常用無鉛鍍層技術(shù)探討
市場上出現(xiàn)各種的無鉛鍍層材料和技術(shù)。而一般也各有各的強弱點。例如Ni/Au在保護性能方面有很好的性能，但卻存在成本很高、庫存壽命較低以及IMC影響可靠性的問題。OSP具有成本、加工溫度低和工藝容易的優(yōu)勢，但質(zhì)量的穩(wěn)定性、庫存壽命和對Flux的兼容性上卻是用戶所擔(dān)心的?；緛碚f，沒有一種技術(shù)是具備絕對優(yōu)勢的。如果從整體較平衡的角度來評估的話，ImAg似乎較具有優(yōu)勢。這就是近來ImAg被美國為主的用戶所歡迎的原因。尤其是當(dāng)其成本下降之后，已成為具有很大發(fā)展?jié)撃艿募夹g(shù)。
HASL熱風(fēng)整平：由于成本低和使用習(xí)慣而受歡迎，日本較看好這技術(shù)而有較多的研究投入。主要是在SAC以及SnCu合金上。但歐美不看好它的發(fā)展。主要基于其平整度問題、高溫加工問題以及工藝對員工有健康風(fēng)險等考慮。HASL能夠提供和焊料合金完全匹配的材料，有很好的潤濕性。但它會有IMC增長以及對PCB綠油不利等問題。所以發(fā)展情況不是很肯定，是否最終會被廣泛接受，得看大多數(shù)用戶對工藝和質(zhì)量的敏感程度，OSP和ImAg的成本競爭狀況，以及用戶們是否能夠舍棄這傳統(tǒng)的工藝而定。
ImAg化學(xué)沉銀：在常用技術(shù)中，ImAg相對是門較新的技術(shù)，而其被看好也是最近幾年的事。ImAg在各方面都表現(xiàn)不錯，是個表現(xiàn)“均衡”的技術(shù)。加上其加工技術(shù)上的改善，使成本得以下降，雖然仍高于HASL和OSP技術(shù)，但低于ImSn和ElectrolessSn，尤其低于Ni/Au許多能夠處理Ni/Au在鍵合以及接觸點的應(yīng)用上，使這技術(shù)被業(yè)界看好，有很大的發(fā)展?jié)撃堋?/span>
ImAg技術(shù)上的好處包括平整度高，導(dǎo)電性強，IMC（Ag3Sn）較其他鍍層材料的IMC堅固，加工溫度低（一般46度），潤濕性好以及庫存壽命長等等。純Sn技術(shù)：采用純錫的最大好處是和一般含Sn量高的無鉛焊料焊接后沒有IMC的問題。但焊盤（銅）鍍層加工后形成的SnCu層增長很快，造成庫存壽命不長。在早期，純錫鍍層的質(zhì)量很不穩(wěn)定而曾經(jīng)一度不受歡迎。近來在工藝上的改進（使用“白錫”和所謂的“FST”）使這門技術(shù)又開始被接受。有些供應(yīng)商甚至認為它將成為無鉛技術(shù)中PCB鍍層技術(shù)的主流。不過這必須在Whisker，鍍層加工后的IMC增長，以及錫瘟等顧慮得到較好的處理后才可能出現(xiàn)。
鍍純錫技術(shù)以所有三種常見工藝出現(xiàn)。即電鍍、無電極電鍍、以及浸鍍技術(shù)。無電極電鍍技術(shù)，由于Electroplated電鍍純錫技術(shù)中存在的金屬須以及鍍層厚度不均等問題而取代它。新的Electoplating電鍍純錫技術(shù)，有報告說通過電鍍液配方造出較大多邊形結(jié)晶顆粒結(jié)構(gòu)以及采用‘白錫’，可以防止金屬須的產(chǎn)生。加上其相對簡單的工藝，使Electroplating技術(shù)又再抬頭。ImSn由于成本低和工藝簡單，在純錫鍍層中的應(yīng)用已經(jīng)廣泛。ImSn在焊接工藝上被認為是表現(xiàn)最接近SnPb技術(shù)的（無鉛技術(shù)中所有的材料工藝表現(xiàn)都不如傳統(tǒng)的錫鉛材料），但由于浸鍍技術(shù)對厚度的控制能力不強，鍍層厚度一般只有1.5um或以下。這使這門技術(shù)的庫存壽命受到較大的威脅。
近來出現(xiàn)的另外一種新技術(shù)，是在浸錫前在焊盤表面鍍上一層‘有機金屬’。實驗證明這工藝能夠減小純錫應(yīng)用中IMC層的增長速度。使純錫應(yīng)用的地位又進一步得到提升。
Ni/Au技術(shù)：Ni/Au技術(shù)的好處是表面平整度高；可以承受多次的焊接（Ni可以承受多次加熱而不會有底層的Cu溶蝕現(xiàn)象）；庫存壽命長；容易和多數(shù)焊劑兼容；Ni層能夠阻止Cu溶蝕入焊點的Sn中而形成對焊點不利的合金，對焊點壽命有利（但Au對焊點不利而必須給于量上的控制）。Ni/Au的弱點是成本高，以及不適用于所有綠油。而且Au鍍層厚度以及后續(xù)焊接工藝的控制不好時會造成焊點可靠性的損失問題。
常用的Ni/Au電鍍技術(shù)有無電極電鍍ElectrolessNi/Au（簡稱ENEG）和ElectrolessNi/ImAu（簡稱ENIG）兩種。其中ENIG使用較多，Electroless技術(shù)其次，市場上雖然也有有電極的ElectroplatedNi/Au但供應(yīng)較少。焊點可靠性方面，Ni/Au由于Au和IMC特性的關(guān)系，一般不如其他鍍層材料技術(shù)。Au鍍層厚度是個質(zhì)量控制的要點，而這又必須在庫存壽命和可靠性的矛盾需求之間找到平衡點。此外，無電極電鍍技術(shù)的焊點可靠性也差于有極電鍍。這是因為工藝中固有的‘磷’含量的影響。在無電極電鍍中，當(dāng)焊點形成后，在Ni和以Sn為主的焊料之間存在3層IMC，分別為含大量磷的NiP層，NiPSn層以及Ni2Sn4層。而其中NiP層和NiPSn層之間的結(jié)合力很脆弱，是焊點的強度受到影響。所以無電極電鍍技術(shù)的焊點一般不如有電極電鍍技術(shù)。不過在實際經(jīng)驗中業(yè)界也發(fā)現(xiàn)，在無鉛焊接中如果使用SAC焊料，其中的Cu成分在Ni和Sn之間形成CuNiSn的IMC層。這有助于加強焊點的壽命，是其接近有電極電鍍技術(shù)的能力。而在比較OSP、HASL、ImAg、和Ni/Au可靠性的試驗中也發(fā)現(xiàn)，除了Ni/Au外，其他的可靠性在無鉛SAC焊接中的可靠性都較錫鉛中遜色。唯有Ni/Au由于CuNiSn層的出現(xiàn)而變得更可靠。
業(yè)界使用最廣的Ni/Au技術(shù)是ENIG技術(shù)。也就是先對焊盤進行無電極電鍍鎳層后，再進行浸鍍金的做法。ENIG有工藝較簡單的優(yōu)勢。但金的鍍層厚度不能隨意控制，而且業(yè)界都已經(jīng)知道其質(zhì)量不如Electroplated和ENEG技術(shù)。常出現(xiàn)的問題有“鍍層針孔”、黑斑、“黑Pad”、綠油脆化、漏鍍、高磷IMC層、AuSn4沉淀等。其中有些問題的機理還沒有完全被了解。不過ENIG有個重要的強點，就是使用在高密度和多I/O板上。因為這類板需要很多的通接孔和層次多，細而長的通接孔形狀不利于有電極電鍍工藝，采用ENIG工藝可以確保較好的壽命。
OSP有機保護膜技術(shù)：OSP技術(shù)早期在日本十分受歡迎，在市場調(diào)查中，有約4成的單面板使用這種技術(shù)，而雙面板也有近3成使用它。在美國，OSP技術(shù)也在1997年起激增，從1997以前的約10%用量增加到1999年的35%。OSP并非新技術(shù)，它實際上已經(jīng)有超過35年，比SMT歷史還長。OSP具備許多好處，例如平整面好，和焊盤的銅之間沒有IMC形成，允許焊接時焊料和銅直接焊接（潤濕性好），低溫的加工工藝，成本低（可低于HASL），加工時的能源使用少等等。
OSP有三大類的材料：松香類（Rosin），活性樹脂類（ActiveResin）和唑類（Azole）。目前使用最廣的是唑類OSP。唑類OSP已經(jīng)經(jīng)過了約5代的改善，這五代分別名為BTA，IA，BIA，SBA和最新的APA。早期的BTA類對濕度敏感，庫存壽命很短（3個月），不能承受多次加熱，而且需要較強的焊劑，所以性能不是很好。一直到70年代有日本開發(fā)的第三代BIA類OSP后才有較顯著的改善。美國市場也在80年代開始采用這類OSP，同時被正在發(fā)展的SMT所接受。不過BIA的耐熱性仍然是個弱點。目前仍然有供應(yīng)商提供BIA類的OSP，但逐漸在為新一代的SBA所取代。
SBA是1997年的研發(fā)成果，有美國IBM推出而后得到在OSP技術(shù)上享有盛名的日本“四國化學(xué)”公司的改善。在保護性和耐熱性有顯著的加強。其耐熱性已經(jīng)可以承受3次的回流處理（但多次加熱后需要較強的焊劑）。SBA是目前OSP供應(yīng)的主流。成本低于傳統(tǒng)的HASL，所以在錫鉛時代已經(jīng)被大量的使用，尤其是單面板上。在雙面回流板以及混裝板工藝應(yīng)用上卻仍然有些顧慮。
隨著無鉛技術(shù)的推進，OSP技術(shù)，即使是較好的SBA技術(shù)，將不能很理想的支持無鉛的高溫環(huán)境和可能出現(xiàn)的多次焊接。在不斷研究中，業(yè)界有出現(xiàn)了更新更好的技術(shù)。這就是最新一代的ArylPhonylimidazole（APA）了。這類OSP的分解溫度為355℃，能夠承受多次加熱。而且能夠和一般的免清洗焊接兼容，無需較強的助焊劑。它還有一個好處，就是不沾金。這允許使用在需要‘金手指’應(yīng)用的板上，加工時不需要覆蓋（Masking）工藝。這類OSP的出現(xiàn)給業(yè)界帶來了好消息。
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