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技术论文

化学沉银工艺的应用实践

日期:2014-06-28  阅读:() 

----深圳:梁继荣,丁启恒

摘要:化学沉银是近年新兴起的印制板表面处理工艺,预料沉银和浸锡会成为下一代主流的表面涂覆工艺,本文概述化学沉银工艺流程、工艺参数、制程要点,质量要求等,同时结合起来生产实际,对沉银工艺影响因素、常见问题及解决方法阐述了自己的实践应用体会

关键词:化学觉银、沉银厚度

-前言

1.1选用化学沉银的原因:

热风整平基于沉锡层的平整度已难以适应日渐精细的印制板的设计要求,目前替代的表面涂覆层是沉镍金和OSP。但沉镍金成本高,工序复杂,而OSP在组装时受到一定的限制(基准定痊点仍是铜颜色,有的装配线难发定位),另外,与助剂的兼容性也受到一定影响。

铅有毒,环保的需要,欧洲法例2004年后会逐渐不允许使用铅锡焊料,热风整平工艺会逐渐被取代。

近年来,国外逐渐兴起的新工艺是化学浸银和化学浸锡。沉银、沉锡各有特点,工艺都在不断改良和成熟之中。据我们所知,欧美国家,有的客户喜欢沉锡,有的客户则规定用沉银。

这篇文章说的是沉银工艺,沉银表面平滑,适合直接进行组装及用于BGASMT和高密度线路设计,可焊性很好。再有,沉银工敢成本低,操作简单,适合 规模生产,水平式、垂直式均可实施,所需设备体积亦较小。

这就是建立化学沉银工艺的原因。

1.2化学沉银层是含微量有机物的纯银金属

沉出的银层是银金属,同时还有微量的有机物(1-3%)与银金属一起被沉置在铜面,发防银层氧化及减少银离子迁移的可能。

1.3沉银层仍会变黄,发黑,氧化

受银离子的特性所决定,银与空气中的硫很易结合,形成硫化银变为黑色。同时银同卤素(氯,溴)也易结合形成氯化银、溴化银,为黄色。因此,在整个工艺过程中和搬运,储存过程中处处仍需提防硫、氯、溴物质对银层变黄发黑问题。化学沉银层的有面物并非万能,但银层中的要机物不会随时间表和热应力而改变,有机物是平均分布在镀层中的,所以经多次热冲击后,亦只有最表面的镀层会发生氧化。

1.4经焊锡后,银发生的变化

在焊锡时,银层会快速地溶于铅锡中,同时在活人的铜墙铁壁基上产生接点,因银层厚度很薄,组装后只有微量的银溶于铅锡中,仪器难以测出银的存在,估计银仅占铅锡质量比的0005%

1.5沉银PCB应用研究的领域

汽车工业,电脑硬盘,通信设备,移动电话号码,家用电器,航空航天器材等电子领域。

1.6化学沉银溶液的供应商和应用概况

据我们所知,Alphe matal Poiyclad(Cookson Electronics)MacDermid等公司都已在全球推出其化学银工艺,都有一群著名的PCB企业使用他们的溶液,基于MacDermid也是全球最早推出沉银的公司之一,我们的欧洲,澳洲客户使用的是MacDermid的沉银层,因而,我们也是使用MacDermid沉银药水,据从各公司资料介绍所知,各个药水公司总裁的工艺流程应用基本相似。

预料沉银和觉锡会成为下一代主流表面处理工艺。

1.7本文叙述的内容

本文叙述的是本公司化学沉银的应用实践体会,包括工艺西方、工艺参数、制程要点、厚度控制、常见问题及解决方法、质量和性能要求等, 供国内同行参考。

二 沉银基本原理

化学沉银原理:主要是以化学原理,使用铜墙铁壁面沉置上一层薄银。基于银与铜之间的电位差,使铜与银能自发性进行置换反应,如下式:

2Ag++Cu-----Ag+CU2+

为了使这反应能顺利进行,配有硝酸(加快化学反应)、螯合物(与铜螯合以减低对银缸的影响)、抑制剂(以提供光滑的银镀层及减少银缸对光的敏感度)、界面活化剂(防止银镀层氧化及电子转移的可能)等化学药品,以氧化铜面及抑制转换后产生的铜离子,使线路表面置换出一层细薄银层,而且银镀层理论上只会有一个原子的厚度,当铜面被覆盖后反应便会立即停止。但实际上,因沉银工艺前处理的粗化处理及沉银药水 会轻微腐蚀铜面,令铜面的微孔性增加而可浸置更厚的银镀层。加上化学电流的影响到,只要有铜墙铁壁露出的地方也会有银转换上去。一般来说银与铜墙铁壁的转换反应会在反应开始后一分钟后逐渐低慢。沉银厚度大约在015-03um.为防止银层氧化和银离子迁移,溶液中含有少量有机物,这种有机物同银金属一起被置换在铜墙铁壁面上。

三沉银工艺简介

3.1工艺流程:

沉银基本工艺流程如下:

入板—除油—溢流水洗*2—微蚀—溢流DI水洗*2---预浸---沉银---溢流DI*3---烘干---下板。

使用设备即可水平式,也可垂直式。

3.2流程简介

除油:除油使用酸性除油剂,主要是除铜墙铁壁表面油脂、污染物、氧化物及手指纹印,并与阻焊剂有良好的相容性。除油过程能有效地清洁湿润和活化铜墙铁壁表面,保证需要下步微蚀时铜墙铁壁表面形成均匀的微观粗糙表面。除油过程严格控制除油温度、时间、循环量、摇摆幅度大小,是板面得发彻低清洁的重要保证。

水洗:水洗是为了清洁板面除油剂,停止除油剂污染微蚀液,同时把附于板面界面活性清洗干净,水洗采用两道逆流水洗,减少耗水量。

微蚀:微蚀为双剂型之微蚀剂,其主要功能是把铜表面均匀粗化形成微观铜墙铁壁表面,同时也加强清洁板表面的作用,微蚀过程微蚀率的大小会直接影响沉银厚度与外观质量,由此监控好微蚀质量是为下一步沉银质量好环奠定基础的重要步骤。

水洗:采用两道逆流和纯水洗,主要是彻底清洁板面残留的微蚀剂,防止微蚀剂污染沉银预浸槽。

预浸:预浸使用不含银的稀释的沉银溶液,主要是把铜表面湿润增加活化。适当补充沉银槽之浓度,避免稀释沉银槽。

沉银:沉银是本艺的关键步骤,主要功能 是在预处理过后清洁铜表面上通过置换反应沉积一层薄银,在沉银过程,其温度、时间、浓度、循环量、摇摆幅度大小直接影响到沉银分散性与均匀性。

水洗:采用三道逆流和纯水洗,确保银表面清洗干净,无其它任何杂质离子污染,防止银变色影响外观。

烘干:主要把板表面水份及时烘干,烘干过程对风质、温度、时间加以特别控制,在热风吹干时,必须有空气过滤,且每班必须清洁,以防污染银面。

3.21工艺参数控制(注:以MacDermid公司化学沉银药水性能予以说明)

四制程要点

4.1水质要求:

所有药水槽均用纯水,预浸前之水洗,沉银后之水洗均用纯水。水质要求电导率20usPH6-8,且对水质中CL-含量每班予以测试,确保以硝酸银测试时无混浊反应,防止水中氯离子污染槽液或影响到沉银外观。

检测工具:水质电导率计、PH计、硝酸银。

4.2搬运储存要求:

沉银层对环境中氯(变黄色)或硫(变黑色)影响最敏感,易造成银面变色,影响外观及可焊性,由此对搬运过程和储存环境中应尽量避免同硫和氯、溴等卤化物质接触。

4.21为了减少操作与银面接触的污染,不管是水平线还是垂直线,沉银工艺最好是在成型、测试后进行,即成型---测试---沉银---终检。

但要考虑出货板单位尺寸≥150*150mm,如果是垂直线还需考虑无非电镀孔,用来穿挂板。

4.22沉银后之板取拿务必戴干净手套,避免沉银受手指印影响。搬运转序时,避免刮伤,轻拿轻放,板与板之间务必不含硫,不含氯之干净纸张(无硫纸)隔开保护,而且沉银后板存放环境通风好,无酸碱气体,更不允许其它药水污染。

4.23沉银板的包装、储存也是特别讲究的;沉银后成品率板应尽快包装。包装时,板与板之间可以不隔无硫纸,但每一小包板在真空包装前应以无硫纸包好才作真空包装,且除湿剂不能放在包装内。储存环境温度≤30度,温度≤70%RH。包装板子不许用橡皮筋包扎,因为橡皮筋含硫,会引起银层发黄。

4.3银层厚度的控制:

虽然银比起金来说成本上升要低得多,但银层厚度的控制依然很重要,这由于银厚度太厚太薄均会影响线路板日后的组装程序。

故而准确适当的控制银层厚度对产品品质是很重要的。

4.31银厚的工艺控制:

PCB板在经过微蚀处理得到均匀平整的铜面后进入到沉银液中时,其表面涂覆层的厚度主要取决于如下几点:反应时间即浸泡时间、银浓度、反应温度,有效图形面积,微蚀量。

图一银厚度与槽液温度的关系(时间30秒)   图二沉银厚度与反应时间的关系(温度为42度)

图三沉银厚度与Ag浓度关系(温度42度,时间30秒)图四银厚与图形面积的关系

图五银厚度与微蚀量、温度、时间关系

(注:)

图一至五实际数据分析可以看出,银层厚度主要因素是沉积时间与浓度、图形面积、微蚀量,而温度的影响较小。

图六沉银厚度不受沉银液使用寿命影响,但会影响沉银层厚子分布结构。

图七表面的原子Auger厚度图

实践表时:最终客房希望的银层厚度为0.1-0.3um,有的客户要求0.15+/-0.05um,如上述图表的分析,达到上述厚度通常沉银液中含Ag1.0-1.5g/L,槽液温度42+/-2度,浸渍时间为30+/-10秒。

4.32银厚的测量:

1 厚度的测量有两种手段:X-Ray机测量、重要法检测。

2.重量法测量银厚度简介:

a.取15cm*15cm基板一片(需先行去除表面防锈层)。

b.自除油段开始跑到微蚀后纯水洗完取出,(注意:尽可能发板边取拿,不要碰触铜面)。

c.150度烘烤5分钟,冷却以精密天平称重W1(精确至小数点后四位数)

d.上述测试片再从预浸槽投入到沉银后段全部流程完取出。

e.150度烘烤5分钟,冷却以精密天平称重W2(精确至小数点后四位数)。

计算:沉银厚度=W2-W1*系数*1.42(单位:micron

注:系数=6586/(测试片面积*2)(面积单位:cm2

4.4沉银板烘干要求:

1.只针对水气因素烘烤时,则时间与温度愈小愈好,不超过122*2H,而且板与板之间应以铝片加以覆盖,以防银面氧化。

2.浸银成品板因翘曲度不合格,需作烧烤时,温度≤150度,时间≤2H,同样板与板之间应以铝片加以覆盖,以防银面氧化。

五常见问题与解决方法

由于沉银层对环境极敏感,沉银板用途广,且表现要求严。因此,沉银生产中遇到问题颇多,在我们一年来生产实践中,常见问题及解决方法有发下几个方面:

注:退银方法还有碱性蚀刻液退银法与MacDermid公司药剂剥银法。

六质量要求及性能测试

6.1外观要求:

1.无发黄发黑、露铜、银面损伤等缺陷:

2.银白银均匀一致。

6.2性能要求:

1.可焊性:按IPC-J-STD-003标准:

2.组装性:对各种助焊剂兼容性强,沉银层可经受5次热冲击:

3.物理性:除着力3M胶带检测无银分层现象:

4.电子性:按Bellcore的标准。

6.3沉银厚度:

通常0.1-0.3um,某些客户要求0.15+/-0.05um

七总结

化学沉银作为一种新的涂覆工敢比热风整平、OSP工艺有其一定的优势,它使用成本低,操作简单,质量稳定,环境污染小,且加工出的产品有出色的外观特性及可焊性。

此种工艺可在垂直溶液槽及水平传送线进行,适用于各大小PCB生产商。

(本文得到香港MacDermid)公司邝永康经理和本公司梁志立总工的指导帮助,一并致谢)

作者简介:

梁继荣:男,30岁,大学专科,深圳恩达工艺部经理。从事多家PCB工厂生产、设计、工艺技术研发管理等,各项工作具有近八年的实践经验,而且对高频微波板、金属基板(铝基板)、多层厚铜埋盲孔板、背板、特性阻抗板制作 颇有研究。

丁启恒:男,26岁,大学本科,深圳恩达工艺部流程工程师,从事PCB流程工艺工作,有近三年的实践经验。

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