概述
沉浸镍/金是过去十年主要的印刷线路板表面处理方法。在过去的5年里，手机已经相当流行，并且以非常大的数量普及全球各个不同的气候带。与此同时，手机终端已经成为许多人的必需品，在他们参与的任何活动中都要随身携带。用户行为的这些变化已经严重改变了来自潮湿，汗液，腐蚀性气体和机械跌落的影响。对焊料连接可靠性的要求的结果是，抗腐蚀性和耐磨性变得越来越重要，以便保证终端设备的高可靠性。
由于稀薄且多孔的沉浸镍/金无法以一种令人满意的方式应对这些挑战，现在，一个避免使用沉浸(Imm.)镍/金的范式转换正在进行中。
几年前，诺基亚已经使用OSP替代了终端设备焊盘上的沉浸镍/金，并对焊料连接可靠性产生了积极影响。现在，电化学理论研究和大规模高产量生产已经证明，对于键盘和弹簧接触盘，碳表面处理加以恰当的概念设计将使沉浸镍/金在不久的将来成为多余之选。
本论文将讨论在为刚性印刷线路板选择表面处理时各种各样需要考虑的事项，和来自诺基亚手机的广泛的可行性研究，并辅以来自IPU/IPL/DTU 的电化学理论研究。
关键字
表面处理，HASL，镍/金，ENIG，OSP，碳，可靠性，黑盘，金属间化合物，金脆变，腐蚀，环境试验，用户特征，便携式消费电子产品。
1. 引言
化镍浸金是过去10年占统治地位的印刷线路板表面处理方法，而且化镍浸金工艺是目前世界上大部分印刷线路板制造商的标准。由于历史的原因，化镍浸金被当作一个防氧化层引入到了PWB制造业，用于提供良好的可焊性润湿能力和长时间PWB储存能力。从这方面来讲，ENIG不辱使命；但是从可靠性的观点来看，应该尽可能限制它在移动电子设备上的使用。
最近已经证明下面一些特征和现象与在PWB中选择使用ENIG直接相关，如：金脆变导致的冷焊料连接，焊料连接界面裂化，腐蚀和接触盘磨穿。
因此，为了确保便携式消费电子产品的可靠性，必须评估可供热焊接和机电接触选择的表面处理方法。
2、各种可供选择的表面处理方法
选择表面处理的最重要动力有：
● 可靠性；
● 可利用性；
● 成本；
● 基本的技术要求。
在为一种特定的刚性PWB选择一种表面处理之前，特别要考虑在给定应用场合里表面处理的各种属性。只是用于热焊接，还是同时也要用于诸如键盘开关或弹簧连接器之类的机电接触？
迄今为止，还不存在一种通用的表面处理方法，它即能提供很高的焊料连接可靠性，又能提供很高的机电接触盘可靠性。弹簧承载的连接器普遍用于手机，机电接触盘就是为之设计的。
根据基本要求的差异，可以把PWB表面处理分成2个主要的群组：
2.1. 用于热焊接的表面处理:
一个用于热焊接的表面处理不得不满足以下几个要求：
● 较高的可湿润性；
● 焊料连接力；
● 适于细间距和CSP组装的表面平坦度。
业界有许多处理方法可供选择，其中有：
● HASL (热风整平)
● 浸锡；
● 镍/金(ENIG)；
● 浸银；
● OSP(有机表面保护剂)
并不是所有表面处理的性能都是一样的。
2.2. 用于机电连接盘的表面处理:
一个用于机电连接盘的表面处理不得不满足以下几个要求：
● 机械耐久力(磨损抵抗力)
● 抗腐蚀性
● 接触电阻
其中有几种处理方法：
● 镍/金(电镀)；
● 镍/金(ENIG)；
● 浸银；
● 碳；
● 焊膏(锡/锡接触)。
2.3. 处理方法总结
当对过去20年广泛用于便携式电子设备的各种表面处理进行调查时，发现ENIG变得如此流行，而其他处理方法被冷落多年的原因并不合乎逻辑：
● 当然，其中的一个解释是，直到最近我们依然不知道其失效机理是什么。随着经验的增加，它们已经逐渐浮出水面。
● 另外一个解释是，不愿意更改电子行业的那些传统的东西，即使在分析实验室和可靠性专家已经提出这些问题之后。
● 最后一个解释是，在PWB制造方面，表面处理物理可用性的缺乏总会耽搁向其他处理方法的转变。已经把资金投到ENIG工艺了，为其他处理方法添置新的设备需要更多的投资。这个事实也造成了一定的耽搁。
下面的段落将纵览已经对表面处理技术的变化产生影响的事件。
3、手机PWB表面处理的历史演变：
3.1. HASL + 碳
在第一代产品中，从80年代后期起，PWB盘面的正常表面处理是热风整平(HASL)。在很多场合，HASL与碳被组合起来作为键盘和LCD焊盘的表面处理方法。
那时候表面贴装器件技术还处于早期阶段，殴翅型器件拥有间距相对较疏(1.27mm)的引脚。90年代初期，对更多I/O的需求要求使用新的封装技术，QFP应运而生。间距降到了0.6mm的时候，由于HASL厚度不均，大量焊料桥连发生了。新的需求要求替代低产量的HASL。
3.2. 化镍浸金(ENIG)
摆脱困境的唯一办法是找到另外一种平且共面的可焊的表面处理方法。裸铜容易氧化，影响可焊性(湿润)，不符合要求。
OSP在当时不是讨论的对象，即使存在那种技术！
ENIG 被推举为HASL的继承者。当时的感觉是，找到了一种既适于热焊接，又适于键盘的通用型表面处理方法。
碳因此不再被认为是必要的，它在即使不存在技术和可靠性问题的情况下销声匿迹了。
在一段时期里，总体来讲，ENIG 工艺表现非常优秀。但另一方面，由于需要在更小的空间里面容纳更多的功能，QFP被球形栅阵列(BGA)和芯片级封装替代了。BGA封装(图3)同时也带来了一些新的挑战。伴随着电子行业内前所未有的大批量生产，出现了更小的焊盘。PWB制造业以极其高的产量运转，意味着此工艺的任何弱点都变得更加清晰可见和严重。
3.2.1. 黑盘
在所有供应商那里都会随机发生一个名叫黑盘的问题，即使他们使用不同牌子的镍/金工艺。随便在哪一个盘上缺少金，其影响是润湿不良或者不润湿，导致的结果是失去内部互联。黑盘缺陷主要在手机组装线被发现和拒收；但是最坏的情况是如果某台产品通过了100%的电气试验，后来却在市场上失去了功能。如果弯曲PWB，可能就像不良焊料连接失去连接一样产生随机错误。
已经有很多理论解释黑盘出现的原因，但到底是什么触发了黑盘的出现，至今尚未达成共识。然而，这几年电镀槽制造商在这个领域已经取得了一些进展，不过ENIG工艺依然不能杜绝这种实效，它有时可能和PWB设计有关。
3.2.2. 焊球界面破裂
据透露，界面降级，是一个新型的与黑盘问题相关的失效。失效的BGA或CSP的微切片显示，在Cu焊盘和焊球之间的界面内部存在裂缝，即使是已经完美湿润了（图5）。
原因可能是什么？在经过大量调查之后，发现是3个问题联合作用的结果：
● 一个被忽略的问题，在镍和锡之间的易碎的金属间化合物(IMC)。
● 一个事实，用户开始比以前更加频繁的把产品跌落到地面。
● 与以前的封装类型相比，在刚性的BGA封装类型内部缺乏焊料连接应力消除的途径
IMC问题：
镍-锡IMC形成于焊接过程中。当产品暴露于机械振动中时，会导致焊料连接内部的IMC破裂，尤其是BGA类型的器件(图6)。这种现象被称作“金脆变”，而且，自从引入ENIG以来，就已经明显存在这种现象。
封装应力：
QFP确实拥有能够充分消除焊料连接应力的鸥翅形引脚，从而能够经受住一定水平的机械应力。当PWB在手机跌落的过程中形变时，拥有球形焊球(图7)的BGA封装不能提供很多重要的应力消除途径；因此，轻易的就突破了产生破裂的最低极限。
通过对数千台实际产品和特殊设计的板子进行受约束的跌落试验------试验中使用了加速计、变形测量计和事件探测器，并使用高速照相机组进行视频录制------今天我们已经对应力和失效机理有了更好的理解。试验数据表明，相对于1-2米跌落中的地球引力，PWB在跌落试验中的弯曲度是一个更大的问题。由于已经创造了一些计算机模型，所以可以在设计阶段做一些跌落仿真。
用户特征的变化：
80年代晚期，当人们能够在市场上买到手机的时候，当时的手机非常昂贵，因此用户都小心翼翼的呵护着他们手中的手机。到了90年代晚期，手机市场额度暴增，导致硬件成本降低。同时，服务提供商有时也以承担一小部分成本的形式向最终用户赠送手机，使其成为大众熟悉的一个媒体，提供商还能从通话中创造交易。对大部分人来讲，这已经是一件好事了，但是也带了负面的影响------用户忘记了一台移动手机事实上是一个需要慎重对待的非常精密和复杂的电子设备。由于其低成本，手机突然之间被人随意处理，导致手机暴露于远高于过去所承受的应力等级。手机从1到1.5米跌落下来，不再是不可能的事情，因此，需要尽快采取行动应对可靠性问题。
对BGA进行底部填充以后，延迟了焊点断裂的问题，但不能从根本原因上解决问题。消除此问题的唯一出路是避免在镍/金上进行热焊接。
3.3. 选择性ENIG + OSP
为了终结IMC问题，在2000年引入了选择性ENIG+OSP，这意味着金仅用于键盘和其他机电接场合。图9所示的选择性工艺，向已经要求苛刻的ENIG工艺提出了额外的复杂度、挑战和成本。
经过大量试验，在2.1节中提到的其他候选处理方法中，OSP过去被用来满足可焊性、成本和焊料连接强度方面的要求。起初，PWB制造商们的选择性ENIG + OSP工艺供应能力并不充分，但是，世界上最大的PWB客户们在短的惊人的时间内便把PWB制造商们振作了起来；在启动此要求的一年后，所有相关的PWB的供应商便能够以足够高的产量和质量控制这个工艺了。从在ENIG上进行热焊接到在OSP上焊接的转变已经有效的降低了BGA器件焊料连接断裂的不良品数量。
3.4. ENIG属性改进
由于ENIG到现在仅用于机电接触，所以检查这种表面是不是最好的以确保足够的接触可靠性是重要的。
如今的情形看起来是这样的：
1.选择性镍/金工艺是复杂和昂贵的。
2.镍/金的质量没有大部分人期望的那样好。
○ 非常薄(40-60纳米)的金表面处理带来了磨损问题------可能导致镍腐蚀。
○ 通常，即使在没有机械磨损表面的影响下，金表面的多孔性也会带来镍腐蚀问题。
尤其是最近已经证明，当在高湿、盐雾、空气污染或者汗液的环境中操作产品时，传统的ENIG缺乏充分的耐蚀稳定性。
作为这种情况的结果，最近镍工艺的配方已经被调整了(主要是磷的含量)，这样一来，镍表面变得稍微好了些，表面浸金变得不再那么疏松多孔了。
最终的结果是，如果稀薄的金表面未被刮伤或者磨伤的话，改良后的高磷ENIG的耐磨稳定性已经提高到了更高的水平。虽然耐磨性提供了，浸金工艺仍然不能提供像电镀金那样完全的无孔表面。
事实已经变得越来越清晰，稀薄的ENIG不能够满足移动终端对磨损和腐蚀抵抗力的更高要求。因此，考虑使用其它更可靠的东西替代ENIG是一件很重要的事情。 |
