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常用无铅镀层技术的特性(二)

【来源:PCB制造科技】【编辑:admin】【时间: 2008-6-2 10:35:15】【点击:

     Ni/Au技术:Ni/Au技术的好处是表面平整度高;可以承受多次的焊接(Ni可以承受多次加热而不会有底层的Cu溶蚀现象);库存寿命长;容易和多数焊剂兼容;Ni层能够阻止Cu溶蚀入焊点的Sn中而形成对焊点不利的合金,对焊点寿命有利(但Au对焊点不利而必须给于量上的控制)。Ni/Au的弱点是成本高,以及不适用于所有绿油。而且Au镀层厚度以及后续焊接工艺的控制不好时会造成焊点可靠性的损失问题。

  常用的Ni/Au电镀技术有无电极电镀ElectrolessNi/Au(简称ENEG)和ElectrolessNi/ImAu(简称ENIG)两种。其中ENIG使用较多,Electroless技术其次,市场上虽然也有有电极的ElectroplatedNi/Au但供应较少。焊点可靠性方面,Ni/Au由于Au和IMC特性的关系,一般不如其他镀层材料技术。Au镀层厚度是个质量控制的要点,而这又必须在库存寿命和可靠性的矛盾需求之间找到平衡点。此外,无电极电镀技术的焊点可靠性也差于有极电镀。这是因为工艺中固有的‘磷’含量的影响。在无电极电镀中,当焊点形成后,在Ni和以Sn为主的焊料之间存在3层IMC,分别为含大量磷的NiP层,NiPSn层以及Ni2Sn4层。而其中NiP层和NiPSn层之间的结合力很脆弱,是焊点的强度受到影响。所以无电极电镀技术的焊点一般不如有电极电镀技术。不过在实际经验中业界也发现,在无铅焊接中如果使用SAC焊料,其中的Cu成分在Ni和Sn之间形成CuNiSn的IMC层。这有助于加强焊点的寿命,是其接近有电极电镀技术的能力。而在比较OSP、HASL、ImAg、和Ni/Au可靠性的试验中也发现,除了Ni/Au外,其他的可靠性在无铅SAC焊接中的可靠性都较锡铅中逊色。唯有Ni/Au由于CuNiSn层的出现而变得更可靠。

   业界使用最广的Ni/Au技术是ENIG技术。也就是先对焊盘进行无电极电镀镍层后,再进行浸镀金的做法。ENIG有工艺较简单的优势。但金的镀层厚度不能随意控制,而且业界都已经知道其质量不如Electroplated和ENEG技术。常出现的问题有“镀层针孔”、黑斑、“黑Pad”、绿油脆化、漏镀、高磷IMC层、AuSn4沉淀等。其中有些问题的机理还没有完全被了解。不过ENIG有个重要的强点,就是使用在高密度和多I/O板上。因为这类板需要很多的通接孔和层次多,细而长的通接孔形状不利于有电极电镀工艺,采用ENIG工艺可以确保较好的寿命。

   OSP有机保护膜技术:OSP技术早期在日本十分受欢迎,在市场调查中,有约4成的单面板使用这种技术,而双面板也有近3成使用它。在美国,OSP技术也在1997年起激增,从1997以前的约10%用量增加到1999年的35%。OSP并非新技术,它实际上已经有超过35年,比SMT历史还长。OSP具备许多好处,例如平整面好,和焊盘的铜之间没有IMC形成,允许焊接时焊料和铜直接焊接(润湿性好),低温的加工工艺,成本低(可低于HASL),加工时的能源使用少等等。

   OSP有三大类的材料:松香类(Rosin),活性树脂类(ActiveResin)和唑类(Azole)。目前使用最广的是唑类OSP。唑类OSP已经经过了约5代的改善,这五代分别名为BTA,IA,BIA,SBA和最新的APA。早期的BTA类对湿度敏感,库存寿命很短(3个月),不能承受多次加热,而且需要较强的焊剂,所以性能不是很好。一直到70年代有日本开发的第三代BIA类OSP后才有较显著的改善。美国市场也在80年代开始采用这类OSP,同时被正在发展的SMT所接受。不过BIA的耐热性仍然是个弱点。目前仍然有供应商提供BIA类的OSP,但逐渐在为新一代的SBA所取代。

   SBA是1997年的研发成果,有美国IBM推出而后得到在OSP技术上享有盛名的日本“四国化学”公司的改善。在保护性和耐热性有显著的加强。其耐热性已经可以承受3次的回流处理(但多次加热后需要较强的焊剂)。SBA是目前OSP供应的主流。成本低于传统的HASL,所以在锡铅时代已经被大量的使用,尤其是单面板上。在双面回流板以及混装板工艺应用上却仍然有些顾虑。

   随着无铅技术的推进,OSP技术,即使是较好的SBA技术,将不能很理想的支持无铅的高温环境和可能出现的多次焊接。在不断研究中,业界有出现了更新更好的技术。这就是最新一代的ArylPhonylimidazole(APA)了。这类OSP的分解温度为355℃,能够承受多次加热。而且能够和一般的免清洗焊接兼容,无需较强的助焊剂。它还有一个好处,就是不沾金。这允许使用在需要‘金手指’应用的板上,加工时不需要覆盖(Masking)工艺。这类OSP的出现给业界带来了好消息。

   OSP当然也有它不足之处,例如实际配方种类多,性能不一。也就是说供应商的认证和选择工作要做得够做得好。OSP处理的表面容易受损,库存和取放等必须给于小心管理;锡膏印刷工艺要掌握得好,因为印刷不良的板不能使用IPA等进行清洗,会损害OSP层。透明和非金属的OSP层厚度也不容易测量,透明性对涂层的覆盖面程度也不容易看出,所以供应商这些方面的质量稳定性较难评估;OSP技术在焊盘的Cu和焊料的Sn之间没有其他材料的IMC隔离,在无铅技术中,含Sn量高的焊点中的SnCu增长很快,影响焊点的可靠性。


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