PCB部落格 - 消除PCB板銀層的科技和方法

我們都知道, 因為 印刷電路板 組裝後不能重工業, 所以報廢成本由微孔引起. 對這個問題的進一步研究證明，這個問題完全是由於電路板設計引起的可焊性問題, 與銀沉工藝或其他最終表面處理方法無關.

1 Root cause analysis
By analyzing the root cause of defects, 通過工藝改進和參數優化，可以降低缺陷率. Gianni效應通常發生在阻焊膜和銅表面之間的裂紋下. 在銀沉澱過程中, 因為裂縫很小, 銀沉澱溶液中的銀離子供應有限, 但是這裡的銅可以被腐蝕成銅離子, 然後在裂紋外的銅表面上發生銀沉澱反應. 因為離子轉化是銀沉澱反應的驅動力, 裂紋下銅表面的侵蝕程度與銀沉澱的厚度直接相關. 裂縫的形成有以下任何原因：過度的側向侵蝕/development or poor bonding of the solder film to the copper surface; Uneven electroplated copper layer (thin copper orifice); There are obvious deep scratches on the substrate copper under the resistance film. 當空氣中的硫或氧與金屬表面反應時，就會發生腐蝕. Silver reacts with sulfur to form a $silver sulfide (Ag2.S) film on the surface, 如果硫含量高，最終會變黑. 有幾種方法可以使銀被硫污染, either by air (as mentioned earlier) or by other sources such as PWB wrapping paper. 銀與氧的反應管道不同, 通常與銀層下麵的銅形成深棕色氧化亞銅. 這種缺陷通常是由於銀沉積速度非常快, 形成低密度銀沉積層, 這使得銀層下部的銅易於與空氣接觸, 這樣銅就會與空氣中的氧氣發生反應. 鬆散的晶體結構具有更大的晶間空間，囙此需要更厚的銀沉積層來實現抗氧化性. 這意味著在生產過程中沉積更厚的銀層, 這新增了生產成本，並新增了出現可焊性問題的機會，如微孔和焊接不良. 銅暴露通常與銀沉澱之前的化學過程有關. 該缺陷出現在銀沉積過程之後, 主要是因為在工藝之前未完全去除的殘餘膜阻礙了銀層的沉積. 常見的是電阻焊接過程中產生的殘餘薄膜, 現時尚不清楚開發商在開發過程中造成的後果, 這就是所謂的“殘膜”, 這層殘餘膜封锁了銀沉澱反應. 機械處理過程也是銅暴露的原因之一. 電路板的表面結構將影響電路板和溶液之間接觸的均勻性. 溶液迴圈不足或過多也會形成不均勻的銀沉積層. 離子污染電路板表面存在的離子物質可能會干擾電路板的電力特性. These ions mainly come from the silver immersion solution itself (remaining in the silver immersion layer or under the solder resist film). 不同的沉澱銀溶液具有不同的離子含量. 溶液的離子含量越高, 相同洗滌條件下離子污染值越高. 銀沉積層的孔隙率也是影響離子污染的重要因素之一. 高孔隙率的銀層易於在溶液中保留離子, 這新增了清洗的難度，最終導致離子污染值相應新增. 後洗的效果也將直接影響離子污染, 洗滌不足或水質不合格會導致離子污染超標. 微孔直徑通常小於1mil. 位於焊料和焊接表面之間的金屬介面化合物上的空腔稱為微孔，因為它實際上是焊接表面的“平面空化群”, 從而大大降低了焊接接頭的受力. OSP上出現微孔, ENIG和沉積銀表面. 微孔的根本原因尚不清楚, 但已經確定了幾個影響因素. Although all microvoids in the ag-precipitate layer occur on thick silver (more than 15mm thick) surfaces, 並非所有微孔都出現在厚銀層中. 當銀沉積層底部的銅表面結構非常粗糙時，更容易出現微孔. 微孔的出現似乎也與共沉積在銀層中的有機物的類型和成分有關. 針對上述現象, 原始設備製造商, 郵政特快專遞, 印刷線路板製造商, 化學供應商進行了幾項類比焊接研究, 沒有一種能够完全消除微孔.

2. Preventive measures
In order to avoid or eliminate defects and improve the yield, 預防措施需要考慮化學品和設備對實際生產缺陷的影響. Gianni效應的預防可以追溯到預處理鍍銅過程. 用於高縱橫比孔和微通孔, 均勻的電鍍厚度有助於消除吉安尼效應的隱患. 薄膜剝離過程中過度腐蝕或側面侵蝕, 蝕刻和錫剝離過程可能會導致裂紋的形成, 裂紋中可能存在殘餘腐蝕溶液或其他溶液. 然而, 焊料膜問題仍然是發生Gianni效應的主要原因. 大多數具有吉安尼效應的缺陷板都有側面腐蝕或焊錫膜脫落現象, 主要來源於曝光顯影過程. 因此, 如果在“前脚”之後顯影焊料膜，並且焊料膜完全固化, 這樣就幾乎可以消除吉安尼效應的問題. 獲得良好的銀沉積, 銀沉積位置必須為100%銅, 每個儲罐中的溶液具有良好的穿孔能力, 溶液可以通過孔有效交換. 對於非常精細的結構, 例如HDI板, 在預處理和銀沉溶液中安裝超聲波或注射器很有用. 用於銀沉澱過程的生產管理, 可以通過控制微侵蝕速率來改善Gianni的效果，以形成光滑、半光亮的表面. For original equipment manufacturers (Oems), 為了消除吉安尼效應的隱患，有必要避免大銅表面或與細線相連的高縱橫比通孔. 化學品供應商, 銀沉澱溶液不應具有很强的侵蝕性, 保持適當的pH值, 銀沉澱速率受控，可以產生所需的晶體結構, 薄銀厚度可以實現耐腐蝕性. 通過新增塗層密度和降低孔隙率可以减少腐蝕. 使用無硫包裝, 密封以隔離板與空氣接觸, 還可以防止空氣中的硫與銀表面接觸. 將包裝好的紙板存放在溫度為30℃，相對濕度為40%的環境中. 雖然銀盤的保質期很長, 存儲仍應遵循, 先出原則. 通過優化預沉澱過程，可以减少或消除暴露的銅. 為此目的, 銅表面可在微蝕後通過“斷水”試驗或“亮點”試驗進行檢查. 清潔的銅表面可以保持水膜至少40秒. 定期維護設備，確保溶液迴圈均勻穩定, 通過DOE時間優化得到了銀沉降操作參數, 溫度和攪拌，以確保所需的厚度和高品質的銀層. 根據需要使用超聲波或噴射器來提高銀沉溶液對微通孔的潤濕性, 高縱橫比孔和厚板, 並為HDI板的生產提供可行的解決方案. 這些輔助機械方法可應用於預處理和銀沉溶液，以確保孔壁完全潤濕. 通過降低沉澱銀溶液的離子濃度可以减少離子污染. 因此, 銀沉澱溶液的離子含量應盡可能低，而不影響溶液的效能. 用去離子水清洗通常的清洗部分至少1分鐘, and the ion content (anions and cations) must be periodically tested for compliance with industry standards. 區分主要污染物, 必須記錄並保留這些測試的結果. 微孔是一種難以預防的缺陷，因為微孔的真正原因尚不清楚. 如上所述, 我們已經知道，有一些因素似乎導致或伴隨著微孔, 可以通過消除或最小化這些因素來控制微孔. 銀沉積厚度是導致微孔的重要因素, 囙此，控制銀沉積厚度是第一步. 其次, 應調整微腐蝕速率和銀沉積速率，以獲得光滑均勻的表面結構. 還應通過在槽液使用壽命的不同點測試銀沉積層的純度來監測銀沉積層中的有機物含量. The reasonable silver content should be controlled above 90% (atomic ratio).

3. The ideal process - AlphaSTAR
此外 to excellent performance, “理想工藝”還必須滿足安全要求, 7月1日公佈的電子行業環境保護和可靠性要求, 2006. 儘管Les Chemical早在1994年就擁有AlphaLEVEL產品系列, les化工不斷改進工藝和研發, 並成功開發了第3代銀槽科技 印刷電路板 --AlphaSTAR公司. AlphaSTAR工藝是專業為滿足當今日益嚴格的表面處理要求而設計的. 它解决了上述導致PCB淘汰的幾個問題, 新增的成本, 環境保護與安全, 並符合可能影響印刷電路板行業的當前和未來法規. The process consists of 7 steps (three of which are washing steps), 其效能和優點描述如下：預處理分為以下四個步驟：除油, 水洗, 微侵蝕和水洗. 除油溶液的表面張力很低，可以潤濕所有銅表面, 這既消除了銅暴露問題，又促進了銀層在高縱橫比孔和微通孔中的沉積. 獨特的微蝕配方可產生稍粗的顆粒, 半光澤表面結構，有助於形成具有精細和緻密晶體結構的銀層, 導致高密度, 即使在極低的銀厚度下，也有低孔隙率的銀沉積層. 這大大提高了銀層的耐腐蝕性. 銀沉澱分為以下3個步驟：預浸, 銀沉澱和去離子水洗滌. 預教學的目的有3個. 第一, 它被用作犧牲溶液，以防止銅和其他物質被帶入微蝕刻槽，污染銀沉澱溶液. 第二, 為銀沉澱置換反應提供清潔的銅表面, 囙此，銅表面可以獲得與銀沉澱溶液相同的化學環境和pH值. 該過程的第3個功能是自動補充銀槽, since the prepreg has the same composition as the silver sink (except for the metallic silver). 在銀沉澱反應中, 金屬銀的消耗, 銀沉澱溶液中有機成分含量的變化只是由槽中浸出引起的損失, 預浸和銀沉澱溶液的成分相同, 預浸量等於銀沉澱量, 囙此，銀沉澱溶液不會積累不必要的有機物. 銀沉澱反應是通過銅和銀離子之間的取代反應進行的. 通過AlphaSTAR微蝕溶液稍微粗化銅表面，以確保以受控的銀沉積速率緩慢生成均勻的銀沉積層. 緩慢的銀沉積速率有利於沉積緻密的晶體結構, 避免因沉澱和結塊而導致顆粒生長, 形成高密度的銀層. 這麼密集, moderately thick (6-12U ") silver layer not only has high corrosion resistance, 而且具有很好的導電性. 銀沉澱非常穩定, 壽命長，對光和微量鹵化物不敏感. AlphaSTAR的其他優勢包括顯著减少停機時間, 低離子污染, 設備成本低.

4. Conclusion
The AlphaSTAR process combines several finishing properties that meet and exceed the PCB industry's requirements for solderability, 可靠性, 安全, 和法規遵從性. AlphaSTAR流程具有較寬的操作視窗； 易於操作, 控制和維護, 可返工操作, 在相同的最終表面處理生產成本中. AlphaSTAR工藝解决了上述六個銀沉澱工藝相關問題, 消除或减少其對高品質產品的直接影響 PCB板 產品. In addition, 該過程符合RoHS和WEEE規定, 銀層完全無鉛.