无铅焊接的表面处理之浸镀银

SMT贴片加工中无铅焊接的种类繁多，前面介绍了OSP，这里再为大家介绍另一种常见的处理方式浸镀银。
在酸性溶液中各种元素电动次序(ElectromotivesSeries)的排列中，银的电位是+0.80V，而铜的电位是+0.52V；其间铜要比银活泼了0.279V之多。故知要配製成铜溶解而令银沉积的浸镀银槽液并不困难。而且在焊接的瞬间，银层会很快就会溶入高温的銲点中，6》是在锡与铜得以瞬间全面接触下，也很快形成良性IMC的CL16Sn；，故沾锡时间很短焊锡性也很好，而且后续焊点强度更是十分可靠。由此可知银层根本未参加焊点的结构，只是在保护铜面免于生锈而已。
一、有机银概要
採硝酸银为配方的新式有机浸镀银，其主要流程约有四站，即：对铜面的预清洗，微蚀，适况处理，及浸镀银等；可採水平自动输送方式进行连续性的双面处理。绿漆后浸镀银之现行商品制程颇多，在台知名者如MacDermid的SterlingTMSilver,Cockson的Alpha-Level，以及Atotech的Silver Finish ST等品牌，台湾PCB业者只有在客户特别指定下才会进行浸镀银的加工，实在是因为种种担当不起也解决不掉的焊锡性问题！客户要指定当然责任就不在我了。
银虽然亦列名于贵金属的族群，但纯银表面却非常容易在常温环境中产生硫化与氧化的难看皮膜，亦即出现所谓Tarnish（污化或变色）或Passivation（钝化）的顽强劣质薄膜。在免洗助焊剂无能为力之下，将立即会对焊锡性发生不良的影响。因而针对银面的Anti-Tarnish抗污化或抗变色之各种处理，一直是金属表面处理业者多年来所努力不懈的目标。
现行各种商品化的”浸镀银”槽液中，一定要加入某些有机抑制剂( Inhibitor)，使共同沉积于镀层中，才可协肋防止银面的变色。然而实际操作中，第一次高温熔焊几乎都没有瑕疵，但第二次熔焊或波焊时，则视其已变色的程度而定。一旦变成棕褐色时，即使活性很强的水溶性助焊性，对过度的变色照样是无动于衷依然故我。故而在做第一次焊接时，也必须小心翼翼不敢稍有污染，避免其娇贵的焊锡性遭到污损变质。
此为板面铜垫上完成浸镀银制程后电子扫描放大五千倍的外观情形

图1、此为板面铜垫上完成浸镀银制程后电子扫描放大五千倍的外观情形。
一般浸镀银的厚度约在0.2-0.3μm之间且平坦性极佳，皮膜中所共同沉积的有机抑制剂，从欧杰式深度分析( Auger depth profile)中可看出一些端倪。此等有机物会均匀的分佈在0.075 μm的表面深度内。此种浸镀银层中之纯银量，有机物，与微铜量三者的分配比例，与皮膜厚度的纵深直接有关。下图即为三者之比例与其纵深的关系。
至于Alpha-Level所推出浸镀银，其厚度平均为4-5μin(0.125μm)，，完工时表面会出现一层很薄的（5A）透明的有机保护膜，与前述铜面的OSP保护膜堪称系出同门功能相仿。其假想组成可由下列剖面示意图中得以瞭解。
改制后的有机银表面处理层

图2、此为改制后的有机银表面处理层。
此为Cockson公司的浸镀银结构图，其镀层表面会存在很薄却可抗变色的有机皮膜

图3、此为Cockson公司的浸镀银结构图，其镀层表面会存在很薄却可抗变色的有机皮膜
浸镀银的表面光泽度与底铜面的微蚀粗化，有著直接的关系。底铜面粗糙度较大时则银面会呈现雾状外观。沉积的厚度则与处理时间，温度，pH，及银离子浓度都有关。从置换的原理来看，溶出一个铜原子而成为一价铜离子的瞬间，将会有一个银原子的同步沉积，而Cu+将会继续氧化成为蓝色的Cu++并进入溶液成为污染。不过却也可被络合剂抓牢，暂时不会对镀银层产生不良效应：
此为铜面浸镀银银层的反应示意图

图4、此为铜面浸镀银银层的反应示意图
此种“有机银”式的I-Ag槽液现役者有酸性配方（麦特的SterlingSilver)，及中性配方（阿托的Silver Finish ST）等商品，除了主剂硝酸银或有机酸（MSA甲基磺酸）银外，筒须添加有机铜之络合剂（防止槽液中的溶铜对反应所产生不良效果），有机抑制剂（防止槽液对光线的敏感及加强镀层的均匀性），表面润湿剂（防止银层后续之不良电迁移并抑制变色的发生）与缓衝剂（调节pH）等。因而所置换出来的I-Ag皮膜，已不再是简单的金属银层，而是混合了有机物在内所谓”有机银”的镀层了。而且水平量产线中也配备了”铜结晶析出器”，以除去太多的溶铜而延长槽液的寿命‘
二、有机银封迁移的改善
由于浸镀银层中已渗入有机抑制剂，故令业界长久以来所担心受怕快速”银迁移”( Silver Migration)的后患，似乎可以鬆一口气了。麦特公司的研究者曾按TelcordiaTR-78之ElectroMigrationResistanceTest，针对浸镀银层在85 0C/8 5%RH及偏压(Bias)10VDC的条件下，分别经过9 6小时及5 9 6小时的放置老化后，发现其浸镀银的电阻值，比起裸铜及喷锡处理还要高一些。电陨值的居高当然就显示迁移现象已减少的表徵，因而可证明浸镀之有机银层，似将不再会发生密线之间电性迁移的Dendrites问题了，下二图即为试样及试验结果。
此图为密线路浸镀银后的外观

图5、此图为密线路浸镀银后的外观
此图为老化后三种金属导线见的绝缘电阻剂的比较

图6、此图为老化后三种金属导线见的绝缘电阻剂的比较
此外Motorola研究者也曾就”表面绝缘电阻”(SIR)另对浸镀银做过试验，其结果也能通Telcordia TR-78在通讯产品方面的规格，并证明即使在高湿度中也不致发生电迁移性Dendrites的后患了。
三、有机银的焊锡性
至于焊锡性方面则经过多位业者的研究，似乎都要比OSP好，且相对于喷锡板而书也毫不逊色，甚至连蒸气老化( Steam Aging)之后的样板也仍然展现良好的焊锡性。也有人刻意使之经过三次高温熔焊( Reflow)后，从沾锡天平( WettingBalance)试验中发现，其沾锡力量( Wetting Force)也几乎与全新试样不分轩轾。此外还有许多业者也证实过，浸镀银在各种可靠度试验的结果方面也十分优良。
浸镀银除了可供焊接之外，筒可做为半导体打线( Wire Bond)的表面处理，一般对于直径lOmil超音波式打铝线，其效果已相当不错。有时还可做为接触导通( Contact connection)之用，但这都将与厚度直接有关。当底铜面的微蚀粗化到了相当程度时，其浸银厚度常达10μm，以上，于是即可用以执行Contact的任务了。
然而此等优良的焊锡性与耐老化折磨的本领，全都是针对最纯洁最乾淨的槽液与试样而书，一旦操作槽液发生少许污染，或组装焊接的周连环境不尽理想时，则浸镀银所呈现的焊锡性将会大为走样。现行浸镀银的焊锡性，会受到水气中微量的氨气，二氧化硫气(SO2)以及二氧化氮(N02)等气体的严重影响。浸镀流程中的水质也极其重要，少许氯离子污染就会带来恶劣的反效果。而且出货包装也要採用特殊的”无硫纸”，此种娇贵的纸类不但很贵而且只能用一次，到了客户端时必须逐片板子拆纸封，还须立即在板面”打上零件”及焊接，现场环境放置太久者，焊锡性又恐将横生问题。到了第二次或第三次再行焊接时，其劣焊拒焊的灾难场面实在是惨不忍睹，此时之Sales talk也只好哑口无言了
四、浸镀银的工艺管理
已商业化的浸镀银，知名者只有德商ATO的”Silver Finish ST”与美商麦特的Sterling，以及Cockson的Alpha Level。下列五站即为“Silver Finish ST”的水平流程。
其中微蚀及适况( Conditioner)等两种关键性前处理，对于起始的镀银有减速作用，并对整体银层有降低疏孔(Pores)，及增加结晶组织紧密的效果。此种非硝酸银槽液中的银雕子，是以(AgX2)— 之卤化络合物的姿态出现，故不再畏惧光线与对氯离子的敏感，所置换出来的铜离子也可被特定的络合剂( Complexer)所抓住，而得以抑制铜金属的共沉积以免影响焊锡此五图即为Atoteck浸镀银的生产流程，其中之适况处理(Conditioner)为有机金属之络合处理，，将可使先期浸镀银的置换速率减慢，降低槽液中铜离子的增加，减少疏孔  与增密结晶等功能。浸镀银之操作在pH 7.5-8.5，温度60℃时间2-3分钟可得厚度0.2-0.4μm，全流程平均仅6-7分钟而已

图7、此五图即为Atoteck浸镀银的PCB生产流程，其中之适况处理(Conditioner)为有机金属之络合处理，，将可使先期浸镀银的置换速率减慢，降低槽液中铜离子的增加，减少疏孔  与增密结晶等功能。浸镀银之操作在pH 7.5-8.5，温度60℃时间2-3分钟可得厚度0.2-0.4μm，全流程平均仅6-7分钟而已。