沉银工艺生产经验及特性

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1、沉银工艺的生产经验及特性[作者：姚永恒]摘要　　延续本文作者之前对最新化学沉银工艺特性的简介，本文着重于介绍该工艺配合水平线作业的生产经验以及该化学沉银工艺的稳定性。同时文章也讨论了目前在一般化学沉银工艺中共有的几个可靠性问题，如“贾凡尼效应”，焊接点强度以及BGA焊盘粘合的完整性。研究表明阻焊油墨的侧蚀不是发生“贾凡尼效应”的必要条件，沉银厚度才是最直接的原因。在锡铅和SAC305合金焊接面的剪切强度与沉银厚度（0.05–0.5μm）和无铅回流焊处理无关。在BGA焊接点中没有发现降低焊接强度和可靠性的“平面”微空洞。　　简介　　为了满足电子工业对于禁用铅的迫切要求，印刷电路板（PWB）工业

2、正逐步将最终表面处理从锡铅热风整平转移到其他表面处理，如沉银、沉锡、化学沉镍金以及有机保护膜（OSP[1]。其中，沉银工艺由于它的优异性能及合理的成本，被认为是最佳的选择。新型沉银工艺的一般特性已在[2,3]叙述。本文着重探讨水平线的生产经验，该工艺的稳定性以及现有沉银工艺共有的几个可靠性问题，如细线路的“贾凡尼效应”、焊接点強度及BGA焊盘粘合的完整性。　　实验　　沉银工艺的稳定性是通过监控在水平生产线的产品来评估（工艺步骤如表1所示）。作为前处理步骤的除油段和微蚀段对于控制沉银层的外观很重要，总微蚀深度大约为1–2μm，该微蚀深度与铜面实际状况有关。　　铜线路上“贾凡尼效应”的发生趋势是

3、通过在水平生产线上处理沉银测试板来评估。首先，测试板以1米/分的正常线速进行沉银处理，(停留时间为2.5分钟)，沉银厚度为0.25μm（在尺寸为1.9x1.9mm的焊盘上测量）。其次，测试板在预浸段前使用和第一次相同的生产条件，但在沉银段的线速度减为0.5米/分，(停留时间为5分钟)，沉银厚度为0.48μm。在阻焊油墨剥除之前和之后用电子显微镜检查铜线路被咬蚀的状况來決定“贾凡尼效应”。　　焊接点的结合力用剪切测试来测量。在有BGA焊盘（直径为0.5mm）的测试板上分别鍍0.05、0.2和0.5μm厚的银，然后将测试板在最高温度262°C下进行3次无铅回流焊处理，再分别将Sn63Pb37和S

4、AC305錫球（直径为0.76mm）用与之相匹配的焊膏焊接在BGA焊盘上。最后用DagePC-400推力测试仪（如图1所示）以200μm/sec的速度完成剪切测试。　　BGA焊盘粘合的完整性是使用Nicolet图象系统在55KV、30μA下的X光测量。该系统利用X光穿透力强、无破坏并且可以在显示屏上形成图象的特性，可以观察物体的内部结构。从图象可观察到物体是否有隐藏的缺陷或内部不规则，如比较组件和印刷电路板之间焊接结合处零缺陷和其他缺陷的百分比；也可以和样品的横截面作对比。结果及讨论　　生产经验　　以一个完整槽液寿命周期的生产经验为例，在9周的时间里，700L的沉银槽共处理板面积12,200

5、m2，单位耗量为17.5m2/L。其中包括7000m2的“厚银板”（0.225–0.3μm）和5,200m2的“薄银板”（0.15–0.2μm）。在尺寸为2mmx2mm的焊盘上的平均银层厚度为0.203μm。在槽液寿命的前期及后期，分别测试沉银层的厚度、外观、结合力、贾凡尼效应、IR回流处理（260°C/2次）后的抗蚀性、湿老化（85°C/85%RH，12小时）后和干烘（155°C，4小时）后的抗蚀性以及可焊性，结果都满足客户的要求。另外在整个槽液寿命周期里的日常品质测试结果，包括干烘后的可焊性和抗蚀性以及离子污染度等，也均表明品质稳定可靠。　　沉银工艺是基于溶液中的银离子和印刷电路板上金属

6、铜之间的置换反应。由于沉银速率是取决于银离子的还原速度[2]，因而沉银速率随银离子浓度、溶液搅拌以及温度的增加而增加。对不同银厚度的要求可以很容易通过改变线速度（沉银槽中的停留时间）和槽液温度获得。此置换反应的结果是需要不断的补充银离子，同时铜离子含量在银溶液中逐渐增加。所以铜离子含量也是影响溶液寿命的一个因素。　　如图2所示，银的添加量随产量直线增加。平均来说，1m2的印刷电路板消耗0.53g的银。也就是0.53g/m2。根据已知的平均沉银厚度0.203μm，可计算出印刷电路板表面有效沉银面积为13%。基于置换反应原理，铜离子的“理论”积聚率为0.156g/m2，如圖中虚线所示。然而，实际

7、的铜离子积聚率逐渐偏离“理论积聚率”并在1.6g/L達到稳定状态。这是因为铜离子不断的被印制电路板从沉银槽带出。随着铜离子浓度的不断增加，铜离子的带出量和置换反应产生的量最终会达到平衡。这最终平衡状态的铜离子浓度随着生产线的设备而异。一般而言，2g/L的铜负载力足以应付正常的生产。　　沉银工艺的一个独特的现象是银厚随焊盘尺寸的增加而减少。由于沉银性能直接受厚度的影响，对厚度的要求因每个沉银工艺而异。IPC-4