林金堵
Surface finished technology of PCB
摘要 本文综述了PCB表面涂（镀）覆层的现状与发展
关键词 表面涂覆 热风整平 有机可焊性保护剂 化学镀镍/金 化学镀银 化学镀锡 Abstract This paper summarizes the development and present of surface finished technology in PCB
Keyword surface finish HASL OSP electroless Ni/Au electroless Ag electroless Sn
本文所述的表面涂（镀）覆技术是指除阻焊剂（阻悍膜、阻焊层）以外的可供电气连接的可焊性或可接触性的涂（镀）覆层。如HASL（或HAL 热风焊料整平或简称热风整平）、OSP（有机可焊性保护剂或耐热预焊剂）、电镀Ni/Au、化学镀Pd(钯）、化学镀Ni/Au、化学镀Sn、化学镀Ag等。这些表面涂覆层对新鲜的铜表面起保护作用或隔离作用，在PCB产品
的可焊性和可靠性等方面起着十分重要作用。因此，它是PCB生产过程中的一个重要加工步骤。
搜索评价1 热风整平（HAL）
热风整平（HAL）或热风焊料整平（HASL）是20世纪80年代发展起来的一种先进工
艺，到了90年代中、后期，它占据着整个PCB 表面涂（镀）覆层的90%以上。只是到了90年代的末期，由于表面安装技术（SMT）的深入发展，才使HAL在PCB中的占有率逐步降低下来，但是，目前HAL在PCB表面涂（镀）覆中的占有率仍在50%左右。尽管SMT的高密度发展会使HAL在PCB中的应用机率不断下降，但是HAL技术在PCB生产中的应用仍有很长的生命力，即使禁用铅的焊料（无铅的绿焊料），无铅的HAL技术和工艺也会开发和应用起来。
1.1 热风整平工艺和应用
热风整平技术是指把PCB（一般为在制板 panel）浸入熔融的低共熔点（183℃，如图1所示）Sn/Pb（比例应等于或接近于63/37，操作温度为230∽250℃之间）合金中，然后拉
图1 锡/铅合金的组成
出经热风（控制热风温度、风速和风刀角度，其中风刀结构与PCB板距离等已优化而固定下来）吹去多余的Sn/Pb合金，得到所要求组成和厚度的Sn/Pb合金层。在热风整平生产过程中要控制和维护好Sn/Pb合金组成的成份比例（一般要定期补充纯锡，因为才锡比铅更易于氧化，加上锡也易于与其它金属形成合金，所以锡消耗比铅要快）。同时，在高温热风整平的过程中，PCB上的铜也会熔入到Sn/Pb 合金中去，使Sn/Pb合金中含有铜的组分，由于铜和锡会形成高熔点的合金化合物，如Cu6/Sn5、Cu4/Sn3、Cu3/Sn等。当Sn/Pb合金中的铜含量≥0.3%吕侃近况（重量百分比）时，不仅会是使热风整平温度提高（如超过250℃以上）才能得到平整而光亮的涂覆Sn/Pb合金层，甚至会形成粗糙不平或沙石状的表面。因此应定期进行分析Sn和Pb含量与比例，以保证其比例处于62∽64/38∽36之间。同时，由于锡比铅更易于氧化，因此，熔融的锡/铅合金表面应具有耐高温的防氧化剂或耐热助焊剂等加以保护。另外，还要经常清除去在熔融的锡/铅合金表面上的氧化物和锡与铜的合金化合物（要采用比HAL更高的温度和一定保温时间，使铜与锡能充分反应，并漂浮在 熔融的锡/铅合金表面上。然后降低温度到230℃左右清除去表面层或残渣），以保证熔融的锡/铅合金的组成比例和纯洁。
HAL的锡/铅合金厚度的控制是极其重要的。对于THT（通孔插装技术）来说，HAL的锡/铅合金厚度一般为5∽7um或更大些。但对于SMT（表面安装技术）来说，HAL的锡/铅合金厚度应控制在3∽5µm之间为宜，厚度太厚或太薄都会带来PCB焊接的可靠性问题。
1.2 热风整平问题和挑战
HAL的锡/铅合金的最大的优点是它具有与焊料相同的组成和成分比例，同时，它能够很好覆盖于新鲜的铜的表面上而保护了铜不被氧化和污染。因此，HAL的锡/铅合金具有极好的保护性、可焊性和可靠性。
但是，HAL的锡/铅合金层在SMT的应用中也遇到了问题和挑战，主要是来自熔融锡/铅合金的表面张力太大（约为水的表面张力的6∽三一学校8倍）和在高温下产生锡/铜金属间化合物（IMC，intermetallic compound）以及在HALkugoo2013下载过程中PCB受到高温（230∽250℃）的热冲击等三大方面。
（1） 熔融的锡/铅合金表面张力太大带来的问题和挑战。当表面安装用的PCB不断
向高密度发展时，PCB的连接盘（焊盘）的密度越来越大，而其尺寸越来越小，在涂覆相同要求厚度的熔融锡/铅合金下，由于表面张力的作用，使尺寸小的连接盘上锡/铅合金层呈显“龟背”现象（如图2所示）。这种“龟背”现象将随着高密度化（或连接盘微小化）的发展而严重化起来，其结果会导致元器件(特别是SMD 表面安置器件)的引脚与连接盘之间形成“点”的接触,从而影响焊接的可靠性(特别是在高密度化焊接时,会引起位移和错等位)问题.
图柔毛水杨梅2 不同连接盘直径于相同锡/铅合金厚度下的表面状况
（2）在高温下形成锡/铜合金化合物的影响。如果采用加大HAL的热风风速（热风压力）使熔融的锡/铅合金层变薄来消除“龟背”现象而得到连接盘上的平面性（如图3所示），也会带来焊接可靠性问题。因为在高温下，锡和铜的界面之间会形成各种锡/铜合金化合物，如Cu3Sn、Cu3Sn2、Cu4Sn3、┉Cu6Sn5、Cu2Sn3等（参见图3），所形成的各种合金化合物种类和厚度是与HAL的锡/铅合金厚度、HAL的次数和高温保持时间有关，同时，也与
高温的焊接次数有关，如HAL的处理温度越高、时间越长和次数越多以及高温的焊接次数多等都会使不可焊的铜/锡合金化合物（如Cu3Sn、Cu3Sn2）增多与增厚。当锡/铅合金层厚度很薄（如厚度≤2um）时，就有可能全部形成不可焊的铜/锡合金化合物。这种厚度很薄的铜/锡界面之间化合物，看起来平面性很好，但却是不可焊的或焊接不牢固（虚焊）的，从而影响了焊接可靠性，这方面的实例和教训不少。
图3 HASL厚薄不同时的金属合金化合物
（3）热风整平对PCB的热冲击问题。PCB在热风整平过程中受到高温（230∽250℃/3∽5sec）的热冲击，必将对PCB的使用寿命带来影响。有人做过实验和统计，热风整平对PCB使用寿命的影响，主要是表现在PCB（特别是多层板方面）的孔化失效率方面，经过热风整平的常规多层板比起没有经过热风整平的孔化失效率要大50%左右（如采用常规FR-4材料的多层板经过热风整平后，其孔化失效率将由1*10-9增加到2*10-9），这说明PCB的Z方向CTE（热膨胀系数）对孔金属化的影响是主要的。对于采用埋/盲孔结构的多层板来说，热风整平对其孔化失效率的影响将小得多。同时，还应理解到热风整平的过程对PCB其它性能（如翘曲度、内应力、层间结合力等）也会带来影响。
今后，热风整平的发展趋势是采用无铅焊料的热风整平，如纯锡的焊料（熔点为232℃）、锡/银合金焊料（其低共熔点为221℃）、锡/铜合金焊料（其低共熔点为227℃）和锡/铋合金焊料（其低共熔点为140℃，但其脆性太大）等。
2 有机可焊性保护剂（OSP）
有机可焊性保护剂（OSP organic solderability preservatives）在早期称为耐热预焊剂（preflux）。实质上，它是一种烷基苯并咪唑（ABI alkyl benzimidazole）类化合物，具有很高的耐热性，其分解温度一般要求在300℃以上。因此，它能够很好地保护着新鲜的铜表面不被氧化和污染，在高温焊接时，由于焊料的作用除去OSP而显露出新鲜铜表面并迅速与焊料进行牢固焊接。
有机可焊性保护剂的基本原理是烷基苯并咪唑类有机化合物中的咪唑环能与铜原子的2d10电子形成配位键，从而形成烷基苯并咪唑-铜络合物。其中，连链烷基之间又通过范得华力互相吸引着，这样便在新鲜的铜表面上形成一定厚度（一般为0.3∽0.5µm之间）的保护层，加上苯环的存在，所以这层保护膜便具有很好的耐热性和高的分解温度。烷基苯并咪唑-铜络合物形成的示意图如图4所示，其中R基（烷基）的选择或结合将决定着能不能作
为PCB的OSP使用问题。烷基（R）的选择会影响到OSP的耐热性能和分解温度高低程度，因此，烷基（R）的链长和结构是OSP研究和开发中的主要课题，也是不断改进OSP耐热性能和提高分解温度的主要内容，更是OSP供应商保密的主要原因。
图4 烷基苯并咪唑与铜的络合情况
用于PCB中的烷基苯并咪唑类（OSP）溶液的组成大体如表1所示。
表 1 用于PCB中的OSP溶液组成
烷基苯并咪唑 | 8∽12克/升 |
有机酸（或PH值） | 20∽50克/升（PH=4.0±0.5） |
CuCl2 | 0.1∽⒈0克/升 |
去离子水 | 补充到要求容量 |
温度 | 30℃∽40℃ |
| |
烷基苯并咪唑类在OSP溶液中的含量问题。当OSP含量在1∽5%之间时，所形成的络合物
保护膜速度无明显变化，而OSP含量≥5%时，形成络合物保护膜可加速，但OSP含量大于10%时，因超过烷基苯并咪唑在水中的溶解度(与烷基类型和结构有关)，会造成油状物析出。所以，烷基苯并咪唑的含量应控制在10%之内。实际上所采用的烷基苯咪唑的含量远小于这个值。
氯化铜（CuCl2）在OSP溶液中的作用。在OSP溶液中加入适量的氯化铜，可促进络合物保护膜的形成，缩短浸渍时间。一般认为，由于铜离子存在，在OSP溶液中使烷基苯并咪唑与铜离子形成一定程度的络合。这种有一定程度聚集络合物再沉积到铜表面形成络合物保护膜时，能在较短的时间内形成较厚的络合物保护膜，因而起到ABI（Alkyl benzimidazole）络合的促进剂作用。实验表明：氯化铜加入量超过LOCAMO0.1%时，会使OSP 溶液过早老化,一般应控制在0.03%∽0.05%之间为宜。
有机酸在OSP溶液中的作用。加入有机酸可以增加烷基苯并咪唑（ABI）在水溶液中的溶解度，促进络合物保护膜的形成。而用量过多反而会使沉积在铜表面上的ABI膜溶解，因而控制有机酸的加入量（即PH值）是至关重要的。OSP溶液的PH值应控制在3.5左右为宜（PH一般为3.5±0.1）。当PH值大于5.0时，会降低ABI的溶解度呈油状物析出，对浸渍不
利。而PH值过低，则会增加络合物的溶解度，导致在铜表面上沉积的络合物溶解而不能形成所要求厚度的膜，甚至不能形成络合物膜（如PH≤3.0时）因而主张OSP溶液的PH=4.0±0.5之间。
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