不同表面处理耐老化性能分析

张智畅 胡梦海

（广广州兴森快捷电路科技有限公司，广东 广州 510663）（深圳市兴森快捷电路科技股份有限公司，广东 深圳 518028）

不同表面处理耐老化性能分析

张智畅 胡梦海

（广广州兴森快捷电路科技有限公司，广东 广州 510663）
（深圳市兴森快捷电路科技股份有限公司，广东 深圳 518028）

不同的表面处理在正常的工艺生产情况下可焊性相差无几，但在面临如生产后储存时间的增长或者贴装工艺的复杂化等各种可能存在的情况下，由于镀层金属及结构的差异，各表面处理间可焊性的差异便得到了放大。本文主要通过一系列模拟现实的老化条件，对比了常见表面处理的耐老化性能差异，并分析了相关失效机理。

表面处理；可焊性；老化

1 前言

常见的无铅表面处理包括无铅热风整平焊锡（HASL）、OSP、化学镀银（沉银）、化学镀锡（沉锡）、化学镀金（沉金）、水金等。选择一个表面处理需要考虑很多因素，包括焊接能力、与焊料合金的兼容性、焊接的可靠性、引线可键合能力、连接磨损阻抗、电子连接阻抗、存储期，以及与自动光学检测系统的对比等。［1］

对于存储期而言，在一般的室温环境条件下密封包装，水金、沉金、HASL板的有效存储时间为半年，而沉银、沉锡、OSP板的有效存储时间为3个月。存储的过程是一个缓慢老化的过程，期间表面处理由于受到环境中的温度或湿度的影响而产生一定的氧化或者劣化的情况，最终会影响到其可焊性能。而实际SMT生产中，对超期存储的PCB而言，面对贴装中的分层风险，因而多数会采用烘板的办法来加以改善，但在吸湿分层风险得到解决的同时，高温的环境又进一步加速了表面处理的老化、劣化，此时又将带来可焊性的风险。这种案例十分常见，如我司生产的一款水金板，前一年年初生产而第二年年初才进行贴装，贴装首板出现了分层随即对整批板进行了常规的烘板处理（150 ℃，2 h）。在后续的贴件后检查出现了100%的可焊性不良情况：

不同的表面处理在正常的工艺生产情况下可焊性差异并不十分明显，但在老化过程，由于镀层金属及结构的差异，各表面处理耐老化的性能不尽相同，因而最终的可焊性也可能大不相同。因此在进行表面处理的选择以及各种表面处理的生产处理时，就需要对各种表面处理的耐老化性能进行一定的了解，方可做到有的放矢。

2 实验部分

2.1 实验背景

表面处理在生产以及贴装过程中，可能面对的老化按照处理方式大致可分为三类：长时间储存、高温烘烤以及多次回流。为了获取到不同表面处理在面临上述各种现实存在的老化处理后的可焊性变化情况，设计了针对不同表面处理的不同老化处理方式的试验，之后进行可焊性的验证。

2.2 数据分析

试验前对试样的表面镀层厚度进行了测试，相关数据如下，符合基本的工艺控制要求见表1。

表1

2.2.1 回流老化

回流老化的条件如表2。

表2

对试样分别进行了上述的回流处理后，采用润湿天平测试记录了5s润湿力值，并通过实际板印刷锡膏过炉进行了验证。总的来说，随着回流老化次数的增加，各表面处理的润湿性均出现了不同程度的下降。

（1）镍基底表面处理（沉金、水金）（图1）。

图1 镍基底回流老化

从实验数据来看，下降最为显著的是水金，一次回流后5s润湿力即下降38.8%，两次回流后只能达到初始情况的50%左右；而沉金在经过5次回流后润湿力相较于初始状态下降为28.18%。通过印刷锡膏验证情况来看，水金板经过3次回流后出现了较稳严重的缩锡情况，而沉金板5次回流后情况良好。

（2）铜基底表面处理（图2）。

图2 铜基底回流老化

从实验数据来看，下降最为显著的是OSP，一次回流后变化并不十分明显，但在完成第二次回流出现了较明显的劣化，润湿力下降30.37%。通过印刷锡膏效果来看，在第三次回流后出现了缩锡情况，但总体的可以较好的满足基本的两次回流贴装后波峰焊的组装工艺。

沉银表现良好，经过5次回流后润湿力下降6.24%。但沉银板在完成一次回流后变黄明显，情况与可焊性失效时发黄外观相近，易让人产生可焊性的顾虑。

沉锡与热风整平类似，随着回流次数的增加润湿力呈现梯度变化，两者均在第三次回流后出现了较大幅度的润湿力下降，分别为46.5%和55.9%，该情况下印刷锡膏后出现了缩锡情况。由于热风整平存在锡厚均匀性的问题，大焊盘缩锡更为明显。

2.2.2 烘烤老化

回流老化的条件如下，为了了解烘烤后回流焊过程中的可焊性变化情况，因而在烘烤后也追加了回流老化条件（表3）。

表3

对试样分别进行了上述的处理后，采用润湿天平测试记录了5 s润湿力值，并通过实际板印刷锡膏过炉进行了验证。同样的随着烘烤时长的增加，各表面处理的润湿性均出现了不同程度的下降。

（1）镍基底表面处理（沉金、水金）（图3）。

图3 镍基底烘烤后回流老化

基本情况和回流老化相似，另从水金的不同处理后润湿力下降情况来看，9 h烘烤的老化程度近似于一次回流的情况。

（2）铜基底表面处理（图4）。

图4 铜基底烘烤后回流老化

烘烤后下降最为显著的仍是OSP，3 h烘烤后5 s润湿力即下降87.3%，说明OSP长时间的高温处理极为敏感；同样的沉银依旧表现良好；沉锡和HASL随着老化程度的加深润湿力呈现梯度下降，以下是相应条件下印刷锡膏后的外观。

2.2.3 稳态湿热老化条件

目的湿热老化的条件如表4、图5，为了了解长时间储存后回流过程中的可焊性变化情况，因而在湿热处理后也同样追加了回流老化条件。

表4

图5 湿热老化后回流

综上，经过湿热老化后，水金、沉锡、OSP、无铅HASL的5 s润湿力均有一定的下降：

（1）水金与沉锡下降最为显著，尤其是沉锡经湿热老化后即下降39.4%；

（2）绝大多数表面处理在经过湿热处理后并未明显表现出润湿性下降，但在之后的回流处理后相比裸板直接回流所表现出的润湿性下降更为明显。

2.3 综合分析

无论是何种表面处理，其主要作用就是要保护焊接基底金属，防止焊接前的氧化等。因而不同的镀/涂层的保护能力不尽相同：

（1）水金与沉金同为镀镍金表面处理，镍作为焊接镀层由于其易氧化，因而加入金镀层给其保护。此种镀层结构失效主要来自镍迁移至金层或者镀金层不致密而产生氧化而导致可焊性不良，因而金厚便是关键点。对于水金而言，常规的工艺控制金厚为0.025 μm，而受到工艺稳定性的影响，在金厚低于控制点要求时通过能谱的线扫描功能可发现即使是金面形貌正常、未经任何异常处理的水金金面也存在星点露镍的情况。

因而水金无论在哪种老化处理后均润湿力下降明显，而金较厚的沉金未出现明显的润湿力下降；

（2）沉锡和HASL相类似，其失效主要来自锡镀层与铜基底的相互扩散作用，一方面温度使表面易于氧化，二方面镀层易发生合金化而导致实际焊接时缺少可焊的锡层而拒焊，如图6所示，锡面呈现阴影的部分为铜锡合金。

图6

合金化随着温度的升高而加剧，因而总的来说热处理温度对锡镀层可焊性的影响非常大［2］；

（3）OSP由于其涂层本身的热挥发、热稳定性限制其耐热处理性能很差，且受热处理时间越长影响越大，但可明显看出目前OSP工艺基本能保证正常的两次回流焊后的组装工艺；

（4）沉银失效来自底铜的氧化而导致可焊性不良，因而其主要影响点就在于银镀层的致密性。一般的，沉银速度非常快，形成低密度沉银层，使得银层底部的铜与空气氧很容易接触，因此铜就会和空气中氧发生氧化反应。［3］但在实验测试的老化程度范围内并未对其润湿力造成很明显的影响。

3 结论

通过上述试验对比，各种表面处理经过相应的老化处理后的可焊性差异体现明显：（1）沉金、沉银相对而言耐老化能力较强，较为适用于多次回流焊接的组装工艺；（2）水金、OSP对热处理过程敏感，应尽量减少或避免组装前的热处理；（3）沉锡、HASL对储存过程以及热处理过程均较为敏感，组装前的相应过程应受控。

［1］刘汉城，汪正平，李宁成 著. 姜岩峰，张常年 译. 电子制造技术——利用无铅无卤素和导电胶材料.北京:化学工业出版社， 2005.

［2］徐瑞东，郭忠诚，朱晓云. 化学镀锡层可焊性研究，电子工艺技术.2002.5（23）.

［3］徐欢. 沉银线体的生产实践及化银产品共性问题的分析与解决. 2007春季国际PCB技术/信息论坛会议论文， 2007.

张智畅，技术中心实验室工程师，从事失效分析工作。

Analysis of the aging resistance performance of different surface treatment

ZHANG Zhi-yang HU Meng-hai

Typically different surface treatments show not much difference in solderability， but after aging treatment such as a long storing time or a complex surface mount process， differences in solderability will be found in different treatment ways due to the difference of metal coating and structure. In this paper， through a series aging condition of realistic simulation， the differences of aging resistant performance between common treatment ways are compared with the analyses of its failure mechanisms.

Surface Treatment； Weldability； Aging

TN41

A

1009-0096（2015）11-0051-04