第十四章 无铅表面处理

1、简介：为了使焊接环境达到真正的无铅化，不仅是用作焊接的焊料本身要无铅，在印刷电路板上焊盘的表面处理和元件的引线等都要做到无铅化，印刷电路板无铅表面磨光处理方案如下：OSP、Ni-Au、Ag、Bi、Pd、Ni-Pd、Ni-Pd(X)、Sn、Ni-Sn、Sn-Ag、Sn-Bi、Sn-Cu、Sn-Ni等，下面分别介绍之；

2、有机焊料性能保护剂OSP：指的是加在PCB焊盘上的有机覆盖物，为提高焊接性能而特地保留下来的，也称作防锈剂，它包含树脂、松香和一氮二烯五元化学成分：
a.苯并三唑BTA：苯并三唑化学物质与亚铜氧化反应，形成聚合铜盐，这些聚合铜盐分子彼此排列整齐，在铜表面形成保护薄膜，具有三维结构；
b.咪唑：与BTA类似，烷基咪唑与氧化铜反应，在铜表面形成聚合物烷基咪唑铜膜；
c.苯并甲胺：博湖机理类似咪唑，后来替换的苯并咪唑BAs的出现使得焊接缺陷率等到了提高；替代型Bas的使用包括了以下优点：
■简单的搬运流程；
■能够承受严格的多次回流；
■BA OSP厚度：0.2~0.5um；
■提供了优秀的共面性；
■微波应用中表现最好；
■货架寿命2个月；
■表面处理费用是HASL的0.2~0.3倍；
■在产品工作期间，OSP涂覆的Cu焊盘的抗腐蚀性是一个要考虑的问题；
d.预焊剂：预焊剂（松香/树脂基涂覆）广泛地应用在焊料可连接性保持方面；

3、镍—金（Ni/Au）：把金涂覆在Ni上替代HASL已经很多年了，涂覆的Ni具有很多优势，如表面较平、高稳定性、好的货架寿命和焊接能力较强，并在安装时少了桥接：
a.电解Ni/Au：电解Ni/Au包含了一个电解Ni的内层加上一个电解Au的外层，通常表示为EG，在引线键合应用中，它是经常用到的表面处理；
b．非电镀镍/浸金：非电镀Ni，厚度为2.5~5um，浸金厚度0.15~0.25um，是另一种Ni/Au表面处理的主要形式，可以标记为ENIG；
c.非电镀镍/非电镀（自动催化）金；

4.浸银：是另一种通过流反应形成的无铅表面处理，之所以选择Ag是基于以下几点考虑：
■Ag的电动势为+0.8V，高于铜的+0.344V，可以选择浸泡沉积工艺；
■Ag具有高电导率，与接触焊盘应用相兼容，适合于内电路探针测试和信号传输的要求；
■Ag是贵金属，稳定性较好；
■Ag能够很快溶解进焊料中，因此具有很好的可焊接性；

5、浸铋：浸铋工艺是在1996年作为一种非贵金属表面处理而提出的，当时是为了解决在HASL中所遇到的共面问题而开展起来的；主要工艺分为三个步骤：
■用酸清洁，除去表面油污和焊料残余掩膜；
■微腐蚀，准备好要进行浸铋沉积的铜衬底轮廓；
■电镀Bi（浸铋的洗浴温度为50℃，典型的接触时间是1~2min）；

6.钯（Pd）：在PCB中，Pd是适合于焊接和引线键合的表面处理材料，具有吸引力，价格较高，与金类似，Pd是贵金属，因此在许多化学反应中都能保持稳定，如氧化等。常见的有浸金或非浸金电解钯，浸金或非浸金非电镀（自动催化）钯；

7、非电镀镍/钯（闪金）：没有浸金层或没有浸金层的非电镀Ni/Pd相对于ENIG（Ni/Au）是一个较便宜的替代品；

8、镍-钯（其他）（Ni/Pd(X)）：主要分为电解镍/钯钴/闪金（Ni/PdCo/Au flash）和无电镍/钯镍/闪金（Ni/PdNi/Au flash）；

9、锡：主要分为电解锡和浸锡两大类，使用Sn的优点有很多，例如：无铅、具有良好的焊接能力、具有良好的抗腐蚀能力、具有合理的电导率、具有良好的机械强度、无毒、含量丰富价格低廉、与含Sn合金兼容、可靠性数据充分、具有抗蚀功能、在需要的场合时可熔的、提供了一个平坦的表面轮廓，它可能存在的问题是锡须、锡有害物和长条；

10、电解镍—锡：带有电解镍埋层的电解锡结构可以作为一些贵金属终端的低成本替代品，锡的焊接能力极好，也许仅次于Sn-Pb；

11、锡-铋（Sn-Bi）：Sn-Bi合金作为表面处理终端时极具吸引力，包括了浸锡-铋合金和电解锡-铋合金；

12、锡-铜（热气焊料）：99Sn-1Cu作为一种PCB板表面处理，由于其理想的焊料合金性能而具有吸引力；

13、电解锡-镍：电镀Sn-Ni合金作为一种表面处理应经应用在PCB板中，当Sn-Ni比例为65%Sn和35%Ni时，合金形成了亚稳态，针对较高工艺温度环境，镀层的厚度为5um，为了更环保，可以采用更低的工艺温度，则一般厚度就足够了；

14、固体焊料沉淀SSD ：是一种在PCB板上沉积固体焊料的方法；
a.热气焊料HASL，基本制造工艺如下：酸清洁-浸水-腐蚀-浸水-焊剂应用-预热-熔化焊料涂层-去掉过剩焊料-浸水-吹干；
b.Optipad：是一个将一个平整化的焊料淀积在焊盘上的工艺，它既可以作为焊盘的表面处理，也可以作为形成连接的焊料来源；其中会使用到一个临时的干膜Optimask；
c.Sipad：与Optipad类似，Sipad也在焊盘上沉积形成了平整化的焊料，此时沉积的焊料既可以作为表面处理，也可以作为形成连接的焊料来源；
d.PPT：精确焊盘技术通过常规焊料掩膜和焊料黏胶的使用，形成平整化的焊料沉积；
e.焊料覆层：通过回流焊料黏胶来沉积固态焊料；
f.焊接喷射：焊接喷射工艺是控制在电路板上相应面积沉积尺寸的液态焊料小滴的过程；
g.高级焊料：是一种化学沉积过程，施加在黏胶形成中，材料主要包括(RCCO)2Pb（是一种有机酸铅盐）和锡粉，这两种成分发生反应而形成；

15、印刷电路板表面处理小结：对于PCB板表面处理，有许多无铅涂层可供选择，然而对于不同电子产品的复杂的功能要求，似乎不可能由某一种单一的表面处理方式能够满足所有电子产品的需求，常用的应用场合包括以下一些方面：焊接能力、老化阻抗、抗Pb污染的容量、厚板穿孔、引线键合、内电路探针测试、对清洗的容限、IMC的形成、连接器应用、终端一致性/可检查能力、锡须/锡有害物质、成本；

16、元件表面处理选择方案：对于元件表面处理的要求类似于对PCB板的表面处理，然而，对元件，由于引线清理焊缝的形成和需要，有一些特征比PCB板的更重要，如延展性。Shipley使用一下准则作为他们电镀工艺的标准：
■必须与已经存在的高速电镀设备兼容；
■最小沉积率必须至少达到7.5um/min；
■必须具有熟悉的化学成分，尤其在MSA电解中；
■必须将工艺过程中所有的产品进行全面的分析；
■所沉积的产品必须具有良好的焊接能力，要好于或相当于Sn-Pb；
■所沉积的产品必须具有良好的延展性，要好于或相当于Sn-Pb；

17、用于元件无铅表面处理的方案如下：镍-金ENIG、电解钯、非电镀镍-钯、电解钯-镍、锡、电解锡-银、电解锡-铋、锡-铜等等，每种方案可参考前述对应材料；

18、元件表面处理小结：Schetty比较了几种不同元件表面处理，其结果表明Ni/Pd成本太高，而且在焊接和机械特性上呈现边缘化。Sn仍然要考虑锡须和锡有害物问题，Sn-Bi对Pb的含量非常敏感。由于Sn和Ag电化学势的差别，Sn-Ag在电镀高含量Sn时就非常困难。总体上讲，最具有应用潜力的元件表面处理方式是Sn-Cu，它没有其他所对应的明显缺点。