ni表面連接會承受較大的應(yīng)力，從而使其與Ni接觸的界面開裂破碎而形成黑色的Ni表面，即黑鎳[4]。

在ENIG中，由于表面有一層鍍金層的覆蓋，所以很難對黑鎳進行檢查。通過化學的方法剝離表面的金才能使下面的Ni暴露出來。此外，在鎳-金的界面處（焊接前）以及焊料-鎳的界面處（焊接后）會出現(xiàn)一層富磷的Ni層，這是ENIG中由于成分的自然變化而導(dǎo)致的現(xiàn)象，與黑盤現(xiàn)象沒有關(guān)聯(lián)。

黑盤現(xiàn)象主要是由于以下兩方面引起的：（1）工藝控制不好，使晶粒生長不均一，導(dǎo)致晶粒間出現(xiàn)很多裂紋，從而形成質(zhì)量很差的鎳膜。（2）浸金工藝時間過長，造成對鎳表面的腐蝕，而產(chǎn)生裂紋。

在影響化學鍍鎳的諸多因素中，阻焊的影響最大。主要表現(xiàn)在以下三個方面：（1）阻焊單體交聯(lián)和硬化不完全，從而使單體殘留在銅表面阻礙活化反應(yīng)的進行。在熱的鍍鎳液中，阻焊單體隨著氫氣的產(chǎn)生被釋放出來，從而干擾化學鍍鎳反應(yīng)的進行，并對化學平衡造成影響。（2）阻焊不好的表面會導(dǎo)致很差的焊盤表面。（3）微孔部分填充的阻焊會在孔中產(chǎn)生電化學反應(yīng)，從而阻止均一的催化表面的形成。

為了解決ENIG工藝中焊盤黑化的現(xiàn)象，需從三個方面進行改進：（1）控制化學鍍鎳溶液的pH；(2)分析化學鍍?nèi)芤褐蟹€(wěn)定劑的含量；（3）避免浸金工藝中溶液對鎳表面的腐蝕。目前，浸金工藝的改善產(chǎn)生了良好的效果。新開發(fā)的浸金工藝在減少對鎳表面腐蝕的同時還能降低成本。相比于上一代的浸金液（pH=4.5-5.5），新一代的浸金液是近中性的（pH=7.0～7.2），中性的液體能盡量的減小溶液中氫離子對鎳表面的腐蝕。此外新一代的浸金工藝能在更低的金濃液下進行，這將使初始原料的成本降低50%～80%左右，并且不會對底層的鎳產(chǎn)生明顯的影響（如圖4所示）。

圖4 在金溶液濃度為1g/L下出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象的SEM（左）和金溶液濃度為0.5 g/L時未出現(xiàn)腐蝕的鍍層的SEM（右）[2]

在撓性電路板的表面處理工藝中，若將現(xiàn)有的ENIG工藝直接應(yīng)用于撓性電路板，層狀的鎳膜會在板材彎曲的過程中開裂而引起底層銅的開裂。為了適應(yīng)撓性電路板的表面處理，新設(shè)計的化學鍍鎳工藝能產(chǎn)生柱狀結(jié)構(gòu)的鎳膜，在板材彎曲的過程中，柱狀的鎳膜只會在表面產(chǎn)生微裂紋，而不會使裂紋擴散到底層的銅中去。

3.3 化學鍍鎳鈀浸金工藝（ENEPIG）

ENEPIG工藝是在化學鍍鎳和浸金中間增加了化學鍍鈀，從而形成一層很薄的鈀阻擋層（0.05 mm ～0.1 mm）。由于鈀層的存在，避免了浸金工藝對鎳層的腐蝕，因而ENEPIG解決了ENIG中由于焊盤黑化而導(dǎo)致的焊盤失效的問題。同時，它還具有高度可靠的金屬絲連接（金線連接、鋁線連接）能力、良好的多重回流焊能力，并擁有可作為按鍵接觸表面，滿足通孔技術(shù)、SMT技術(shù)等多種封裝技術(shù)的嚴苛要求，特別適合于高密度和多種表面封裝并存的的PCB。此外，ENEPIG工藝可與無鉛焊料Sn-Ag-Cu(SAC)形成高質(zhì)量的IMC。因此，ENEPIG工藝又稱為表面處理工藝中的“萬能工藝（Universal Finish）”。

在ENEPIG工藝中，Pd層的作用主要體現(xiàn)在如下幾個方面：（1）鈀膜的結(jié)構(gòu)致密，可以完全阻止浸金工藝對鎳膜的腐蝕，從而避免ENIG工藝中黑鎳的產(chǎn)生；（2）Sn-Pd合金的抗腐蝕能力強，可以抑制由于原電池反應(yīng)導(dǎo)致的腐蝕，提高了待用壽命；（3）Pd的熔點（1554 ℃）高于金的熔點（1063 ℃），所以在高溫焊接時Pd溶解較慢，有充足的時間保護Ni層；（4）Pd的硬度高于Au，可以在增強焊接可靠性的同時，提高金屬絲鍵合能力和耐磨性能；（5）Pd的使用可降低Au層的厚度，成本比采用ENIG工藝節(jié)約60%[5]。對ENEPIG工藝來說,化學鍍Pd是最關(guān)鍵的工藝，但是Pd的厚度卻不是關(guān)鍵的參數(shù)，即使減少Pd的厚度到60 nm也能形成有效的擴散阻擋層并阻止Ni擴散到頂部Au中[4]。同時，頂部Au的厚度也可因此而減低，厚度小于0.05 mm的Au層也能與金屬線形成良好的連接。目前，典型的ENEPIG工藝中Pd厚度為0.05 mm ～ 0.15 mm，Au層的厚度為0.025 mm。

3.4 浸銀工藝 (IAg)

浸銀（IAg）主要用途是作為可焊性保護劑。在組裝過程中，所浸的銀會進入焊料中，并促進Cu-Sn合金共化物的形成。浸銀工藝中，銀是通過化學置換反應(yīng)直接沉積在銅表面上的。整個反應(yīng)過程很快，大約只需1～2分鐘的時間，而且不需要在ENIG工藝溫度下進行，這使得浸銀工藝很容易實現(xiàn)流水線生產(chǎn)。

通過浸銀工藝沉積的銀表面非常活躍，極易與環(huán)境中的硫元素發(fā)生反應(yīng)形成硫化銀。硫化銀會使表面失去光澤從而干擾檢查過程中對表面的完整性的評判。目前，有廠家已經(jīng)開發(fā)出防止表面變暗后沉積步驟來保護銀表面不受環(huán)境的影響。通過適當?shù)姆庋b工藝來控制經(jīng)過浸銀工藝處理的板表面是一個很好的辦法，封裝的關(guān)鍵在于最小化表面與環(huán)境的接觸并確保封裝所使用的材料以及在儲運過程中都是無硫的。蠕變腐蝕（Creep Corrosion）是浸銀工藝中的一種常見現(xiàn)象，它與環(huán)境直接相關(guān)。未來可通過以下方法來消除這一腐蝕效應(yīng)：（1）最小化或者逐步取消SMD盤（Solder Mask Defined Pads）（2）分區(qū)檢驗焊盤（最小2 mm）（3）微孔填充完全（4）使用防止表面變暗的覆蓋層。

3.5 浸錫工藝（ISn）

浸錫（ISn）通過化學置換反應(yīng)將錫直接沉積在銅表面，一般厚度在0.75 mm ～ 1.25 mm，通常要求沉積較厚的錫從而確保表面有足夠純凈的錫膜。錫膜厚度的檢查是通過XRF來完成的，但是這種方法不能夠區(qū)分不同的IMCs和純Sn。浸錫容易與底部的銅形成IMCs（Cu3Sn和Cu6Sn5），這些IMCs存在會影響表面狀態(tài)，進而對可焊性和待用時間產(chǎn)生不利影響。浸錫工藝中存在的另一個問題是在室溫下容易形成錫須（Whiskers）。錫須的形成與熱、真空、壓力、濕度和偏壓無關(guān)，它是一種隨著時間自發(fā)生長的過程，很有可能是由于Cu6Sn5的遷移應(yīng)力引起的。

浸錫工藝是一種風險較小的表面處理工藝，也適合于PCB的無鉛表面處理。但是這種表面處理工藝能否經(jīng)受住與SAC（Sn-Ag-Cu）合金焊接相關(guān)的高溫過程還有待進一步檢驗。浸錫工藝容易在焊接時形成良好的IMC焊點，但是在多步的高溫處理工藝中，IMC的加速形成會對表面的焊接性能產(chǎn)生影響。

3.6 直接浸金工藝（DIG）

直接浸金（DIG）是一種具有很大潛力的新表面處理工藝。DIG工藝直接在銅表面上沉積一層厚度為0.025 mm ～ 0.05 mm的金。這個工藝結(jié)合了化學鍍金和浸金兩種工藝的優(yōu)點，從而會形成一個非常致密且沒有孔洞的金層，并能很好的阻止銅向金中的遷移。由于有一層厚度為0.25 mm ～ 0.375 mm的化學鍍金層，因此這種表面處理具有優(yōu)良的金線鍵合能力。但是DIG工藝過程緩慢而且需要在很高的溫度下進行。DIG工藝沒有其他不基于鎳的表面處理工藝缺點的限制，因此很容易將其應(yīng)用于無鉛化組裝工藝中。未來，這種工藝將與OSP，IAg和ISn形成直接競爭。

3.7 自組裝單分子層（SAM）

盡管表面處理能很好的維持PCB板良好的表面狀態(tài)，但是在糟糕環(huán)境的影響下，依然會降低這些處理表面抗腐蝕的能力。面對這一問題，研究人員提出了一個后處理化學工藝的最后表面處理，這一工藝是根據(jù)自組裝單分子層（Self-Assembled Monolayer，SAM）的原理選擇需要的材料，然后將其通過滴涂、旋涂等工藝涂覆在PCB板上。

為了在PCB表面形成SAM，需要制備形成單分子層材料的無機溶液，然后這種材料被涂覆在經(jīng)過表面處理的PCB板表面。這種材料的一個固有性能是疏水。當水接觸經(jīng)SAM處理的表面時，水不能像在未經(jīng)SAM處理的表面上那樣鋪開，而是形成一個水滴，從而阻止了水對表面的腐蝕。為了檢驗SAM的效果，半數(shù)經(jīng)過ENIG，ENEPIG和IAg處理的PCB板表面經(jīng)過SAM處理，而另一半則不處理。然后將這些PCB板放在充滿腐蝕性的環(huán)境中（10 ppm的SO2氣氛），在24 ℃下經(jīng)歷24h后取出對比觀察。圖5顯示了未經(jīng)SAM處理的表面被SO2嚴重腐蝕，而在SAM的處理下，ENIG，ENEPIG和IAg處理的表面均能保持良好的表面狀態(tài)。

圖5 在SO2氣氛下處理后未經(jīng)SAM處理的表面與經(jīng)SAM處理的表面對比[2]

4 結(jié)語

表面處理是PCB生產(chǎn)的后期步驟，處理后的表面起著連接產(chǎn)品和外部電路的功能，要求焊接部位的金屬表面具有高可焊性、高平整性和高可靠性。隨著多年的發(fā)展，OSP、浸錫、浸銀、化學鍍鎳/浸金（ENIG）、化學鍍鎳/化學鍍鈀/浸金（ENEPIG）等工藝都在不斷地完善，并滿足環(huán)境友好的無鉛化焊接，這一發(fā)展過程還將繼續(xù)延續(xù)。多種表面處理工藝有各種不同的特點和適用范圍，在具體生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的實際需求選擇最經(jīng)濟、最可靠的表面處理工藝，以實現(xiàn)高質(zhì)量的PCB產(chǎn)品生產(chǎn)。

[1]MiladG. Latest Developments in Surface Finishing for PWB[J]. The PCB Magazine,2012(5):13.

[2]Carano M. What's New in SolderableFinishes?[J]. The PCB Magazine, 2013(3):14.

[3]謝夢,張庶等. 化學鍍鎳浸金和化學鍍鎳鍍鈀浸金表現(xiàn)處理工藝概述及發(fā)展趨勢[J]. 印制電路信息, 2013(248):187.

[4]Milad G, Walsh D. New Developments in ENIG and ENEPIG[J]. The PCB Magazine,2013(6):24.

[5]林金堵, 吳梅珠. 化學鍍鎳/化學鍍鈀/浸金表面涂層的再提出[J]. 印制電路信息, 2011(3):29.

章建飛，電子科技大學能源科學與工程學院在讀碩士研究生，主要從事印制電子材料和PCB工藝的研究工作。

New development of surface finishes

ZHANG Jian-fei ZHANG Shu XIANG Yong XU Jing-hao CHEN Lang ZHANG Xuan-dong HE Bo

This paper describes the status and new developments of OSP, ENIG, ENEPIG and discusses the newer surfaces finishes process like immersion silver finish(IAg), immersion tin finish(ISn), direct immersion gold finish(DIG) and self-assembled monolayer finish(SAM). Some suggestions of cost controlling, technology improvements and enhancement of reliability are given.

Surface Finish; ENIG; ENEPIG; IAg; ISn; DIG; SAM

TN41

A

1009-0096（2014）01-0018-05