PCB化學鍍銀工藝賈凡尼效應原因分析及對策

  本文主要介紹瞭PCB 化學沉銀表面處理工藝的賈凡尼效應的産生原因及生産控制方法。首先介紹瞭賈凡尼效應産生的必然性，然後對幾個主要影響因素進行試驗分析，最終得出控制賈凡尼效應的方法。

  關鍵詞：賈凡尼效應、側蝕

  1. 前言

  由於(yú)RoHS( 減少有害物質)的法規限制瞭(le)PCB 制造和闆子組裝中鉛、镉、汞和六價鉻化合物的使用迫使電路闆的生産廠家從使用熱風整平焊接轉向使用無鉛替代品。

  一般來說，在電路闆的制造中通常使用的無鉛表面塗飾工藝有下列幾種：HASL 、OSP （有機可焊性保護塗飾材料）、化學鍍鎳/浸金、化學鍍鎳/ 化學鍍钯/浸金、浸錫、浸銀，以及電鍍錫。較之其他幾種工藝化學浸銀又有它自身的優點：化鎳浸金制程在PCB 制作上操作困難，成本昂貴。有機保焊劑在PCB 制作上操作簡易，成本低廉，但是在裝配上受到限制。化學浸銀可讓線路十分平整，适用於(yú)高密度線路，密腳距的SMT （表面貼裝），BGA （球腳陣列封裝）及晶片直接安裝。化學浸銀操作簡單，成本不高，維護少，使用相對小型設備(bèi)可有高産能。基於(yú)這些優點，化學銀被更多的應用於(yú)PCB 的表面處理。

  2. 化學(xué)銀及賈(jiǎ)凡尼效應原理

  衆所周知，化學沉銀的反應機理非常簡單(dān)，即爲簡單(dān)的金屬置換反應，其反應過程可以表達(dá)爲：

             Ag＋＋e—=Ag E=0.799

             Cu+++ 2e—=Cu E=0.340

             2Ag＋＋Cu=2Ag+Cu++ E=0.459

  正常情況下反應自發進行，可用下圖表示:

  化學銀層經過一定厚度的沉積，就可以實現對銅面的保護，順利完成焊接保護的使命，但是往往事與願違。沉銀過程中並非一帆風順，我們都知道PCB 表面經過油墨印刷後才進行表面塗覆處理，而油墨印刷後PCB 的銅面将會呈現另外一種景象。可用下圖表示：

阻焊制程中由於顯影的作用油墨或多或少的存在側蝕，因此加工出來的油墨往往呈現下圖的形态：
  這種形态的油墨結構就提供瞭化銀所謂的“賈凡尼效應”發生的良好環境。這種油墨的undercut 通常會形成狹小的裂縫，而裂縫中溶液無法交換，無法提供足夠的Ag 離子。但是在電解質溶液中Cu 不斷的失去電子變成Cu 離子，而與此同時溶液中的Ag 離子又不斷的得到電子，沉積在裸露的銅面。直至溶液中Ag 離子得到電子與Cu 失去電子水平達到平衡，反應才會終止。因此“賈凡尼”出現的位置表現爲銀的厚度比正常位置厚。整個過程可用下圖表示：

  3. 賈凡尼效應的影響因素分析

  通過上面内容介紹可以瞭(le)解，“賈凡尼效應”的産(chǎn)生實際上有兩個主要因素：一；置換反應存在；二、局部的離子供應不足；

  關於(yú)置換反應，化學沉銀、化學沉金等很多沉積本身都是此類反應，但是問題的關鍵是反應的程度。拿化學銀和化金來講，化學浸金的厚度一般在0.05～0.1um，而化學銀的厚度一般在0.15～0.5um 之間，因此化金沒有的問題發(fā)生在化學銀工藝中。

  而對於局部由於縫隙導緻的離子供應不足的問題，筆者認爲綠油工藝中可能有兩個因素影響較大：一個因素是油墨的側蝕；另外的一個因素可能是油墨與銅層之間的結合力。對此可用下圖加以說明：

  簡單(dān)的說影響“賈凡尼效應的因素可總結爲：化學銀厚度、油墨與銅結合力、油墨側(cè)蝕大小

  3.1 試(shì)驗(yàn)部分

  試驗主要結合前面分析與實際過程中參(cān)數設計瞭(le)DOE ，選定因子分别爲：沉銀速度（決定銀厚）、阻焊前處理磨痕（決定結合力）、油墨型号、顯影速度、曝光級數（三者影響油墨側蝕）

  3.1.1 DOE實驗的設計及結果

  注：1、沉銀速度爲1.9m/min時，平均銀厚爲0.30um，沉銀速度爲1.3m/min時，平均銀厚爲0.40um。

  2、所有試驗結(jié)果均符合華(huá)爲标準線條深度的20％。

  3.2 數(shù)據(jù)分析

  3.2.1應用minitab分析，繪出主效應圖如下：

  從(cóng)主效應圖中可以看出，在試驗的5個因素中，沉銀速度是影響賈凡尼效應關鍵的因素，曝光級數也對(duì)賈凡尼效應有較大的影響，顯影速度、油墨型号和磨痕對(duì)賈凡尼效應沒有顯著的影響。

  4.生産(chǎn)控制

  基於(yú)以上分析和試驗證明，我司正常的油墨工藝參(cān)數可滿足化學銀工藝中賈凡尼的要求。我公司應從以下幾方面控制化學銀的賈凡尼效應：

  1、首件沉銀(yín)厚度控制（0.15-0.3）；

  2、首件賈(jiǎ)凡尼效應確(què)認；

  3、生産(chǎn)過(guò)程中沉銀厚度的抽檢，建立SPC控制；

  4、生産(chǎn)過(guò)程中卡闆問題的預防。

  5.結(jié)論(lùn)

  沉銀厚度作爲化學沉銀的重要指标必須嚴格控制，而且有資料證明沉銀厚度在以上即可以實現對(duì)銅面的保護功能，因此建議化學沉銀的銀厚度控制建議不超過(guò)0.3um；

  不同的油墨有不同的參數要求，筆(bǐ)者建議若採(cǎi)用化學銀工藝，不同油墨應對其不同參數下的側蝕進行比較。選擇側蝕較優的參數加工。