羅喜生 張 建 邢玉偉

（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

1 前言

目前，PCB行業(yè)常見(jiàn)的表面處理工藝有：熱風(fēng)整平（HASL）、化學(xué)鎳金（ENIG）、有機(jī)可焊性保護(hù)劑（OSP）、化學(xué)錫（Immersion Tin Sn）和化學(xué)銀（Immersion Silver Ag）?；瘜W(xué)銀具有優(yōu)良的可焊性，潤(rùn)濕速度快，涂層表面平整度高，適合BGA、FC、COB等組裝技術(shù)，且由于銀兼有優(yōu)良的導(dǎo)電性能及低成本，在PCB中越來(lái)越受到青睞。

化學(xué)銀工藝原理[1]主要是利用銀和銅之間的電位差，促使銅和銀離子自發(fā)的發(fā)生置換反應(yīng)，從而在銅面上涂覆銀層：

2 問(wèn)題背景

由于銀離子本身特性，銀容易與空氣中硫、鹵素結(jié)合變色（黑色、黃色），另外，化學(xué)銀工藝中存在的賈凡尼效應(yīng)也是不容忽視的問(wèn)題，而本文針對(duì)化學(xué)銀比較少見(jiàn)的缺陷，化學(xué)銀剝離（圖1）進(jìn)行相關(guān)探究并提出相應(yīng)的改善方法

公司生產(chǎn)的沉銀板檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有銀剝離露銅現(xiàn)象，測(cè)試剝離比例高達(dá)21/21=100%，剝離表觀如圖1。

圖1 銀剝離表觀圖

通過(guò)化學(xué)銀剝離表觀分析：（1）化學(xué)銀剝離區(qū)域呈片狀或是星點(diǎn)狀；（2）化學(xué)銀剝離露銅位置的銅面表觀呈現(xiàn)顆粒狀。

3 化學(xué)銀剝離影響因素

化學(xué)銀剝離是化學(xué)銀工藝中比較少見(jiàn)的缺陷，魚(yú)骨圖分析如圖2。

圖2 化學(xué)銀剝離魚(yú)骨圖

從圖2化學(xué)銀剝離魚(yú)骨圖分析可得出：銀厚影響：由于沉銀過(guò)程沉積速率快，鍍銀層厚度太厚，沉積的銀層比較疏松， Ag-Ag層結(jié)合力不佳，導(dǎo)致銀剝離，表現(xiàn)為Ag-Ag剝離，但不會(huì)露銅。

藥水異常影響：（1）微蝕藥水濃度異常，微蝕量小，銅面油污、氧化物未去除干凈使Cu-Ag結(jié)合力差；（2）預(yù)浸缸銀離子濃度較高（超過(guò)工藝控制范圍），預(yù)浸缸作用之一是保護(hù)銀缸，同時(shí)在銅面緩慢沉積形成致密的銀層，如果預(yù)浸缸銀離子濃度偏高，預(yù)浸缸銀沉積速率加快，使Cu-Ag結(jié)合力差導(dǎo)致銀剝離，表現(xiàn)為Ag-Cu剝離、露銅。

生產(chǎn)線影響：預(yù)浸、沉銀傳送/壓轆污染，在銀沉積過(guò)程中，銀層中帶入雜質(zhì)，銀面表觀呈現(xiàn)發(fā)黑，銀面污染及發(fā)黑位置出現(xiàn)銀剝離露銅，其它正常銀面無(wú)剝離。

銅面雜物影響：由于來(lái)板銅面氧化物、雜物等在沉銀前處理正常微蝕不能去除，使得Cu-Ag結(jié)合力差導(dǎo)致剝離。

來(lái)板銅面影響：銅面粗糙度較大，銅面存在凹痕，由于藥水的表面張力及沉積速率影響，使Cu-Ag結(jié)合位置存在空洞且結(jié)合的區(qū)域較少，使得Cu-Ag結(jié)合力降低導(dǎo)致銀面剝離。

4 化學(xué)銀剝離原因分析

4.1 銀厚影響

4.1.1 銀厚測(cè)試結(jié)果

對(duì)出現(xiàn)化學(xué)銀剝離位置的銀厚進(jìn)行測(cè)試，銀厚測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 剝離位置銀厚測(cè)試結(jié)果

銀厚控制要求為PAD[（1.5 mm×1.5 mm）～（3 mm×3 mm）]滿足0.15 μm ～ 0.45 μm，從表1剝離位置銀厚測(cè)試結(jié)果來(lái)看，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試焊盤(pán)銀厚均滿足控制要求，未發(fā)現(xiàn)銀厚超上限控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

以其它報(bào)廢板試驗(yàn)銀厚對(duì)化學(xué)銀剝離的影響，通過(guò)提高沉銀溫度及提高銀離子濃度，加快沉銀沉積速率，并得到不同厚度的銀厚，3M膠帶測(cè)試有無(wú)剝離，以驗(yàn)證銀厚對(duì)化學(xué)銀剝離的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 銀厚及銀剝離測(cè)試結(jié)果

從表2試驗(yàn)結(jié)果可以看出，銀厚超出要求范圍（0.15 μm ～ 0.45 μm），最大銀厚達(dá)到了2.24 μm，測(cè)試均未發(fā)現(xiàn)銀剝離。

結(jié)合表1測(cè)試剝離位置銀厚正常，因此，可以排除銀厚原因?qū)е禄瘜W(xué)銀剝離。

4.2 藥水影響

實(shí)際檢測(cè)藥水濃度及生產(chǎn)線上關(guān)鍵參數(shù)（表3）。

表3 沉銀線藥水生產(chǎn)參數(shù)

從表3沉銀線藥水測(cè)試結(jié)果看，各項(xiàng)藥水濃度、溫度等均在工藝控制范圍內(nèi)，無(wú)異常。

為排除預(yù)浸缸銀離子濃度對(duì)銀剝離的影響，設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)及結(jié)果如表4。

表4 預(yù)浸缸銀離子影響試驗(yàn)

從表4試驗(yàn)結(jié)果可看出，當(dāng)預(yù)浸缸銀離子濃度遠(yuǎn)超于控制上限（要求預(yù)浸缸銀離子≤8.5×10-6，試驗(yàn)預(yù)浸缸銀離子濃度1000×10-6），以其它型號(hào)板試板，均未發(fā)現(xiàn)化學(xué)銀剝離，結(jié)合表3藥水監(jiān)控結(jié)果和表4預(yù)浸缸銀離子影響試驗(yàn)，可以排除藥水異常原因?qū)е裸y剝離。

4.3 生產(chǎn)線設(shè)備影響

4.3.1 EDX分析

對(duì)銀剝離位置的銀面進(jìn)行EDX分析，以確認(rèn)銀層沉積過(guò)程是否帶入異物導(dǎo)致銀剝離，EDX分析結(jié)果如表5。

表5 銀剝離位置銀面EDX分析

從表5中剝離位置銀面EDX分析結(jié)果看，Ag層未發(fā)現(xiàn)異常雜質(zhì)元素。

4.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為排除1#沉銀生產(chǎn)線如傳送、壓轆污染等導(dǎo)致銀剝離，設(shè)計(jì)試驗(yàn)及結(jié)果如表6。

表6 生產(chǎn)線排查試驗(yàn)方案及結(jié)果

從表5的EDX分析結(jié)果及表6試驗(yàn)中可看出：（1）剝離位置銀層未發(fā)現(xiàn)有其它雜質(zhì)元素；（2）通過(guò)1、2、3#沉銀線試板和試驗(yàn)6不同生產(chǎn)板的對(duì)比試驗(yàn)， 可得出1#、2#及3#沉銀線設(shè)備及傳送無(wú)異常；（3）通過(guò)試驗(yàn)4和試驗(yàn)5，全手動(dòng)試驗(yàn)沉銀和預(yù)浸、沉銀及后續(xù)水洗缸保養(yǎng)后試板，此型號(hào)生產(chǎn)板依然存在100%銀剝離，此可以排除沉銀線設(shè)備的影響。

從以上分析中可排除生產(chǎn)線設(shè)備導(dǎo)致化學(xué)銀剝離。

4.4 銅面雜物影響

4.4.1 銅面SEM及EDX分析

為排查銅面雜物導(dǎo)致化學(xué)銀剝離，對(duì)化學(xué)銀剝離露銅位置的銅面、未微蝕及沉銀微蝕后的銅面進(jìn)行SEM及EDX分析，結(jié)果如表7。

表7 銅面SEM及EDX分析

通過(guò)表7分析結(jié)果：（1）從銀剝離露銅位置的銅面SEM可看出，銀剝離露銅位置銅面為蜂窩狀，銅面存在大量的空洞，但未發(fā)現(xiàn)有雜質(zhì)元素；（2）化學(xué)銀微蝕前、后銅面，均未發(fā)現(xiàn)異常雜質(zhì)元素。

4.4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為排查銅面雜物對(duì)化學(xué)銀剝離的影響，設(shè)計(jì)試驗(yàn)及結(jié)果如表8。

表8 銅面雜物排查試驗(yàn)方案及結(jié)果

從表8試驗(yàn)設(shè)計(jì)及及結(jié)果可以看出：通過(guò)提高微蝕量及磨板、噴砂等前處理，沉銀后依然存在化學(xué)銀剝離，且無(wú)明顯改善，結(jié)合表7中銅面EDX分析結(jié)果，可以排除銅面雜物導(dǎo)致銀剝離。

4.5 銅面粗糙度影響

4.5.1 銅面垂直切片分析

對(duì)出現(xiàn)化學(xué)銀剝離的生產(chǎn)板和其它沉銀生產(chǎn)板銅面垂直切片進(jìn)行比較，結(jié)果如表9。

表9 銅面粗糙垂直切片圖及試板

從表9不同生產(chǎn)板的銅面垂直切片圖及試板結(jié)果看，可看出：從銅面垂直切片看，正常沉銀板銅面最大凹痕1.6 μm；銀剝離生產(chǎn)板銅面最大凹痕深度24.37 μm，由于沉銀藥水的表面張力影響，Cu-Ag結(jié)合位置有存在空洞風(fēng)險(xiǎn)，且結(jié)合的區(qū)域較少使得Cu-Ag結(jié)合力降低導(dǎo)致銀剝離。

4.5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證銅面粗糙度對(duì)銀剝離的影響，對(duì)不同銅面進(jìn)行粗化處理，提高銅面粗糙度，以驗(yàn)證銅面粗糙度是否會(huì)導(dǎo)致銀剝離。

（1）銅面SEM表觀及垂直切片

以不同狀態(tài)的銅面中粗化后，通過(guò)SEM及垂直切片分析與正常銅面進(jìn)行比較，如表10。

由表10 SEM圖和圖3垂直切片銅面凹痕可看出：

①芯板銅面經(jīng)中粗化后，銅面微觀結(jié)構(gòu)變化不大，從銅面垂直切片，正常銅面凹痕深度2.5 μm，中粗化后銅面凹痕深度3.55 μm；②而電鍍銅面，經(jīng)中粗化后，SEM顯示銅面呈蜂窩狀排列，且蜂窩狀明顯增多；正常銅面的凹痕深度最大2.58 μm，經(jīng)中粗

?

圖3 銅面凹痕比較

表10 正常銅面及粗化銅面比較化后銅面最深凹痕達(dá)到7.63 μm，可以看出經(jīng)中粗化后銅面凹痕深度增大。

（2）銅面粗糙度測(cè)試

以粗糙度儀對(duì)不同流程段、同一位置的銅面中粗化前、后進(jìn)行粗糙度測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果如表11。

表11 銅面粗糙度測(cè)試結(jié)果

圖4 銅面粗糙度

從表11和圖4粗糙度測(cè)試數(shù)據(jù)，中粗化前、后銅面粗糙度測(cè)試對(duì)比結(jié)果可看出，經(jīng)中粗化處理后銅面粗糙度（Ra和Ry）均不同程度變大。

（3）試驗(yàn)方案及結(jié)果

設(shè)計(jì)銅面粗糙度對(duì)銀剝離影響試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表12。

表12 粗糙度試驗(yàn)方案及結(jié)果

從表12試板結(jié)果可看出：

①所有未經(jīng)過(guò)中粗化的銅面，正常沉銀后，均未出現(xiàn)銀剝離現(xiàn)象；②芯板銅面經(jīng)中粗化后，沉銀后未出現(xiàn)銀剝離，而電鍍的銅面，經(jīng)中粗化處理后，沉銀后出現(xiàn)了銀剝離，且剝離表觀和缺陷類(lèi)似；

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，并結(jié)合表11銅面粗糙度測(cè)試，電鍍形成的銅面粗糙度大會(huì)導(dǎo)致化學(xué)銀剝離。

（4）改善方法

從試驗(yàn)中得出，電鍍形成的銅面粗糙度增大會(huì)導(dǎo)致銀剝離，為進(jìn)一步驗(yàn)證銅面粗糙度增大導(dǎo)致銀剝離，對(duì)剝離型號(hào)板進(jìn)行陶瓷磨板，降低銅面粗糙度，然后正常沉銀，試驗(yàn)及結(jié)果如表13。

表13 改善試驗(yàn)方案及結(jié)果

圖5 陶瓷磨板后銅面凹痕

從圖5陶瓷磨板后銅面凹痕及表13改善試驗(yàn)結(jié)果可看出：①?gòu)你~面SEM，正常銅面空洞較多，經(jīng)陶瓷磨板后銅面空洞明顯減少，且銅面較為平整；②從銅面垂直切片可發(fā)現(xiàn)，未陶瓷磨板銅面最大凹痕15.88 μm，一次陶瓷磨板后銅面最大凹痕降至7.17 μm，二次陶瓷磨板后銅面最大凹痕降至4.39 μm，可見(jiàn)，陶瓷磨板降低銅面凹痕，使得銅面更加平整；③從試板結(jié)果看，未磨板化學(xué)銀剝離比例高達(dá)100%，一次磨板后化學(xué)銀剝離比例為20%，二次陶瓷磨板后無(wú)剝離，可見(jiàn)，通過(guò)降低銅面粗糙，能改善化學(xué)銀剝離。

通過(guò)表12的試驗(yàn)，并結(jié)合表13的改善試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，此次化學(xué)銀剝離原因?yàn)椋恒~面粗糙度大導(dǎo)致了化學(xué)銀剝離，由于銅面粗糙度大，由于藥水的表面張力及沉積速率影響，在銅面凹痕處，Cu-Ag結(jié)合位置存在空洞且結(jié)合的區(qū)域較少，使得Cu-Ag結(jié)合力降低導(dǎo)致化學(xué)銀剝離。

5 結(jié)論

（1）此次化學(xué)銀剝離與沉銀藥水、生產(chǎn)線設(shè)備傳送壓轆污染、銅面雜物無(wú)關(guān)；

（2）導(dǎo)致此次銀剝離的主要原因?yàn)閬?lái)板銅面粗糙度較大，從銅面垂直切片來(lái)看，銅面凹痕多且深度較大，銅面最大凹痕深度最大達(dá)24.37 μm，由于藥水的表面張力及沉積速率影響，在銅面凹痕處，Cu-Ag結(jié)合位置存在空洞且結(jié)合的區(qū)域較少，使得Cu-Ag結(jié)合力降低導(dǎo)致化學(xué)銀剝離。

6 改善及建議

（1）在沉銅加厚銅后增加磨板流程，保持電鍍銅前銅面平整性，銅面無(wú)凹點(diǎn)等缺陷；

（2）維持電鍍銅中銅缸藥水穩(wěn)定性，保持光劑及氯離子等參數(shù)穩(wěn)定，過(guò)濾棉芯（過(guò)濾芯：1次/3周；碳芯：1次/6周）定期更換保養(yǎng)，以防止電鍍銅面凹痕、粗糙度大；

（3）維護(hù)沉銀藥水日常穩(wěn)定，對(duì)傳送、壓轆定期進(jìn)行保養(yǎng)，過(guò)濾棉芯定期更換；

（4）對(duì)于特殊板材，如特氟龍板材，綠油前處理需使用超粗化處理，由于中粗化/超粗化后銅面粗糙增大會(huì)存在較大的銀剝離風(fēng)險(xiǎn)，此類(lèi)板材建議使用除沉銀外的其它表面處理方式。

[1]駱玉祥, 龔永林, 袁繼旺. 印制板電鍍與涂覆技術(shù)[M].印制電路信息, 2008.