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技術論文

化學沉銀工藝的應用實踐

日期:2014-06-28  閱讀:() 

----深圳:梁繼榮,丁啟恒

摘要:化學沉銀是近年新興起的印制板表面處理工藝,預料沉銀和浸錫會成為下一代主流的表面涂覆工藝,本文概述化學沉銀工藝流程、工藝參數、制程要點,質量要求等,同時結合起來生產實際,對沉銀工藝影響因素、常見問題及解決方法闡述了自己的實踐應用體會

關鍵詞:化學覺銀、沉銀厚度

-前言

1.1選用化學沉銀的原因:

熱風整平基于沉錫層的平整度已難以適應日漸精細的印制板的設計要求,目前替代的表面涂覆層是沉鎳金和OSP。但沉鎳金成本高,工序復雜,而OSP在組裝時受到一定的限制(基準定痊點仍是銅顏色,有的裝配線難發定位),另外,與助劑的兼容性也受到一定影響。

鉛有毒,環保的需要,歐洲法例2004年后會逐漸不允許使用鉛錫焊料,熱風整平工藝會逐漸被取代。

近年來,國外逐漸興起的新工藝是化學浸銀和化學浸錫。沉銀、沉錫各有特點,工藝都在不斷改良和成熟之中。據我們所知,歐美國家,有的客戶喜歡沉錫,有的客戶則規定用沉銀。

這篇文章說的是沉銀工藝,沉銀表面平滑,適合直接進行組裝及用于BGASMT和高密度線路設計,可焊性很好。再有,沉銀工敢成本低,操作簡單,適合 規模生產,水平式、垂直式均可實施,所需設備體積亦較小。

這就是建立化學沉銀工藝的原因。

1.2化學沉銀層是含微量有機物的純銀金屬

沉出的銀層是銀金屬,同時還有微量的有機物(1-3%)與銀金屬一起被沉置在銅面,發防銀層氧化及減少銀離子遷移的可能。

1.3沉銀層仍會變黃,發黑,氧化

受銀離子的特性所決定,銀與空氣中的硫很易結合,形成硫化銀變為黑色。同時銀同鹵素(氯,溴)也易結合形成氯化銀、溴化銀,為黃色。因此,在整個工藝過程中和搬運,儲存過程中處處仍需提防硫、氯、溴物質對銀層變黃發黑問題。化學沉銀層的有面物并非萬能,但銀層中的要機物不會隨時間表和熱應力而改變,有機物是平均分布在鍍層中的,所以經多次熱沖擊后,亦只有最表面的鍍層會發生氧化。

1.4經焊錫后,銀發生的變化

在焊錫時,銀層會快速地溶于鉛錫中,同時在活人的銅墻鐵壁基上產生接點,因銀層厚度很薄,組裝后只有微量的銀溶于鉛錫中,儀器難以測出銀的存在,估計銀僅占鉛錫質量比的0005%

1.5沉銀PCB應用研究的領域

汽車工業,電腦硬盤,通信設備,移動電話號碼,家用電器,航空航天器材等電子領域。

1.6化學沉銀溶液的供應商和應用概況

據我們所知,Alphe matal Poiyclad(Cookson Electronics)MacDermid等公司都已在全球推出其化學銀工藝,都有一群著名的PCB企業使用他們的溶液,基于MacDermid也是全球最早推出沉銀的公司之一,我們的歐洲,澳洲客戶使用的是MacDermid的沉銀層,因而,我們也是使用MacDermid沉銀藥水,據從各公司資料介紹所知,各個藥水公司總裁的工藝流程應用基本相似。

預料沉銀和覺錫會成為下一代主流表面處理工藝。

1.7本文敘述的內容

本文敘述的是本公司化學沉銀的應用實踐體會,包括工藝西方、工藝參數、制程要點、厚度控制、常見問題及解決方法、質量和性能要求等, 供國內同行參考。

二 沉銀基本原理

化學沉銀原理:主要是以化學原理,使用銅墻鐵壁面沉置上一層薄銀。基于銀與銅之間的電位差,使銅與銀能自發性進行置換反應,如下式:

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

為了使這反應能順利進行,配有硝酸(加快化學反應)、螯合物(與銅螯合以減低對銀缸的影響)、抑制劑(以提供光滑的銀鍍層及減少銀缸對光的敏感度)、界面活化劑(防止銀鍍層氧化及電子轉移的可能)等化學藥品,以氧化銅面及抑制轉換后產生的銅離子,使線路表面置換出一層細薄銀層,而且銀鍍層理論上只會有一個原子的厚度,當銅面被覆蓋后反應便會立即停止。但實際上,因沉銀工藝前處理的粗化處理及沉銀藥水 會輕微腐蝕銅面,令銅面的微孔性增加而可浸置更厚的銀鍍層。加上化學電流的影響到,只要有銅墻鐵壁露出的地方也會有銀轉換上去。一般來說銀與銅墻鐵壁的轉換反應會在反應開始后一分鐘后逐漸低慢。沉銀厚度大約在015-03um.為防止銀層氧化和銀離子遷移,溶液中含有少量有機物,這種有機物同銀金屬一起被置換在銅墻鐵壁面上。

三沉銀工藝簡介

3.1工藝流程:

沉銀基本工藝流程如下:

入板—除油—溢流水洗*2—微蝕—溢流DI水洗*2---預浸---沉銀---溢流DI*3---烘干---下板。

使用設備即可水平式,也可垂直式。

3.2流程簡介

除油:除油使用酸性除油劑,主要是除銅墻鐵壁表面油脂、污染物、氧化物及手指紋印,并與阻焊劑有良好的相容性。除油過程能有效地清潔濕潤和活化銅墻鐵壁表面,保證需要下步微蝕時銅墻鐵壁表面形成均勻的微觀粗糙表面。除油過程嚴格控制除油溫度、時間、循環量、搖擺幅度大小,是板面得發徹低清潔的重要保證。

水洗:水洗是為了清潔板面除油劑,停止除油劑污染微蝕液,同時把附于板面界面活性清洗干凈,水洗采用兩道逆流水洗,減少耗水量。

微蝕:微蝕為雙劑型之微蝕劑,其主要功能是把銅表面均勻粗化形成微觀銅墻鐵壁表面,同時也加強清潔板表面的作用,微蝕過程微蝕率的大小會直接影響沉銀厚度與外觀質量,由此監控好微蝕質量是為下一步沉銀質量好環奠定基礎的重要步驟。

水洗:采用兩道逆流和純水洗,主要是徹底清潔板面殘留的微蝕劑,防止微蝕劑污染沉銀預浸槽。

預浸:預浸使用不含銀的稀釋的沉銀溶液,主要是把銅表面濕潤增加活化。適當補充沉銀槽之濃度,避免稀釋沉銀槽。

沉銀:沉銀是本藝的關鍵步驟,主要功能 是在預處理過后清潔銅表面上通過置換反應沉積一層薄銀,在沉銀過程,其溫度、時間、濃度、循環量、搖擺幅度大小直接影響到沉銀分散性與均勻性。

水洗:采用三道逆流和純水洗,確保銀表面清洗干凈,無其它任何雜質離子污染,防止銀變色影響外觀。

烘干:主要把板表面水份及時烘干,烘干過程對風質、溫度、時間加以特別控制,在熱風吹干時,必須有空氣過濾,且每班必須清潔,以防污染銀面。

3.21工藝參數控制(注:以MacDermid公司化學沉銀藥水性能予以說明)

四制程要點

4.1水質要求:

所有藥水槽均用純水,預浸前之水洗,沉銀后之水洗均用純水。水質要求電導率20usPH6-8,且對水質中CL-含量每班予以測試,確保以硝酸銀測試時無混濁反應,防止水中氯離子污染槽液或影響到沉銀外觀。

檢測工具:水質電導率計、PH計、硝酸銀。

4.2搬運儲存要求:

沉銀層對環境中氯(變黃色)或硫(變黑色)影響最敏感,易造成銀面變色,影響外觀及可焊性,由此對搬運過程和儲存環境中應盡量避免同硫和氯、溴等鹵化物質接觸。

4.21為了減少操作與銀面接觸的污染,不管是水平線還是垂直線,沉銀工藝最好是在成型、測試后進行,即成型---測試---沉銀---終檢。

但要考慮出貨板單位尺寸≥150*150mm,如果是垂直線還需考慮無非電鍍孔,用來穿掛板。

4.22沉銀后之板取拿務必戴干凈手套,避免沉銀受手指印影響。搬運轉序時,避免刮傷,輕拿輕放,板與板之間務必不含硫,不含氯之干凈紙張(無硫紙)隔開保護,而且沉銀后板存放環境通風好,無酸堿氣體,更不允許其它藥水污染。

4.23沉銀板的包裝、儲存也是特別講究的;沉銀后成品率板應盡快包裝。包裝時,板與板之間可以不隔無硫紙,但每一小包板在真空包裝前應以無硫紙包好才作真空包裝,且除濕劑不能放在包裝內。儲存環境溫度≤30度,溫度≤70%RH。包裝板子不許用橡皮筋包扎,因為橡皮筋含硫,會引起銀層發黃。

4.3銀層厚度的控制:

雖然銀比起金來說成本上升要低得多,但銀層厚度的控制依然很重要,這由于銀厚度太厚太薄均會影響線路板日后的組裝程序。

故而準確適當的控制銀層厚度對產品品質是很重要的。

4.31銀厚的工藝控制:

PCB板在經過微蝕處理得到均勻平整的銅面后進入到沉銀液中時,其表面涂覆層的厚度主要取決于如下幾點:反應時間即浸泡時間、銀濃度、反應溫度,有效圖形面積,微蝕量。

圖一銀厚度與槽液溫度的關系(時間30秒)   圖二沉銀厚度與反應時間的關系(溫度為42度)

圖三沉銀厚度與Ag濃度關系(溫度42度,時間30秒)圖四銀厚與圖形面積的關系

圖五銀厚度與微蝕量、溫度、時間關系

(注:)

圖一至五實際數據分析可以看出,銀層厚度主要因素是沉積時間與濃度、圖形面積、微蝕量,而溫度的影響較小。

圖六沉銀厚度不受沉銀液使用壽命影響,但會影響沉銀層厚子分布結構。

圖七表面的原子Auger厚度圖

實踐表時:最終客房希望的銀層厚度為0.1-0.3um,有的客戶要求0.15+/-0.05um,如上述圖表的分析,達到上述厚度通常沉銀液中含Ag1.0-1.5g/L,槽液溫度42+/-2度,浸漬時間為30+/-10秒。

4.32銀厚的測量:

1 厚度的測量有兩種手段:X-Ray機測量、重要法檢測。

2.重量法測量銀厚度簡介:

a.取15cm*15cm基板一片(需先行去除表面防銹層)。

b.自除油段開始跑到微蝕后純水洗完取出,(注意:盡可能發板邊取拿,不要碰觸銅面)。

c.150度烘烤5分鐘,冷卻以精密天平稱重W1(精確至小數點后四位數)

d.上述測試片再從預浸槽投入到沉銀后段全部流程完取出。

e.150度烘烤5分鐘,冷卻以精密天平稱重W2(精確至小數點后四位數)。

計算:沉銀厚度=W2-W1*系數*1.42(單位:micron

注:系數=6586/(測試片面積*2)(面積單位:cm2

4.4沉銀板烘干要求:

1.只針對水氣因素烘烤時,則時間與溫度愈小愈好,不超過122*2H,而且板與板之間應以鋁片加以覆蓋,以防銀面氧化。

2.浸銀成品板因翹曲度不合格,需作燒烤時,溫度≤150度,時間≤2H,同樣板與板之間應以鋁片加以覆蓋,以防銀面氧化。

五常見問題與解決方法

由于沉銀層對環境極敏感,沉銀板用途廣,且表現要求嚴。因此,沉銀生產中遇到問題頗多,在我們一年來生產實踐中,常見問題及解決方法有發下幾個方面:

注:退銀方法還有堿性蝕刻液退銀法與MacDermid公司藥劑剝銀法。

六質量要求及性能測試

6.1外觀要求:

1.無發黃發黑、露銅、銀面損傷等缺陷:

2.銀白銀均勻一致。

6.2性能要求:

1.可焊性:按IPC-J-STD-003標準:

2.組裝性:對各種助焊劑兼容性強,沉銀層可經受5次熱沖擊:

3.物理性:除著力3M膠帶檢測無銀分層現象:

4.電子性:按Bellcore的標準。

6.3沉銀厚度:

通常0.1-0.3um,某些客戶要求0.15+/-0.05um

七總結

化學沉銀作為一種新的涂覆工敢比熱風整平、OSP工藝有其一定的優勢,它使用成本低,操作簡單,質量穩定,環境污染小,且加工出的產品有出色的外觀特性及可焊性。

此種工藝可在垂直溶液槽及水平傳送線進行,適用于各大小PCB生產商。

(本文得到香港MacDermid)公司鄺永康經理和本公司梁志立總工的指導幫助,一并致謝)

作者簡介:

梁繼榮:男,30歲,大學專科,深圳恩達工藝部經理。從事多家PCB工廠生產、設計、工藝技術研發管理等,各項工作具有近八年的實踐經驗,而且對高頻微波板、金屬基板(鋁基板)、多層厚銅埋盲孔板、背板、特性阻抗板制作 頗有研究。

丁啟恒:男,26歲,大學本科,深圳恩達工藝部流程工程師,從事PCB流程工藝工作,有近三年的實踐經驗。

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