高速光模塊PCB板邊插頭腐蝕失效研究

周 波 何 驍 鄒雅冰 李星星 賀光輝

（中國賽寶實驗室可靠性研究分析中心，廣東 廣州 510610）

0 前言

第五代移動通信（5G）技術已邁入商用化進程，光模塊作為光電信號的轉換器，是5G網(wǎng)絡物理層的基礎構成單元，也是光設備與光纖連接的核心器件，被廣泛應用于無線及傳輸?shù)仍O備。高速光模塊PCB作為光通信模塊封裝的電路載體，外觀如圖1所示，PCB 上的板邊插頭或稱印制插頭，作為插拔連接部件，在光電信號的傳輸過程中起著至關重要的作用。

圖 1 常見的高速光模塊PCB板外觀

隨著產(chǎn)品的應用環(huán)境越來越復雜，金手指部分長期裸露在外部環(huán)境中，因此，部分應用端客戶針對光模塊PCB產(chǎn)品除了要求印制插頭表面鍍層有良好的耐磨性之外，還要求具有較好的耐腐蝕性，以確保產(chǎn)品在使用過程中有良好的可靠性。為了滿足這些品質(zhì)要求，插頭的表面處理方式一般選用電鍍銅鎳金（厚金）、化學鎳金+電厚金、化學鎳鈀金[1]等工藝。但是，在光模塊PCB產(chǎn)品的整個生產(chǎn)過程和服役周期中，影響板邊插頭耐腐蝕性能的因素較多，導致在應用過程中腐蝕失效時有發(fā)生，腐蝕失效外觀如圖2所示。大量研究表明，在鹽霧[1]、硝酸蒸汽、SO2氣體[2]、稀硫酸[3]等環(huán)境條件下，金鍍層表面微孔隙是導致其耐腐蝕性能下降的主要原因。

本文對光模塊PCB金手指腐蝕失效的共性失效模式及其失效機理進行了總結，探討了光模塊PCB板邊插頭的各類腐蝕的失效原因，提出了避免腐蝕的改善措施（如圖2）。

圖2 板邊插頭腐蝕失效典型外觀

1 腐蝕機理及失效模式

光模塊PCB板邊插頭一般用金(Au)層作電接觸材料，Au不易與其它物質(zhì)發(fā)生化學反應，能有效地抵抗外界環(huán)境中有害物質(zhì)的侵蝕，但是當金手指的Au面存在微孔、晶格缺陷、縫隙、漏鍍等缺陷時，Ni層或Cu層的化學性質(zhì)比較活潑，會與滲入的腐蝕性介質(zhì)接觸，發(fā)生腐蝕失效。因此，金手指的腐蝕主要是指Au層底部的金屬Ni和Cu鍍層與周圍腐蝕性介質(zhì)（酸性氣體、鹽霧、含硫氣體等）之間發(fā)生化學或電化學作用而引起的破壞，其腐蝕機理主要包括化學腐蝕和電化學腐蝕兩個方面。金屬Ni或Cu鍍層（陽極）與Au（陰極）形成原電池反應，由于Au與Ni的電位差要大于Au與Cu的電位差，電極電位相差較大，原電池腐蝕動力越大，所以一般Cu鍍層的腐蝕程度較Ni層更嚴重。板邊插頭腐蝕位置垂直切片截面代表性形貌如圖3所示。

圖3 板邊插頭腐蝕位置截面代表性形貌

對大量光模塊PCB板邊插頭腐蝕失效樣品進行分析發(fā)現(xiàn)，根據(jù)腐蝕點的分布情況，可將腐蝕模式主要分為4種：尖端磨損腐蝕、表面腐蝕、末端腐蝕和側壁腐蝕，如圖4所示。

圖4 金手指的常見腐蝕失效模式

2 腐蝕失效原因分析

2.1 尖端磨損腐蝕失效

一般板邊插頭表面的Au 層厚度為0.8～3.0 μm，有較好的耐磨性能。當光模塊PCB產(chǎn)品經(jīng)多次插拔后，連接器插座中的彈片會在板邊插頭表面造成插拔接觸的痕跡，如圖5a所示。由于板邊插頭尖端位置是呈90°的直角，在插拔過程中，尖端位置受到的機械應力較集中，會更容易出現(xiàn)磨損，如圖5b所示，這導致金層的致密性下降，對鎳銅鍍層的保護性不足，最終發(fā)生腐蝕失效。另外，在插頭的插拔過程中，從外界環(huán)境帶入的雜質(zhì)顆粒附著在金面或插座的彈片上，也會增加板邊插頭的磨損程度，增大腐蝕失效風險。

2.2 表面腐蝕失效

板邊插頭表面腐蝕現(xiàn)象如圖6a，其主要原因為表面金層厚度不足或金面存在漏鍍（圖6b）、劃傷（圖6c）、晶格異常（圖6d）等缺陷，無法有效保護Ni層和Cu層，造成腐蝕介質(zhì)滲入到金手指鍍層內(nèi)部，發(fā)生局部的點狀腐蝕。這些影響因素往往與PCB制程的表面處理工藝類型和生產(chǎn)操作控制相關。

圖5 板邊插頭尖端插拔磨損圖片

圖6 板邊插頭表面腐蝕外觀及金面缺陷圖片

2.3 末端腐蝕失效

板邊插頭的末端一般直接與導線相連，由阻焊油墨覆蓋，當油墨本身存在裂縫、孔洞等缺陷或是與底部線路間結合較差存在縫隙時，腐蝕介質(zhì)從縫隙處滲入，與阻焊底部的線路直接接觸。由于阻焊底部的線路表面一般為電鍍薄鎳金或化學鎳金層，Au層厚度較薄，一般為0.025 μm～0.15 μm，較難有效抵抗硝酸蒸汽、MFG（工業(yè)氣體腐蝕）和硫化蒸汽等嚴苛條件下腐蝕性介質(zhì)的滲透腐蝕，最終造成板邊插頭末端的油墨底部鍍層被腐蝕，如圖7a和圖7b，阻焊底部線路腐蝕位置垂直切片如圖7c。

圖7 板邊插頭末端腐蝕外觀及垂直切片圖

2.4 側壁腐蝕失效

金手指有側壁不包覆鎳金和包覆鎳金兩類常見的工藝，這兩種鍍覆工藝制作的板邊插頭側壁的垂直切片圖分別如圖8a和圖8b所示。金手指側壁不包覆鎳金的光模塊PCB常用于溫和且穩(wěn)定的環(huán)境中，具備較好的耐磨性能，但耐高鹽、強酸堿等復雜環(huán)境的性能稍弱，在鹽霧試驗、硝酸蒸汽、工業(yè)氣體腐蝕試驗和硫化實驗中，側壁裸露的Ni層、Cu層會直接與腐蝕性介質(zhì)接觸，發(fā)生不同程度的腐蝕失效。側壁包覆鎳金的金手指采用引線電鍍工藝，在側壁Cu層上蓋覆有一層均勻的鎳金層，因此具備較好的耐腐蝕性能，但當側壁金鍍層質(zhì)量存在缺陷或側壁鍍層與基材結合位置致密性較差時（如圖8c），底部的Ni、Cu層會與滲入的腐蝕性介質(zhì)接觸，發(fā)生局部的點狀腐蝕，如圖8d；另外，當金手指位置的PCB基材存在裂紋、銅箔起泡、金手指底部坑裂等缺陷時，也會導致底部位置的鎳銅層與腐蝕介質(zhì)接觸，造成腐蝕失效，如圖8e和圖8f所示。

圖8 板邊插頭側壁外觀及垂直切片圖

3 改善措施

通過分析板邊插頭常見腐蝕失效的產(chǎn)生原因可知，在無法改變外部腐蝕介質(zhì)類型及溫濕度等環(huán)境條件下，無論是化學腐蝕還是電化學腐蝕，必須避免活潑金屬Ni和Cu鍍層與腐蝕性介質(zhì)直接接觸，因此，主要的改善方向就是優(yōu)化生產(chǎn)工藝和加強生產(chǎn)管控措施，提高板邊插頭表面Au鍍層的致密性，消除鍍層孔隙，降低發(fā)生化學反應和微原電池反應的風險，減緩腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

3.1 適當增加鍍金層的厚度

據(jù)有關文獻報道[4]鍍層厚度跟鍍層孔隙成反比，鍍層厚度越厚，孔隙越少；相反鍍層越薄、孔隙越多。根據(jù)MFG 3A級測試方法，對比兩種相同生產(chǎn)工藝但不同金厚的板邊插頭，發(fā)現(xiàn)Au厚1.27 μm的金手指出現(xiàn)嚴重腐蝕，而Au厚1.5 μm的耐腐蝕性較好，如圖9所示。因此，在工藝可控和成本允許的情況下，適當增加鍍金層的厚度，降低金層孔隙率，可有效改善板邊插頭的耐腐蝕性能。

圖9 不同金厚板邊插頭MFG測試結果對比

3.2 適當增加鍍銅層的厚度

在插拔過程中，板邊插頭尖端受到較大的機械應力，研究發(fā)現(xiàn)，在電鍍薄鎳金（圖鍍銅鎳金）流程中，先加鍍一層5 μm～8 μm厚度的薄Cu層，由于薄Cu層有四面包裹的作用，可改善板邊插頭尖端和側壁的平整度，將尖端位置的90°直角（如圖10a）優(yōu)化為弧形的鈍角（如圖10b），優(yōu)化了線型，使板邊插頭尖端更平滑，可明顯減弱插拔過程中的應力集中現(xiàn)象，降低尖端位置金層被磨損的風險，從而改善板邊插頭的耐腐蝕性能。

圖10 加鍍薄銅對金手指尖端線型的改善效果

3.3 使用低粗糙度的銅箔

PCB在蝕刻線路圖形后，基材表面會呈現(xiàn)出與銅箔毛面銅牙對應的“蜂窩狀”凹痕，銅箔毛面的粗糙度越大，基材表面對應的凹痕越粗糙度越大。而基材表面的粗糙度過大，會導致金手指側壁的鎳金鍍層與基材結合處的致密性不足，嚴重時會產(chǎn)生微小縫隙，腐蝕性介質(zhì)透過裂縫滲入，與鎳銅層發(fā)生反應，造成腐蝕失效。常用的普通銅箔銅牙長度為4～7 μm，在基材表面形成的凹痕粗糙度較大，如圖11a。采用銅牙長度為1.2～2.3 μm的低粗糙度RTF銅箔，可減少基材凹痕，如圖11b，提升金手指側壁鍍層與基材結合處的致密性，有效阻擋腐蝕性介質(zhì)的滲入，從而提高板邊插頭側壁的耐腐蝕性能。

3.4 使用封孔劑

圖11 不同銅箔對應的基材表面粗糙度

從金手指的腐蝕失效現(xiàn)象和機理可知，腐蝕性介質(zhì)會透過金層表面的微小孔隙，對底部的Ni層和Cu層造成腐蝕。有相關研究發(fā)現(xiàn)[5]，使用封孔劑對金手指表面進行滲透交換清洗、逐層螯合鈍化、表面氫健成膜等一系列的處理，在金層表面形成一層10 nm～20 nm左右的保護膜，來改善鍍層表面孔隙，可有效提升金手指的耐腐蝕性能。目前常用的有六價鉻化合物鈍化劑、油相封孔劑和水相封孔劑技術，其中水相封孔劑綜合性能最好，而且安全環(huán)保，在電鍍領域中應用較廣泛。

4 結論

光模塊PCB金手指鍍層的共性腐蝕模式主要包括尖端磨損腐蝕、表面腐蝕、末端腐蝕和側壁腐蝕這4種。可通過適當增加鍍Au層厚度、加鍍5 μm～8 μm的薄Cu層、采用低粗糙度銅箔或封孔劑等措施，提高板邊插頭表面Au鍍層的致密性或隔斷腐蝕介質(zhì)的滲入，降低腐蝕性介質(zhì)與Ni層和Cu層發(fā)生化學反應和原電池反應的風險，從而減少腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。