周 波 何 驍 鄒雅冰 李星星 賀光輝

（中國賽寶實驗室可靠性研究分析中心，廣東 廣州 510610）

0 前言

第五代移動通信（5G）技術已邁入商用化進程，光模塊作為光電信號的轉換器，是5G網絡物理層的基礎構成單元，也是光設備與光纖連接的核心器件，被廣泛應用于無線及傳輸等設備。高速光模塊PCB作為光通信模塊封裝的電路載體，外觀如圖1所示，PCB 上的板邊插頭或稱印制插頭，作為插拔連接部件，在光電信號的傳輸過程中起著至關重要的作用。

圖 1 常見的高速光模塊PCB板外觀

隨著產品的應用環(huán)境越來越復雜，金手指部分長期裸露在外部環(huán)境中，因此，部分應用端客戶針對光模塊PCB產品除了要求印制插頭表面鍍層有良好的耐磨性之外，還要求具有較好的耐腐蝕性，以確保產品在使用過程中有良好的可靠性。為了滿足這些品質要求，插頭的表面處理方式一般選用電鍍銅鎳金（厚金）、化學鎳金+電厚金、化學鎳鈀金[1]等工藝。但是，在光模塊PCB產品的整個生產過程和服役周期中，影響板邊插頭耐腐蝕性能的因素較多，導致在應用過程中腐蝕失效時有發(fā)生，腐蝕失效外觀如圖2所示。大量研究表明，在鹽霧[1]、硝酸蒸汽、SO2氣體[2]、稀硫酸[3]等環(huán)境條件下，金鍍層表面微孔隙是導致其耐腐蝕性能下降的主要原因。

本文對光模塊PCB金手指腐蝕失效的共性失效模式及其失效機理進行了總結，探討了光模塊PCB板邊插頭的各類腐蝕的失效原因，提出了避免腐蝕的改善措施（如圖2）。

圖2 板邊插頭腐蝕失效典型外觀

1 腐蝕機理及失效模式

光模塊PCB板邊插頭一般用金(Au)層作電接觸材料，Au不易與其它物質發(fā)生化學反應，能有效地抵抗外界環(huán)境中有害物質的侵蝕，但是當金手指的Au面存在微孔、晶格缺陷、縫隙、漏鍍等缺陷時，Ni層或Cu層的化學性質比較活潑，會與滲入的腐蝕性介質接觸，發(fā)生腐蝕失效。因此，金手指的腐蝕主要是指Au層底部的金屬Ni和Cu鍍層與周圍腐蝕性介質（酸性氣體、鹽霧、含硫氣體等）之間發(fā)生化學或電化學作用而引起的破壞，其腐蝕機理主要包括化學腐蝕和電化學腐蝕兩個方面。金屬Ni或Cu鍍層（陽極）與Au（陰極）形成原電池反應，由于Au與Ni的電位差要大于Au與Cu的電位差，電極電位相差較大，原電池腐蝕動力越大，所以一般Cu鍍層的腐蝕程度較Ni層更嚴重。板邊插頭腐蝕位置垂直切片截面代表性形貌如圖3所示。

圖3 板邊插頭腐蝕位置截面代表性形貌

對大量光模塊PCB板邊插頭腐蝕失效樣品進行分析發(fā)現，根據腐蝕點的分布情況，可將腐蝕模式主要分為4種：尖端磨損腐蝕、表面腐蝕、末端腐蝕和側壁腐蝕，如圖4所示。

圖4 金手指的常見腐蝕失效模式

2 腐蝕失效原因分析

2.1 尖端磨損腐蝕失效

一般板邊插頭表面的Au 層厚度為0.8～3.0 μm，有較好的耐磨性能。當光模塊PCB產品經多次插拔后，連接器插座中的彈片會在板邊插頭表面造成插拔接觸的痕跡，如圖5a所示。由于板邊插頭尖端位置是呈90°的直角，在插拔過程中，尖端位置受到的機械應力較集中，會更容易出現磨損，如圖5b所示，這導致金層的致密性下降，對鎳銅鍍層的保護性不足，最終發(fā)生腐蝕失效。另外，在插頭的插拔過程中，從外界環(huán)境帶入的雜質顆粒附著在金面或插座的彈片上，也會增加板邊插頭的磨損程度，增大腐蝕失效風險。

2.2 表面腐蝕失效

板邊插頭表面腐蝕現象如圖6a，其主要原因為表面金層厚度不足或金面存在漏鍍（圖6b）、劃傷（圖6c）、晶格異常（圖6d）等缺陷，無法有效保護Ni層和Cu層，造成腐蝕介質滲入到金手指鍍層內部，發(fā)生局部的點狀腐蝕。這些影響因素往往與PCB制程的表面處理工藝類型和生產操作控制相關。

圖5 板邊插頭尖端插拔磨損圖片

圖6 板邊插頭表面腐蝕外觀及金面缺陷圖片

2.3 末端腐蝕失效

板邊插頭的末端一般直接與導線相連，由阻焊油墨覆蓋，當油墨本身存在裂縫、孔洞等缺陷或是與底部線路間結合較差存在縫隙時，腐蝕介質從縫隙處滲入，與阻焊底部的線路直接接觸。由于阻焊底部的線路表面一般為電鍍薄鎳金或化學鎳金層，Au層厚度較薄，一般為0.025 μm～0.15 μm，較難有效抵抗硝酸蒸汽、MFG（工業(yè)氣體腐蝕）和硫化蒸汽等嚴苛條件下腐蝕性介質的滲透腐蝕，最終造成板邊插頭末端的油墨底部鍍層被腐蝕，如圖7a和圖7b，阻焊底部線路腐蝕位置垂直切片如圖7c。

圖7 板邊插頭末端腐蝕外觀及垂直切片圖

2.4 側壁腐蝕失效

金手指有側壁不包覆鎳金和包覆鎳金兩類常見的工藝，這兩種鍍覆工藝制作的板邊插頭側壁的垂直切片圖分別如圖8a和圖8b所示。金手指側壁不包覆鎳金的光模塊PCB常用于溫和且穩(wěn)定的環(huán)境中，具備較好的耐磨性能，但耐高鹽、強酸堿等復雜環(huán)境的性能稍弱，在鹽霧試驗、硝酸蒸汽、工業(yè)氣體腐蝕試驗和硫化實驗中，側壁裸露的Ni層、Cu層會直接與腐蝕性介質接觸，發(fā)生不同程度的腐蝕失效。側壁包覆鎳金的金手指采用引線電鍍工藝，在側壁Cu層上蓋覆有一層均勻的鎳金層，因此具備較好的耐腐蝕性能，但當側壁金鍍層質量存在缺陷或側壁鍍層與基材結合位置致密性較差時（如圖8c），底部的Ni、Cu層會與滲入的腐蝕性介質接觸，發(fā)生局部的點狀腐蝕，如圖8d；另外，當金手指位置的PCB基材存在裂紋、銅箔起泡、金手指底部坑裂等缺陷時，也會導致底部位置的鎳銅層與腐蝕介質接觸，造成腐蝕失效，如圖8e和圖8f所示。

圖8 板邊插頭側壁外觀及垂直切片圖

3 改善措施

通過分析板邊插頭常見腐蝕失效的產生原因可知，在無法改變外部腐蝕介質類型及溫濕度等環(huán)境條件下，無論是化學腐蝕還是電化學腐蝕，必須避免活潑金屬Ni和Cu鍍層與腐蝕性介質直接接觸，因此，主要的改善方向就是優(yōu)化生產工藝和加強生產管控措施，提高板邊插頭表面Au鍍層的致密性，消除鍍層孔隙，降低發(fā)生化學反應和微原電池反應的風險，減緩腐蝕現象的發(fā)生。

3.1 適當增加鍍金層的厚度

據有關文獻報道[4]鍍層厚度跟鍍層孔隙成反比，鍍層厚度越厚，孔隙越少；相反鍍層越薄、孔隙越多。根據MFG 3A級測試方法，對比兩種相同生產工藝但不同金厚的板邊插頭，發(fā)現Au厚1.27 μm的金手指出現嚴重腐蝕，而Au厚1.5 μm的耐腐蝕性較好，如圖9所示。因此，在工藝可控和成本允許的情況下，適當增加鍍金層的厚度，降低金層孔隙率，可有效改善板邊插頭的耐腐蝕性能。

圖9 不同金厚板邊插頭MFG測試結果對比

3.2 適當增加鍍銅層的厚度

在插拔過程中，板邊插頭尖端受到較大的機械應力，研究發(fā)現，在電鍍薄鎳金（圖鍍銅鎳金）流程中，先加鍍一層5 μm～8 μm厚度的薄Cu層，由于薄Cu層有四面包裹的作用，可改善板邊插頭尖端和側壁的平整度，將尖端位置的90°直角（如圖10a）優(yōu)化為弧形的鈍角（如圖10b），優(yōu)化了線型，使板邊插頭尖端更平滑，可明顯減弱插拔過程中的應力集中現象，降低尖端位置金層被磨損的風險，從而改善板邊插頭的耐腐蝕性能。

圖10 加鍍薄銅對金手指尖端線型的改善效果

3.3 使用低粗糙度的銅箔

PCB在蝕刻線路圖形后，基材表面會呈現出與銅箔毛面銅牙對應的“蜂窩狀”凹痕，銅箔毛面的粗糙度越大，基材表面對應的凹痕越粗糙度越大。而基材表面的粗糙度過大，會導致金手指側壁的鎳金鍍層與基材結合處的致密性不足，嚴重時會產生微小縫隙，腐蝕性介質透過裂縫滲入，與鎳銅層發(fā)生反應，造成腐蝕失效。常用的普通銅箔銅牙長度為4～7 μm，在基材表面形成的凹痕粗糙度較大，如圖11a。采用銅牙長度為1.2～2.3 μm的低粗糙度RTF銅箔，可減少基材凹痕，如圖11b，提升金手指側壁鍍層與基材結合處的致密性，有效阻擋腐蝕性介質的滲入，從而提高板邊插頭側壁的耐腐蝕性能。

3.4 使用封孔劑

圖11 不同銅箔對應的基材表面粗糙度

從金手指的腐蝕失效現象和機理可知，腐蝕性介質會透過金層表面的微小孔隙，對底部的Ni層和Cu層造成腐蝕。有相關研究發(fā)現[5]，使用封孔劑對金手指表面進行滲透交換清洗、逐層螯合鈍化、表面氫健成膜等一系列的處理，在金層表面形成一層10 nm～20 nm左右的保護膜，來改善鍍層表面孔隙，可有效提升金手指的耐腐蝕性能。目前常用的有六價鉻化合物鈍化劑、油相封孔劑和水相封孔劑技術，其中水相封孔劑綜合性能最好，而且安全環(huán)保，在電鍍領域中應用較廣泛。

4 結論

光模塊PCB金手指鍍層的共性腐蝕模式主要包括尖端磨損腐蝕、表面腐蝕、末端腐蝕和側壁腐蝕這4種?？赏ㄟ^適當增加鍍Au層厚度、加鍍5 μm～8 μm的薄Cu層、采用低粗糙度銅箔或封孔劑等措施，提高板邊插頭表面Au鍍層的致密性或隔斷腐蝕介質的滲入，降低腐蝕性介質與Ni層和Cu層發(fā)生化學反應和原電池反應的風險，從而減少腐蝕現象的發(fā)生。