PCB化學鍍銀工藝賈凡尼效應原因分析及對策

  本文主要介紹了PCB 化學沉銀表面處理工藝的賈凡尼效應的產(chǎn)生原因及生產(chǎn)控制方法。首先介紹了賈凡尼效應產(chǎn)生的必然性，然后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

  由于RoHS( 減少有害物質)的法規(guī)限制了PCB 制造和板子組裝中鉛、鎘、汞和六價鉻化合物的使用迫使電路板的生產(chǎn)廠家從使用熱風整平焊接轉向使用無鉛替代品。

  一般來說，在電路板的制造中通常使用的無鉛表面涂飾工藝有下列幾種：HASL 、OSP （有機可焊性保護涂飾材料）、化學鍍鎳/浸金、化學鍍鎳/ 化學鍍鈀/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(yōu)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，適用于高密度線路，密腳距的SMT （表面貼裝），BGA （球腳陣列封裝）及晶片直接安裝?；瘜W浸銀操作簡單，成本不高，維護少，使用相對小型設備可有高產(chǎn)能?；谶@些優(yōu)點，化學銀被更多的應用于PCB 的表面處理。

  2. 化學銀及賈凡尼效應原理

  眾所周知，化學沉銀的反應機理非常簡單，即為簡單的金屬置換反應，其反應過程可以表達為：

             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(fā)進行，可用下圖表示:

  化學銀層經(jīng)過一定厚度的沉積，就可以實現(xiàn)對銅面的保護，順利完成焊接保護的使命，但是往往事與愿違。沉銀過程中并非一帆風順，我們都知道PCB 表面經(jīng)過油墨印刷后才進行表面涂覆處理，而油墨印刷后PCB 的銅面將會呈現(xiàn)另外一種景象?？捎孟聢D表示：

阻焊制程中由于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(xiàn)下圖的形態(tài)：
  這種形態(tài)的油墨結構就提供了化銀所謂的“賈凡尼效應”發(fā)生的良好環(huán)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(xiàn)的位置表現(xiàn)為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

  通過上面內容介紹可以了解，“賈凡尼效應”的產(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；

  關于置換反應，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。

  而對于局部由于縫隙導致的離子供應不足的問題，筆者認為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：

  簡單的說影響“賈凡尼效應的因素可總結為：化學銀厚度、油墨與銅結合力、油墨側蝕大小

  3.1 試驗部分

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

  3.1.1 DOE實驗的設計及結果

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

  2、所有試驗結果均符合華為標準線條深度的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(shù)也對賈凡尼效應有較大的影響，顯影速度、油墨型號和磨痕對賈凡尼效應沒有顯著的影響。

  4.生產(chǎn)控制

  基于以上分析和試驗證明，我司正常的油墨工藝參數(shù)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、首件沉銀厚度控制（0.15-0.3）；

  2、首件賈凡尼效應確認；

  3、生產(chǎn)過程中沉銀厚度的抽檢，建立SPC控制；

  4、生產(chǎn)過程中卡板問題的預防。

  5.結論

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

  不同的油墨有不同的參數(shù)要求，筆者建議若采用化學銀工藝，不同油墨應對其不同參數(shù)下的側蝕進行比較。選擇側蝕較優(yōu)的參數(shù)加工。