PCB浸鍍銀工藝之常見(jiàn)缺陷和改善方法
得以排除。
一、前言
由于浸鍍銀用于PCB可焊性皮膜的成功實(shí)績(jī)?cè)絹?lái)越多，因而從多家PCB廠與下游組裝的量產(chǎn)中，較易取得極多的寶貴資料。本文中各項(xiàng)量產(chǎn)資料的收集是 始自2005年7月，現(xiàn)場(chǎng)是來(lái)自數(shù)家亞洲區(qū)采用浸鍍銀的量廠大廠。其產(chǎn)品多屬HDI式密集線路的先進(jìn)PCB類(lèi)，其所能容易的不良率已壓低到數(shù)量的PPm而已。本文研究的主要目標(biāo)是在于浸鍍銀被退貨與失效等實(shí)務(wù)案例，也就是集中檢討PCB與下游組裝兩大量產(chǎn)領(lǐng)域中所發(fā)生的各種不良失效現(xiàn)象。
二、案例調(diào)查
所訪查的對(duì)象是來(lái)自64家PCB廠及29家組裝客戶共93個(gè)參與的業(yè)者，從其失效或被拒收板類(lèi)中，可歸納出有關(guān)浸銀皮膜的六個(gè)主要缺失，下表1中即按其重要性而對(duì)其失效內(nèi)容加以分類(lèi)。
表1 浸鍍銀量產(chǎn)中容易出現(xiàn)失效模式之統(tǒng)計(jì)
若從各種缺點(diǎn)所造成成本損失的觀點(diǎn)來(lái)看，無(wú)疑的是焊點(diǎn)中微空洞缺點(diǎn)所占的比例最高。由于密裝板上零件太多太密已無(wú)從進(jìn)行返修，多半拒收的高額損失是發(fā)生在組裝工廠中。其中客戶端尚未組裝前，進(jìn)料檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微洞問(wèn)題而遭剔退者只有8件。至于焊錫性問(wèn)題方面則PCB廠全無(wú)不良紀(jì)錄，組裝廠也只有3件疑似者，而且仔細(xì)追究之下發(fā)現(xiàn)竟然是誤叛為浸銀之焊錫性不良。事實(shí)上此一特殊案例是出自一種厚多層板高縱橫比（HAR）的某些深孔中，波焊后發(fā)現(xiàn)上錫性不佳的半高孔壁虎，竟然直接與內(nèi)層大地銅層相連接，以致在波焊中涌錫升起的瞬間，該接地處大量失熱導(dǎo)致錫波的冷卻固化所致，根本不是浸銀皮膜的焊接問(wèn)題。此種失效經(jīng)過(guò)多次不同考試板的試驗(yàn)，甚至客戶更改互連設(shè)計(jì)的反復(fù)驗(yàn)證后，終于證明完全與浸銀皮膜無(wú)關(guān)。純就此一假性焊錫性問(wèn)題，當(dāng)然也就無(wú)需對(duì)浸鍍銀做任何改變了。
三、根本原因的分析
3.1賈凡尼咬銅（Galvanic Attack）
經(jīng)過(guò)多次根本原因的追究，上述各項(xiàng)失效案例的確已大幅減少。不過(guò)對(duì)于賈凡尼效應(yīng)的銅腐蝕問(wèn)題則始終未能根絕，其原因是板面綠漆邊緣與立體銅線間一向存在著較多的細(xì)縫（Crevice）,于是在浸鍍銀的濕制程中會(huì)使得銀液在毛細(xì)作用下不斷滲入細(xì)縫內(nèi)，再加上后清洗難竟全功之下，造成銀離子與銅金屬之間發(fā)生了賈凡尼電化學(xué)電池式的腐蝕反應(yīng)。事實(shí)上唯有當(dāng)銅金屬被腐蝕成為銅離子而釋出電子時(shí)，銀離子才能產(chǎn)生沉積反應(yīng)。這種無(wú)從避免的麻煩也與銀層厚度（浸鍍時(shí)間）有關(guān)，愈厚當(dāng)然就越不好。
上述板面綠漆與銅導(dǎo)線之間所存在細(xì)縫的問(wèn)題，其背后的真正原因則是感光綠漆施工中,其皮膜本身已發(fā)生側(cè)蝕甚至過(guò)度顯像的異常，以致未能完全緊貼在銅導(dǎo)線的兩側(cè)面或附著性不佳所致。此外深孔中央銀層太薄或綠漆下銅面上已出現(xiàn)較深的刮痕者，都將會(huì)出現(xiàn)賈凡尼式咬銅的麻煩。
3.2銀面變色（Tarnish）
銀面變色變臟與空氣中的氧與硫有關(guān)，一旦銀面與硫接觸時(shí)將會(huì)形成黃色的Ag2S硫化銀薄膜，若繼續(xù)接觸中將會(huì)逐漸變到棕黑色。此種硫污染的來(lái)源可能出自不潔空氣中的污染，或來(lái)自看似無(wú)害的包裝用紙類(lèi)。至于氧氣則除了空氣之外，底銅表面氧化已存在的Cu2O與CuO等薄膜，其中的氧將可能轉(zhuǎn)移到銀層中。且對(duì)快速沉積厚度很薄、結(jié)構(gòu)松散又具多孔性的浸銀層而言，又將讓底銅大有機(jī)會(huì)繼續(xù)與空氣接觸而再行氧化。為了防堵此漏洞起見(jiàn)，勢(shì)必要加厚銀鍍層以阻止其晶界（Grain Boundary）的漏氣。然而加厚銀層不但會(huì)使成本上升，而且細(xì)縫中的賈凡尼咬銅效應(yīng)也將更為之惡化。且在離子污染增多后其焊錫性亦將變差，甚至出現(xiàn)焊點(diǎn)微洞與變脆等問(wèn)題（見(jiàn)下頁(yè)圖3）。
3.3局部露銅
此種缺失與浸銀制程本身有關(guān)，經(jīng)常在完成浸銀工序后即可發(fā)現(xiàn)。其原因是銅面上在前處理流程中可能已附著了一層阻礙反應(yīng)的薄膜，致使銅與銀之間無(wú)法發(fā)生置換反應(yīng)。此膜一旦微蝕不掉時(shí)將會(huì)阻止銅的釋出電子行為，而無(wú)法讓銀層產(chǎn)生沉積反應(yīng)。此外浸銀槽液的機(jī)械攪拌也會(huì)產(chǎn)生一些不同的效果，加以生產(chǎn)板類(lèi)在幾何外形上的差異，使得不同區(qū)域受到藥水的沖刷效果也有所不同，以致讓浸渡銀層的厚度也出現(xiàn)不夠均勻的現(xiàn)象，太薄區(qū)域看起來(lái)就會(huì)出現(xiàn)鍍不上銀而露銅的現(xiàn)象。
3.4離子污染
經(jīng)過(guò)濕制程后板面上可能殘留的各種離子，都將會(huì)對(duì)PCB的電性功能造成不良影響。此等煩惱多半出自銀層表面附著藥水的不易清洗，甚至在綠漆表面也會(huì)殘留已老化的槽液。浸鍍銀的配方中經(jīng)常會(huì)加入一些有機(jī)物，因而也可能會(huì)隨伴發(fā)生一些有機(jī)皮膜等額外異物的附著，進(jìn)而造成后段清洗的困難。通常補(bǔ)充銀消耗的做法是采用專(zhuān)用的補(bǔ)給藥水，而此等藥水是將金屬銀配制成為“有機(jī)銀的絡(luò)合物”（Organic Silver Complexes），一旦銀金屬用掉后將剩下頗多量的有機(jī)物，當(dāng)然就會(huì)使得后段清洗越發(fā)困難了。
3.5微洞現(xiàn)象（Microvoids）
浸銀層在下游焊接中所發(fā)生的焊點(diǎn)微洞，直徑大多不足Imil，且多數(shù)聚集在焊點(diǎn)與承墊IMC以上的介面處，是一種全面分布性空泡式的眾多小空洞，對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)一種“破壞性的效應(yīng)”（Devastating Effect）
此種介面性微空洞不但在PCB浸鍍銀的焊接中出現(xiàn)，也會(huì)發(fā)生在OSP與ENIG等皮膜之焊接中，其根本原因到目前為此尚未徹底搞清楚。不過(guò)也找到某些確定的相關(guān)成因，例如厚度加厚者微空洞也較多（尤其當(dāng)厚度超過(guò)15μin者），然而某些配方也未必全然如此。此外底銅面的粗糙度也是原因之一，通常愈粗愈糟。且還發(fā)現(xiàn)與配方中的有機(jī)物含量與成份有關(guān)，某些有機(jī)物則容易伴隨銀金屬產(chǎn)生共鍍而存在于皮膜中。不過(guò)這種假設(shè)性的理論，曾經(jīng)通過(guò)某些品牌商（OEM）、代工組裝業(yè)者（EMS）、PCB業(yè)者，與藥水供應(yīng)商等，所共同組成聯(lián)盟的多次合作研究，竟然沒(méi)有一次模擬成功，當(dāng)然也就無(wú)法將微洞徹底予以排除了（見(jiàn)下頁(yè)圖4）。
四、各種預(yù)防方法
上述五項(xiàng)常見(jiàn)的浸鍍銀缺點(diǎn)經(jīng)由藥水商與設(shè)備商以及PCB等現(xiàn)場(chǎng)之解困研究，現(xiàn)已找出某些預(yù)防與改善的辦法，可提供PCB業(yè)者解決問(wèn)題與提升良率，現(xiàn)分述于下：
4.1賈凡尼咬銅
此問(wèn)題須上溯到電鍍銅制程，發(fā)現(xiàn)凡對(duì)象為高厚徑比的深孔鍍銅與盲孔鍍銅之案例，若能提供其銅厚分布更均勻者，將可減少此種賈凡尼咬銅現(xiàn)象。且PCB制程中金屬阻劑（例如純錫層）的剝除與蝕刻銅等，一旦出現(xiàn)過(guò)度蝕刻而存在側(cè)蝕現(xiàn)象者，亦可能會(huì)產(chǎn)生細(xì)縫而藏有電鍍液與微蝕液。
事實(shí)上賈凡尼問(wèn)題最大的來(lái)源就是綠漆工程，其中以綠漆現(xiàn)象所造成的側(cè)蝕與皮膜浮雕最容易造成細(xì)縫。凡能讓綠漆現(xiàn)象出現(xiàn)正性的殘足而非負(fù)性的側(cè)蝕，并在綠漆徹底后硬化之下，則此種賈凡尼的咬銅之缺失將可予以排除。至于電鍍銅的操作務(wù)必在強(qiáng)烈的攪拌中讓深孔中電鍍銅更為均勻，此時(shí)還需用利用超音波與強(qiáng)流器（Eductor）的幫忙攪拌，以改善槽液的質(zhì)傳與銅厚的分布。至于浸鍍銀的本身制程，則需嚴(yán)格管制其前段的微蝕咬銅率，平滑的銅面亦可減少綠漆后細(xì)縫的存在。最后是銀槽本身不可出現(xiàn)太強(qiáng)的咬銅反應(yīng)，PH值以中性為宜，且鍍著速率也不可太快，最好在厚度上要盡量的剪薄，而于最佳化之銀結(jié)晶之下才能做好抗變色的功能。
4.2變色的改善
其改善方法是增加鍍層密度與減少其疏孔度（Porosity），包裝產(chǎn)品務(wù)必采用無(wú)硫紙并加以密封，以隔絕掉空氣中的氧氣與硫份，進(jìn)而降低其變色的來(lái)源。且儲(chǔ)存區(qū)環(huán)境的氣溫不宜超過(guò)30℃，濕度須低于40%RH，最好采行先進(jìn)先用的政策，避免存放太久而產(chǎn)生問(wèn)題。
4.3銀面露銅的改善
浸鍍銀之前的各種流程均需小心管控，例如微蝕銅面后注意其“水破”的檢測(cè)（Water Break指拒水性）與特別亮銅點(diǎn)的觀察，此皆表示銅面可能存在某些異物。微蝕良好的干凈銅面，其直立狀態(tài)須保持40秒內(nèi)不可發(fā)生水破現(xiàn)象。連線設(shè)備亦應(yīng)定期保養(yǎng)，以維持其水性的均勻性，如此方能得到較均勻的鍍銀層。操作中還需不斷對(duì)浸鍍銅時(shí)間、液溫、攪拌，與孔徑大小等進(jìn)行DOE實(shí)驗(yàn)計(jì)劃之試驗(yàn)，以取得最佳品質(zhì)的鍍銀層、且對(duì)于具有深孔的厚板以及HDI微盲孔板的浸鍍銀制程，也可另采用超音波與強(qiáng)流器的外力協(xié)助，以改善銀層的分布。此等槽液的額外強(qiáng)力攪拌，確可改善深孔與盲孔中的藥水潤(rùn)濕與交換的能力，對(duì)于整個(gè)濕制程都有莫大的幫助。
4.4板面離子污染的改善
若能將浸鍍銀槽液的離子濃度，在不妨礙鍍層品質(zhì)而予以降低時(shí)，則板面所帶出而附著的離子自然得以減量。完成浸鍍后的清潔中，其干燥前務(wù)必還要經(jīng)過(guò)純水的漂洗1分鐘以上，以減少附著的離子。而且對(duì)于完工板也還要定時(shí)檢驗(yàn)其清潔度，務(wù)必讓板面的殘余離子量減到最低而能合業(yè)界的規(guī)范。所做過(guò)的試驗(yàn)均應(yīng)保存其記錄，以備不時(shí)之需。
4.5焊點(diǎn)微洞的改善
介面微洞仍是目前浸鍍銀最難改善的缺點(diǎn)，因?yàn)槠湔嬲某梢蛑两袢晕凑嫦啻蟀祝辽倌承┫嚓P(guān)的原因已可確定。于是在盡量減少其關(guān)連性因素的發(fā)生下，當(dāng)然也可減少下游焊接微洞的發(fā)生。
相關(guān)因素中又以銀層厚度最為關(guān)建，務(wù)須將銀層厚度盡可能的減低。其次是前處理的微蝕不可讓銅面太過(guò)粗糙，而銀厚度分布的均勻性也是重點(diǎn)之一。至于銀層中的有機(jī)物含量，則可能從多點(diǎn)取樣銀層純度分析中而反向得知，其中純銀含量不可低于90%之原子比。
五、AIPha STAR的管理
電子業(yè)自2006.7.1無(wú)鉛接正式上路以后，上下游各種制程不但要研究最佳化的“理想制程”（Ideal process），而且還要符合安全、環(huán)保與可靠度等多項(xiàng)要求。Enthone公司自從1994年在PCB業(yè)推出具有專(zhuān)利的浸鍍銀（沉銀）制程后，目前已進(jìn)展到第三代的浸鍍銀工藝，也就是商品名稱(chēng)的Alpha STAR。此商用流程共有7個(gè)制程站，后三站都是水洗�，F(xiàn)將其對(duì)用戶可呈現(xiàn)的特點(diǎn)與好處說(shuō)明于后。
前處理共有四站；即銅面的適況處理（Conditioner）、水洗、微蝕及水洗。適況處理可將銅面的表面張力予以降低，此制程對(duì)于板上任何銅面均可進(jìn)行良好的處理，包括深孔中的銅孔壁與盲孔底的銅面。至于微蝕槽的獨(dú)特配方則可在銅面上產(chǎn)生微粗糙的形貌，欲仍具有半光亮的外觀。此等微蝕后的細(xì)膩銅面結(jié)構(gòu)，可讓所沉積的銀層也隨之細(xì)晶化。于是在細(xì)晶組織中不但可得到高密度無(wú)疏孔性的鍍銀層，而且厚度還不需太厚，如此將在防變色方面亦可獲得很大的改善。
至于沉銀方面則又分為：預(yù)浸（Prechip）、浸鍍銀、以及后段的純水清洗。預(yù)浸槽的功能有三，即本身當(dāng)成前陣的犧牲打，以減少對(duì)主銀槽所帶進(jìn)銅份與微蝕的污染，并減少其他外物的危害。其次是將銅面再度做好清潔處理以完成置換反應(yīng)的準(zhǔn)備工作。由于預(yù)銀槽的配方與作業(yè)條件與主銀槽相同（只有銀含量上的差別），故進(jìn)入主槽的板子并不會(huì)對(duì)主槽造成沖淡的效果。主槽沉銀反應(yīng)中消耗的只有銀離子，而有機(jī)物的變化則以帶出者居多。于是在帶入與帶出兩者得以平衡下，主銀槽中不斷補(bǔ)充銀份的消耗時(shí)，其無(wú)效的有機(jī)物將不致累積太多。
六、銀層的結(jié)構(gòu)
由于浸銀層是出自銀離子與銅面的置換反應(yīng)，其銅面微蝕后所具有的微粗糙形貌，將可使得慢速沉積的起始銀層更為均勻，且慢速鍍銀亦可使其銀晶粒結(jié)構(gòu)更為結(jié)實(shí)與緊密。此種附著緊密的銀層厚度約在6~12μin 之間，一般尚無(wú)法達(dá)到完全防變色的地步。主銀槽的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，量產(chǎn)可達(dá)好幾十次的MTO（Metal Turn-Over）才需換槽，并且對(duì)于光線也不再敏感。而且停機(jī)時(shí)間也大幅降低，通常只要厚度到達(dá)4μin以上時(shí)，即將不再出現(xiàn)疏孔。板面的離子污染也很低，所用設(shè)備的成本也很平價(jià)。
七、結(jié)論
因應(yīng)無(wú)鉛焊接全球PCB業(yè)對(duì)表面處理的期望，為求面對(duì)焊錫性、可靠度、安全性等更嚴(yán)格的要求起見(jiàn)，全新研發(fā)的商用制程Alpha STAR將可達(dá)到各種實(shí)用性的目標(biāo)。此新制程并還能符合RoHS及WEEE法規(guī)層面的要求與無(wú)鉛焊接的具體規(guī)格。(白蓉生)
