印制板表面可焊性处理与焊接

【摘要】本文在对印制板多种表面可焊性处理工艺进行介绍的基础上，对相应焊接技术进行了较为详细的论述，对SPF等离子体处理新技术及焊接效果进行了推介。

【关键词】印制板；表面处理；焊接

一、前言

在一个印制电路板的制造工艺流程中，产品最终之表面可焊性处理，对最终产品的焊接装配和使用可靠性起着至关重要的作用。

综观当今针对印制电路板最终表面可焊性涂覆表面处理的方式，主要包括以下几种：（1）热风整平；（2）有机可焊性保护剂；（3）化学沉镍浸金；（4）化学镀银；（5）化学浸锡；（6）锡 / 铅再流化处理；（7）电镀镍金；（8）化学沉钯。其中，热风整平是自阻焊膜于裸铜板上进行制作之制造工艺（SMOBC）采用以来，迄今为止使用最为广泛的成品印制电路板最终表面可焊性涂覆处理方式。

热风整平技术在70年代中期已开始应用。其抗蚀性、抗氧化性、可焊性较好，目前作为印制板表面镀层仍占多数。但印制板经热风整平之高温处理后，易产生翘曲，且不利于薄板生产，还有焊盘厚度不均匀（呈弧状），对下道上锡膏、SMT、BGA安装有影响，此外还会产生Cu―Sn介面金属化合物，质脆。

镀镍/金早在70年代就应用在印制板上。电镀镍/金特别是闪镀金、镀厚金、插头镀耐磨的Au―Co 、Au―Ni等合金至今仍一直在带按键通讯设备、压焊的印制板上应用着。但它需要“工艺导线”达到互连，受高密度印制板SMT安装限制。90年代，由于化学镀镍/金技术的突破，加上印制板要求导线微细化、小孔径化等，而化学镀镍/金，它具有镀层平坦、接触电阻低、可焊性好，且有一定耐磨程度等优点，特别适合打线（Wire Bonding）工艺的印制板，成为不可缺少的镀层。但化学镀镍/金有工序多、返工困难、生产效率低、成本高、废液难处理等缺点。

铜面有机防氧化膜处理技术，是采用一种铜面有机保焊剂在印制板表面形成之涂层与表面金属铜产生络合反应，形成有机物―金属键，使铜面生成耐热、可焊、抗氧化之保护层。目前，其在印制板表面涂层也占有一席之地，但此保护膜薄易划伤，又不导电，且存在下道测试检验困难等缺点。

随着环境保护意识的增强，印制板也朝着三无产品（无铅、无溴、无氯）的方向迈进，今后采用化学镀银、化学浸锡表面涂覆技术的厂家会越来越多，因其具有优良的多重焊接性、很高的表面平整度、较低的热应力、简易的制程、较好的操作安全性和较低的维护费。

另外，随着SMT技术之迅速发展，BGA设计的逐步平常化，对印制板表面平整度的要求会越来越高，化学镀镍/金、铜面有机防氧化膜处理技术、化学镀银、化学浸锡技术的采用，今后所占比例将逐年提高。

二、印制板表面可焊性处理简介

2.1 热风整平

2.1.1 热风整平工艺

热风整平是自阻焊膜于裸铜板上进行制作之制造工艺（SMOBC）采用以来，迄今为止使用最为广泛的成品印制电路板最终表面可焊性涂覆处理方式。

热风整平，又称喷锡，是将印制板浸入熔融的焊料（通常为63Sn37Pb的焊料）中，然后通过热风，将印制板的表面和金属化孔内部多余的焊料吹掉，最终获得一个光滑、均匀光亮的焊料涂覆层。

热风整平（HASL）工艺制程之简介请参见下图1。

热风整平工艺制程，包含有热风整平前处理、热风整平、热风整平后处理三方面。其中，热风整平前处理工艺控制，对热风整平的质量影响很大，通常包括清洁处理和微蚀处理，确保彻底去除印制板可焊性涂覆表面的油污、杂质或氧化层，露出新鲜可焊的铜表面。

热风整平前对印制板的微蚀处理，常采用硫酸/双氧水体系，微蚀一般要求将铜蚀刻1～2微米，微蚀后需浸酸处理。经过微蚀处理后的印制板，一定要立即进行水洗、吹干，防止新鲜的铜表面再次氧化。

热风整平的工艺参数控制，主要关注焊料温度、空气刀气流温度、风刀的空气压力、浸焊时间、以及退出速度等诸方面。

2.1.2 热风整平质量控制及焊接要求

考虑到热风整平的目的，是为后续的焊接提供良好基础，所以，对热风整平的质量要求显得尤其重要，主要有以下几方面：

（1）外观质量

所有焊料涂覆处的锡铅合金层，必须光亮、均匀、完整，没有半润湿、节瘤、露铜等缺陷。印制板表面，以及孔内无异物，非涂覆锡铅合金部位不应挂粘锡铅焊料。

另外，阻焊层不应有气泡、脱落、或变色等现象；阻焊层下的铜，不应氧化或变色；如果有插头镀金设计，则镀金插头部位不应有焊料涂覆。

（2）焊料层厚度

印制板表面处理之涂覆焊料部位的焊料层厚度，并无严格的统一标准规定，一般应以焊料层的可焊为原则。

（3）附着力

锡铅焊料附着力应不小于2N/mm。

（4）锡铅合金成分

焊料涂覆层锡含量62～64%，其余为铅含量。

（5）可焊性要求

使用中性焊剂，3秒内应完全润湿。

2.1.3 无铅化及焊接的影响

随着社会的进步，人们对环境保护意识逐渐增强。保护环境，减少工业污染，已越来越受到全社会的关注。众所周知，铅是有毒的金属，将会对人体和周围环境造成相当巨大的影响。

为了消除铅的污染，采用无铅焊锡及无铅焊接技术是势在必行。无铅焊锡技术不是新的。多年来，许多制造商已经在某些适当位置的应用中，使用了无铅合金，提供较高的熔点或满足特殊的材料要求。

但是，毋庸讳言，无铅化给印制板制造及焊接均带来了一定的影响，主要表现在下述几方面：

（1）多数无铅金属，包括锡―银―铜，具有超过200℃的熔点，高于传统的锡、铅合金的大约180℃的熔点。

这个升高的熔点，将要求更高的焊接温度。对于元件包装和倒装芯片装配，无铅焊锡的较高熔点是一个关注重点，因为元件包装基底可能不能忍受升高的回流温度。

设计者不断研究替代的基底材料，使其能耐受更高的温度，以及各向异性的导电胶，来取代倒装芯片和元件包装应用中的焊锡。

对于印制板制造而言，基板材料的耐热性以及加工完成后印制板的耐热性，将受到前所未有的考验。

（2）无铅焊料的工艺窗口，与传统的焊料相比，要窄得多，工艺的控制要求更高。

（3）无铅焊料对后续的封装焊接提出了许多相应的要求，这对无铅化的印制板的推广和应用，起着很重要的作用。

2.2 有机可焊性保护剂

2.2.1 有机可焊性保护剂（OSP）工艺

有机可焊性保护剂（OSP），是以化学的方法，在印制板裸铜表面，形成一层0.2～0.5微米的薄膜。

这层膜具有防氧化、耐热冲击、耐湿性，因而，在印制板制造业中，有机可焊性保护剂（OSP）工艺可替代热风整平技术。

有机可焊性保护剂（OSP）工艺制程之简介请参见图2。

此外，有机可焊性保护剂（OSP）工艺生产的印制板，较之于热风整平工艺生产的印制板，具有更为优良的平整度，更适应电子工业中SMT技术的发展要求。

2.2.2 有机可焊性保护剂与焊接

有机可焊性保护剂（OSP）技术，具有下述几方面的优点：

（1）经过有机可焊性保护剂（OSP）技术处理的印制板焊接区域，表面平坦，膜厚度0.2～0.5微米，适合SMT和细导线细间距的印制板的焊接，避免了热风整平工艺可能导致的贴装时不稳而滑动所造成的桥接效应。

（2）膜脆易焊，能承受四次以上热冲击，并与任意焊料兼容。

（3）制程采用水溶液操作，最高温度80℃，不会发生印制板翘曲变形，有利于保证后续焊接质量。

（4）制程成本较热风整平低20～25%。

当然了，由于膜厚很薄，易于划伤，在可焊性涂覆操作、以及焊接过程中，必须十分小心，确保可焊性保护剂成膜不被破坏，保证可焊性。

2.3 化学沉镍浸金

2.3.1 化学沉镍浸金工艺

自上个世纪末以来，化学沉镍浸金工艺，在国内得到了迅速的推广，这得益于化学沉镍浸金工艺本身所带来的种种优点。

化学沉镍浸金涂层的分散性好、具有良好的焊接及多次焊接性能、良好的打线（压焊）性能、能兼容各种助焊剂，同时又是一种极好的铜面保护层。

因此，与热风整平、有机可焊性保护膜等印制板表面处理工艺相比，化学沉镍浸金镀层，可满足更多种组装要求，具有可焊接、可接触导通、可邦线、可散热等功能，同时，其板面平整、SMD焊盘平坦，适合于细密线路、细小焊盘的锡膏熔焊，能较好地用于COB及BGA的制作。

由于药水供应商和设备制造工程师们的艰苦努力，化学沉镍浸金（ENIG）化学工艺制程已很成熟和稳定。因而，当我们面对它时，与在深绿色阻焊膜上的电路相比，并不逊色。当在完成化学沉镍浸金（ENIG）制程后的胶带测试中，不再发生前期制程条件下出现的阻焊膜脱落情况。

化学沉镍浸金（ENIG）工艺制程之简介请参见图3。

2.3.2化学沉镍浸金处理与焊接

（1） 金层厚度对可焊性的影响

在化学镀镍/金上，不管是施行锡膏熔焊或随后的波峰焊，由于金层很薄，在高温接触的一瞬间，金迅速与锡形成“界面合金共化物”（如AuSn、AuSn2 、AuSn3等）而熔入锡中。故所形成的焊点，实际上是着落在镍表面上，并形成良好的Ni―Sn合金共化物Ni3Sn4，而表现固着强度。换言之，焊接是发生在镍面上，金层只是为了保护镍面，防止其钝化（氧化）。因此，若金层太厚，会使进入焊锡的金量增多，一旦超过3%，焊点将变脆性反而降低其粘接强度。

（2） 镍层中磷含量的影响

化学镀镍层的品质决定于磷含量的大小。磷含量较高时，可焊性好，同时其抗蚀性也好，一般可控制在7～9%。

（3） 镍槽液老化的影响

镍槽反应副产物磷酸钠（根）造成槽液“老化”，污染溶液。镍层中磷含量也随之升高。老化的槽液中，阻焊膜渗出的有机物量增高，沉积速度减慢，镀层可焊性变坏。这就需要更换槽液，一般在金属追加量达4～5MTO时，应更换。

（4）PH值的影响

过高的PH，使镀层中磷含量下降，镀层抗蚀性不良，焊接性变坏。对于安美特公司之Aurotech （酸性）镀镍/金体系，一般要求PH不超过5.3，必要时可通过稀硫酸降低PH。

（5） 稳定剂的影响

稳定剂可阻止在阻焊Cu焊垫之间的基材上析出镍。但必须注意，太多时不但减低镍的沉积速度，还会危害到镍面的可焊性。

（6） 不适当加工工艺的影响

为了减少Ni/Au所受污染，烘烤型字符印刷应安排在Ni/Au工艺之前。光固型字符油墨不宜稀释，并且也应安排在Ni/Au工艺之前进行。

做好Ni/Au之后，不宜返工，也不宜进行任何酸洗，因为这些做法都会使镍层埋伏下氧化的危险，危及可焊性和焊点强度。

（7） 两次焊接的影响

第一次焊接后，助焊剂残余会浸蚀镍层。第二次焊接的高温会促使氧化甚至变黑，其固有强度变坏，无法通过振动试验。遇到这种情况，只能从槽液管理上入手进行改进，使镀镍层具有更好的抗蚀性能。

最后，一个最终的化学沉镍浸金（ENIG）问题值得注意：研究已证实与镍间所形成的焊点，不耐物理冲击。鉴于此原因，采用此法进行表面处理者有可能呈现出下降的趋势，例如，移动电话和PDA，将倾向于采用OSP、HASL、化学浸银（ImmAg）和化学浸锡（ImmSn）的可焊性涂覆。

2.4 化学镀银

2.4.1 化学镀银工艺

电子产品的飞速发展，促使印制板制造业工艺日新月异。传统的热风整平工艺，逐渐无法满足新的封装技术对印制板更平整链接盘的要求；压接技术的发展，要求最终涂覆后的孔径有很小的误差，而热风整平工艺加工后的极不均匀的表面涂层根本不适用于压接技术；另外，精细节距的应用也因为热风整平表面涂层容易桥接而受到限制。

前面述及的有机可焊性保护剂工艺，虽然有成本低、易控制等不可否认的优点，但是由于其膜的脆弱性特点，使其的应用受到了一定限制；已经发展成熟的化学沉镍浸金表面处理工艺，虽然受到了电子厂商的推崇，但其在生产控制、成本等方面，存在着一定劣势，对其发展也大受影响。

化学镀银工艺，凭借其自身的优势，大踏步的进入了印制板市场。其工艺制程之简介请参见图4。

2.4.2 化学镀银处理与焊接

经过生产实践及物理性能测试，化学镀银具有如下特点：

（1）优良的可焊性

相比于OSP可焊性涂覆制程而言，化学镀银的润湿速度更快，且能够满足多次再流焊接的要求。

（2）涂层均匀及表面平整度高，适合用于元器件BGA、FC、COB等的组装技术及精细节距。

（3）可用于压接技术。

（4）低操作温度，适用于薄板的生产，无板子分层、变形现象。

（5）与阻焊油墨和无铅焊料有良好的兼容性。

（6）可用于Bonding。

对一个装配者来说，也许最重要的是容易进行元器件的集成。任何新印制电路板表面可焊性处理方式应当能担当N次插拔之重任。除了集成容易之外，装配者对待处理印制电路板的表面平坦性也非常敏感。与热风整平制程所加工焊垫之较恶劣平坦度有关的漏印数量，是改变此种表面可焊性涂覆处理方式的原因之一。

银层表面的平坦性，正如其优良的接触传导特性一样，对装配工程师们具有吸引力。它能实现卓越之ICT结果。银表面涂覆之助焊剂选择，类似于化学沉镍浸金涂覆，不是非常重要。此外，化学镀银涂覆具有令人惊讶的数铣外形及电测忍耐度。但在板料持取过程中，须注意银表面之有害接触。

化学镀银工艺制程较之有机可焊性保护剂涂覆，有更长之可用期，但不像热风整平和化学沉镍浸金制品表面之高低不平形态。如果制作过程和持取程序不按要求进行，银将会特别敏感，并呈现其氧化后的失去光泽现象。氧化只要达到5纳米厚，即为可见，但其可焊性不受影响，直到出现大约50纳米厚之黑色层为止。至于其他功能，例如揿垫或无焊接连接，则对氧化之失去光泽更为宽容许多。人们希望今后有此类研究更广范围的应用出现。银层之氧化失去光泽现象，严格意义上讲，仅是一个表面现象。

2.5 化学浸锡

2.5.1 化学浸锡工艺

始于上个世纪九十年代中期，电子工业对化学浸锡工艺的需求迅速增长，但由于铜/锡之间的迁移，无论哪家药水供应商的化学浸锡工艺，均存在着严重的锡须问题。

锡须现象属金属间化合现象，铜―锡金属间化合物之形成，简单地说，是因为这些金属间之固相接触所致。此种金属间化合层，具有一定粘合作用，它允许两金属在焊接过程中之相对低的温度条件下完成焊接。

一个铜表面上的浸锡涂层，在电镀后立即开始形成上述之铜―锡金属间化合物。此铜―锡金属间化合物形成速率，遵循着时间和温度之各自平方根函数关系。该涂覆从两金属接触处开始形成，直至该金属间化合物达到表面。

据研究结果，一个1.0微米厚的浸锡涂层，应当能保持6个月到一年时间，但若进行多重焊接，将会是一个挑战。

锡须的形成使表面处理后的印制板，在使用后出现可靠性问题，限制了其发展。但经过药水供应商的不断开发研究，化学浸锡工艺日渐成熟，选择特殊的添加剂配方，能有效控制和抑制锡须的生长。

化学浸锡（ImmSn）工艺制程之简介请参见图5。

2.5.2 化学浸锡处理与焊接

历经生产实践及对其性能测试，化学浸锡具备以下特点：

（1）化学浸锡制程属无铅的表面处理。

（2）化学浸锡制程的工作温度，较热风整平的工作温度低，所以可减少印制板内层分离和弯曲现象。对于后道焊接工艺的实施，有利于避免桥接效应的发生。

（3）涂层的共面性好。

（4）涂层厚度，在尺寸各异的SMD连接面上，分布较为均匀，对于表面贴装焊接及焊接可靠性而言，极为有利。

（5）化学浸锡，返工较为简单，适用于插装技术的运用。

（6）适合精细间距印制板的表面可焊性处理。

（7）化学浸锡处理，可满足于多次焊接的装联要求。

通过改变锡层的晶体结构，可以降低铜―锡之间的相互扩散及锡须的增长速度，从而解决化学浸锡在应用时的可靠性问题。尽管如此，随着时间的延长，铜锡之间仍然会相互迁移而形成一定厚度的金属共化物。

所以，当浸锡涂层完成后，存放的时间越长，金属共化物层的厚度也就越厚，从而使印制板的焊接次数减少。

三、SPF印制板表面可焊性处理技术推荐

3.1 SPF表面可焊性处理制程

首先，利用下图6，对目前使用的印制板的可焊性制程，与即将隆重推介的“Semblant等离子体处理制程”――Semblant Plasma Finish （SPF），进行了工艺流程步骤对比。

如上所述，印制板表面可焊性处理技术多种多样、多姿多彩，由于可焊性涂层的特性及处理方式的差异，真是各有各的精彩，为各类印制板的后续装联奠定了基础，但选择何种可焊性处理方式，需综合焊接对象、焊接方式等诸方面进行定夺。

从可焊性处理方式分析，有机可焊性保护剂处理、化学沉镍浸金、化学镀银、化学浸锡、电镀镍金、以及化学沉钯，基本上都属于印制板的湿法制程工艺；至于热风整平制程，刨去前后处理两方面，热风整平处理可算作印制板的干法制程工艺。

随着电子产业技术水平的不断提升，印制板制作制程不断的推陈出新，各类新型制作设备层出不穷，Semblant Plasma Finish （SPF）就是一个生动的例子。

Semblant Plasma Finish，是一种利用等离子体沉积技术的印制板表面可焊性处理技术，属于纯干法制程。

该制程设备如下图7所示。

Semblant等离子体处理制程，是一种独特的，选用等离子体沉积腔，室温条件下，在待处理印制板表面，进行超薄含氟聚合物沉积涂覆的制程。

SPF含氟聚合物，具有显著稳定的化学特性，因此，极大的延长了处理后印制板的货架寿命，能有效抵抗潮气，防止腐蚀气体对保护层下铜表面的侵蚀。

相对湿度条件、25℃下，气相SO2对SPF表面处理涂层（下图左侧示意）和化学沉镍浸金涂层（下图右侧示意）影响的对比如下图8所示。

3.2 Semblant等离子体处理与焊接

Semblant等离子体处理制程，不仅易于获得完美的焊接铜面的可焊性处理，而且，具有极佳的焊接可靠性。具体表现在以下几方面：

（1）Semblant等离子体处理制程，提供了表面的一致性和可靠的无铅可焊性，参见下图9所示。在实施回流焊接时，涂层之含氟聚合物，在酸性焊剂和高温的联合作用下，被化解离去，实现铜锡界面的直接焊接。

（2）SPF涂层下的铜表面具有极佳的焊接浸润性，焊接面上围绕着的含氟聚合物防止了焊接撒布到印制区域以外，从而降低了焊接时桥连的产生，适用于超精细节距装联。参见下图10、以及下图11所示（图右为采用SPF处理技术焊接效果示意，图左为未采用SPF处理制程之焊接效果对比）。

（3）SPF涂覆沉积层均匀一致，可涂覆于印制板的所有表面，并能确保金属化过孔获得优良的覆盖，实现金属化孔的可靠焊接，参见图12。

四、结束语

如前，对印制板表面可焊性处理多种制程进行了简略介绍，并就可焊性涂层及焊接两个方面进行了阐述。

过去，在SMT中使用最为普遍的QFP，由于受到加工精度、生产性、生产成本和组装工艺的制约、QFP封装间距的极限尺寸停留在0.30mm，这种间距在组装中其引线容易弯曲、变形或折断，对组装的工艺要求相当严格，使大范围的普及应用受到制约。

新型球栅阵列封装器件（BGA）和细间距球栅阵列封装器件Fine Pitch BGA（CSP）的开发应用，以I/O引线间距大于QFP的优势，在表面贴装器件中已占据了一定的地位，应用面逐步扩大，进而促进了高密度、高性能、多功能组装技术的发展。

另外，BGA？CSP已在数字式摄录机、便携式VCR、笔记本电脑、卡片式PC机、移动通信、车载通讯设备等产品中大量应用，为多芯片组件（MCM）进入批量生产，奠定了坚实的基础。

随着电子产品向便携化、小型化、网路化和高性能方向的发展，对电路组装之焊接技术和I/O引线数提出了更高的要求。与此同时，毋庸讳言，也为印制板的表面可焊性处理提供了更为广阔的舞台。