PCB表面涂覆层的功能和选用

林金堵

本刊名誉主编

0 前言

由于铜具有优良导电体和良好的物理性能，所以被印制电路板（PCB）选用为导电材料。但是新鲜铜表面易于氧化，遇到空气其表面极容易形成牢固而很薄的氧化层（氧化铜和氧化亚铜），这个氧化层往往造成焊接点故障而影响可靠性和使用寿命。因此，PCB的铜导体表面必须采用防氧化的保护措施，即在新鲜的铜表面采用既覆盖又耐热的可焊接性的涂（镀）层加以保护，这就是PCB表面涂（镀）覆层的由来。同时，在长期应用过程中，先后发现焊接的金-铜界面之间发生金属原子扩散，而焊料-铜界面焊接会形成“暂稳态”CuxSny的金属间互化物（IMC），它们将影响着焊接点的可靠性和使用寿命。因此开发了阻止金-铜原子扩散、防止形成“暂稳态”CuxSny的金属间互化物的“阻档层”（或称“隔离层”），这是PCB表面涂（镀）覆层的发展与进步！

1 PCB表面涂（镀）覆层

1.1 PCB表面涂（镀）覆层的必要性

为了保证PCB上焊接盘铜表面在焊接前不被氧化和污染，必须采用表面涂（镀）覆层加以保护，而表面涂（镀）覆层必须满足必要而充分的条件才能达到目的。

铜是仅次于银的优良导体和好的物理性能（如延展性等）的金属，加上储量相当丰富、成本不高，因此铜被PCB选用为导电材料。但是，铜是活泼金属，其表面是极易于氧化而形成氧化层（氧化铜和氧化亚铜），这个氧化层往往是造成焊接点故障而影响可靠性和使用寿命。据统计，PCB的使用故障70%来自于焊接点上，主要原因是：（1）由于焊盘表面污染、氧化等组成焊接不完整、虚焊等引起的；（2）由于金-铜间互为扩散形成扩散层或锡-铜间形成金属间互化物，从而引起界面疏松、脆裂等故障。所以PCB用于焊接的铜表面必须采用可焊性保护层或可焊性阻档层加以保护，才能减轻或避免发生故障问题。

1.2 PCB表面涂（镀）覆层的要求

从PCB焊盘上焊接元组件的过程和检测结果来看，对PCB焊盘上表面涂（镀）覆层的要求主要有如下五个方面。

1.2.1 耐热性

在焊接高温度下，表面涂（镀）覆层仍然能保护PCB焊盘铜表面不被氧化并使焊料进入到铜（或金属）表面而实现连接。有机的表面涂（镀）覆层的耐热性是指它的熔点和热分解（挥发）温度的性能，其熔点应与焊料（锡）的熔点接近或略低，但其热分解温度（≥350 ℃）应该远大于焊料的熔点温度和焊接温度，才能保证在焊接时铜表面不发生氧化。金属的表面镀覆层的耐热性能是不存在这个问题的。

1.2.2 覆盖性

对于有机耐热可焊性涂覆层（含助焊剂）在焊接前和焊接过程中，能够完整覆盖在铜焊盘表面上不被氧化和污染，只有在熔融焊料焊接到铜焊盘表面后才能游离开、分解挥发去、漂浮（覆盖）在焊点表面上。因此，为了保证熔融焊料完整焊接在连接盘上，熔融有机表面涂覆层的表面张力要小、分解温度要高，才能保证在焊接前和过程中有很好的覆盖能力。同时，其比重比熔融焊料（锡）要小得多，以保证熔融焊料挤压并渗透到铜表面上，所以有机表面涂覆层的覆盖性是指它在焊接温度下的表面张力、比重等的性能。而金属的表面镀覆层是在焊接时部分熔入焊料中亦或在阻档层表面上而实现连接。

1.2.3 残留物

有机耐热可焊性涂（镀）覆层的残留物是指在焊料焊接后，在焊接盘上或焊点上的残留物。一般来说，这些残留物是有害的（如有机酸类或卤化物等），应该加以去除，所以在焊接后要采用清洗措施。现在有免清洗的焊接技术，那是因为有机的表面涂（镀）覆层的焊接后残留物很少（绝大部分都已分解和挥发掉）。

1.2.4 腐蚀性

有机耐热可焊性涂（镀）覆层的腐蚀性是指在焊料焊接后对PCB表面存在着腐蚀现象，如对PCB基材表面、金属层上等发生腐蚀。这是因为在有机耐热可焊性涂（镀）覆层中或多或少都存在着卤化物或有机酸（主要是为了进一步清除铜焊盘上残留氧化物与污染物），但是这些酸性物质在焊接后存在是有害的，除了分解挥发外，不足必须进行清洗除去。

1.2.5 环保性

表面涂（镀）覆层的环保性是指：在形成涂覆层过程中产生的废水和焊接后清洗的废液应是容易处理、成本低并不污染环境的物质。

2 PCB表面涂（镀）覆层的分类

2.1 按制造技术（涂覆或镀覆）分类

按制造技术方法可分为表面涂覆层和金属表面镀覆层两大类型。

2.1.1 表面涂覆层

表面涂覆层是指在新鲜的铜连接盘表面以物理方法涂覆上既耐热又可焊的覆盖薄层。如从最早采用的天然松香类、各种人工合成的类松香物（含各种各样助焊剂）到OSP（有机可焊性保护剂）。它们主要特点是在焊接以前和焊接过程中能够保护和形成新鲜（无污染和无氧化）的铜表面提供焊料直接连接。还有热风焊料整平（HASL）也是涂覆上去的，不过它在HASL过程中便开始形成“暂稳态”CuxSny的金属间互化物（IMC），焊料是焊接在CuxSny的IMC上。

2.1.2 表面镀覆层

表面镀覆层是指在新鲜的铜连接盘表面，以化学镀或电镀方法形成既耐热又可焊的金属覆盖薄层，如电镀金、化学镀锡、化学镀银、化学镀镍-金、化学镀镍-钯-金、化学镀镍-钯、化学镀钯等。它们主要特点是在焊接以前和焊接过程中能够保护和形成新鲜（无污染和无氧化）的铜表面或金属阻档层，以保证焊料能够焊接在铜表面或阻档层表面上。

2.2 按应用效果分类

按应用（焊接）结果分类，这些表面涂（镀）覆层可分为三大类：（1）焊料焊接在无阻档层上的表面涂（镀）覆层；（2）焊料焊接在扩散层上的金属表面镀覆层；（3）焊料焊接在阻档层上的金属表面镀覆层。

2.2.1 焊料焊接在无阻档层上的表面涂（镀）覆层

这类表面涂（镀）覆层的主要特征是：在高温焊接过程中被熔融焊料挤压离开铜表面而漂浮在焊料表面或热分解或两者兼之除去，但是焊接点的连接界面处会形成暂稳态的金属间互化物（IMC），造成应用过程中发生故障隐患，如天然松香类、人工合成的类松香物（含各种各样助焊剂）、OSP（有机可焊性保护剂）、化学镀锡、化学镀银等等。

2.2.2 焊料焊接在扩散层上的表面镀覆层

为了消除暂稳态的金属间互化物（IMC），最早采用铜表面镀厚金作为表面镀覆层，但是实践和应用表明：（1）金-铜之间易于发生扩散作用，即金原子会扩散到铜结晶结构中，而铜原子也会扩散到金结晶结构里，这是由于金和铜都是面心立方晶体，而且熔点和原子半径非常相近的原因，因此扩散易于发生；（2）金-铜界面之间的扩散层易于发生内应力作用，这是由于铜热膨胀系数大于金热膨胀系数，扩散的金-铜界面的结晶结构必然会发生互为挤压的内应力引起型变而疏松、脆裂等问题，进而引起线路故障，这种情况已有过深刻而惨重的历史教训（见表1）。

2.2.3 焊料焊接在阻档层上的表面金属镀覆层

这类表面镀覆层的主要特征是：在高温焊接过程中焊料是焊接在金属阻档层表面上，而不是直接焊接在铜表面上，因此焊接点的连接界面处既不会形成非稳定的金属间互化物，又不会在金属间发生扩散作用：如电镀镍-金、化学镀镍-金、化学镀镍-钯-金、化学镀镍-钯、化学镀钯等。由于阻档层是金属的，而且全部是用化学镀或电镀方法来形成的，所以又可称为金属表面镀覆层。

3 PCB表面涂（镀）覆层的应用效果与未来

3.1 在无阻档层表面的焊料焊接会影响焊接点可靠性和使用寿命

PCB的发展和应用实践表明，它发生故障主要是来自焊接点，特别是在较长期使用或连续应用的场合。在无阻档层（或铜）表面的焊料直接焊接的故障率要远大于在铜上有阻档层表面的焊料焊接场合！研究和观察表明：焊料直接焊接在无阻档层（或铜）表面的焊接界面存在着一个“暂稳态”的金属间互化物，或者说元组件的引脚与印制板焊接盘之间的连接，是通过界面的CuxSny的金属间互化物连接在一起的，而CuxSny金属间互化物是不稳定的结构，它是发生线路焊接故障的重要根源之一。处在变化之中。这些变化会带来结构与内应力等的改变，从而破坏了焊接点结构稳定性、并造成焊接故障。对于金-铜间的扩散层也是处在“暂稳态”之中，因为金-铜之间的扩散也是时间、温度等的函数，其扩散厚度尺寸和故障率是随着时间等因素而增加着，这种不稳定和变化也会带来结构与内应力等的改变，从而破坏了焊接点结构稳定性、并造成焊接故障。

表1 金、铜和镍的某些物理性能

3.1.3 金属间互化物是应用过程发生故障的重要根源之一

3.1.1 无阻档层的焊接层会形成金属间互化物

由于无阻挡层的表面涂（镀）层的熔融焊料是直接焊接在铜表面，从而会形成多种金属间互化物（IMC），如从铜表面起逐次形成CuxSny（例：Cu3Sn2、Cu4Sn3、Cu5Sn4、Cu6Sn5等）的金属间互化物。几乎所有的有机表面涂覆保护剂、金属涂覆的HASL（热风焊料整平）和部分镀覆层（如化学镀锡、银、薄金等），在高温焊接时，焊料是直接焊接在铜或CuxSny表面上，因此都会形成上述的多种金属间互化物。

3.1.2 金属间互化物是处在“暂稳态”之中

由于形成的CuxSny金属间互化物（IMC）是处在“暂稳态”之中，因此它们会受到环境和应用条件（如温度不同、时间长短和环境条件等）而发生组成和厚度变化，即CuxSny（如：Cu3Sn2、Cu4Sn3、Cu5Sn4、Cu6Sn5等）的金属间互化物（IMC）中的各种IMC的比例是不稳定的而是

表2 形成“暂稳态”IMC的表面涂（镀）覆层特征和问题

由于各种“暂稳态”的金属间互化物（IMC）性质（如焊接性能等）的不同，从Cu3Sn2互化物是不可焊的逐步到Cu6Sn5互化物变成可焊。但若Cu3Sn2互化物变得很厚而缺少Cu6Sn5互化物时，则这样的表面涂（镀）覆层是不可焊的。如在20世纪90年代，由于热风焊料整平（HASL）涂覆焊料厚度太薄（特别是≤2 μm）时，发生过不可焊接性或虚焊等故障，因此规定热风焊料整平涂覆焊料厚度必须＞3 μm（军用应＞5 μm），同时，多次热风焊料整平涂覆是会明显增加不可焊的Cu3Sn2厚度，给焊接性能带来影响。各种涂（镀）覆层的焊接而形成“暂稳态”的金属间互化物（IMC）情况（见表2）。

总之，焊接界面处的“暂稳态”的CuxSny金属间互化物，除了即时发生不可焊接性或虚焊外，更大危害的是这种CuxSny金属间互化物（或金-铜间扩散层）是“暂稳态”的，它会随着应用场合和环境条件而变化组成引起导电故障，这种“暂稳态”往往是在三五年以后才出现加速，所以焊料焊接在铜表面（或HASL形成的CuxSny金属间互化物表面）是一种“隐患”，它不适用于长期使用和高可靠要求的领域。

3.2 焊料焊接在阻档层上将带来焊接点高的可靠性和长的使用寿命

由于金-铜界面之间互为扩散形成脆弱连接和焊料和铜界面会形成“暂稳态”的CuxSny金属间互化物（IMC）焊接层，这些都会影响着产品应用的高可靠性和长的使用寿命。为了消除或减少这些故障的发生，必须在铜与焊料之间采用阻档（隔离）层，它既能阻止金-铜原子互相扩散，又可防止产生“暂稳态”的CuxSny金属间互化物，同时它也可提供可焊性。这就是说，元组件的引脚与印制板焊接盘之间的连接是在阻档（隔离）层与焊料焊接在一起的，从而消除了金-铜互为扩散和铜-锡（来自焊料）间CuxSny的金属间互化物隐患问题。

3.2.1 以镍为“阻档层”的表面镀覆层

由于镍与铜等金属间是很难发生扩散和形成金属之间互化物（IMC）的，加上导电能力、成本等因素使镍被选为“阻档层”，从而实现使焊料焊接在“阻档层”镍表面，达到高可靠性和长寿命的目的，但是重要的是要掌握镍作为“阻档层”的主要特性和问题。

（1）镍“阻档层”的提出。

镍“阻档层”的提出是基于两大方面：①阻止铜-金之间原子扩散，早期在高可靠性领域（如飞机等）是采用镀厚金技术，焊料焊接在金层上，但实践应用和发生故障教训表明：由于焊接盘上铜与金之间引起持续扩散造成内应力变大而疏松、断裂或开路，因此提出和采用阻档（隔离）层的路径。由于金属镍的结构、特性和成本等因素而最早被选用为“阻档层”，用来阻档或隔离铜-金之间的扩散；②阻止铜与焊料的锡形成CuxSny的金属间互化物，由于CuxSny的金属间互化物是个变化的“暂稳态”的，存在着不可焊性、内应力和脆裂等问题。所以采用镍“阻档层”都可以达到上述两个方面的目的，从而达到提高焊接点的可靠性和使用寿命。

（2）镀镍的“阻档层”的主要特征。

金属镍是面心立方结晶结构，与铜、金相同结晶结构，但镍的熔点高的多且结构稳定（参见表1），所以镍与铜、金之间不会发生扩散作用，可选用为“阻档层”。其主要特征：①沉积的镍为片状结构，易于形成空隙，因此要增加厚度来减少空隙，必须≥3 μm；②镍表面易于氧化，并能形成致密而牢固的氧化膜，影响焊接性能，必须采用防氧化措施。最早采用镀薄金方法，目的是填塞镍的空隙和覆盖表面防氧化，这也是镀镍-金的由来。

（3）镀镍“阻档层”的主要问题。

镀镍“阻档层”的主要问题有：①空隙率大，由于镀镍的结晶结构是片状的，易形成大的空隙率，为了减少空隙率，只好增加镍的沉积厚度，在目前，一般要≥3 μm（军用等领域要≥5 μm）；②易氧化而形成牢固致密的氧化膜，要有防氧化措施。因此，在镀镍时必须采用填隙和防氧化方法，过去多采用镀金来填隙和防氧化，目前已采用更好的镀钯方法。

3.2.2 镍-金为“阻档层”的表面镀覆层

从上述得知，镀镍“阻档层”需要填隙和防氧化的措施，本节介绍以沉金进行填隙和防氧化的特点和问题。

（1）沉金的作用。

在镀镍“隔离层”进行沉金主要起着三个作用：①挤走镍层中空隙的镀液并填塞（满）形成无空隙的镍层；②在镍层表面上沉积极薄的金层防止镍表面氧化，形成可焊性保护层，所以沉金的作用是对镀镍“阻档层”进行填隙和防氧化：③外表美观作用，显然它是次要的。

（2）镍-金“阻档层”的缺陷。

在制造镍-金“阻档层”过程中主要存在：①由于金原子半径（晶粒）大，填塞空隙致密性差，覆盖厚度要大，除了填塞空隙外，镀金厚度≥0.03 μm；②沉金厚度不足（特别是≤0.03 μm时），会导致镍层中填隙不足、镍表面覆盖不全，从而引起镍-金“阻档层”上形成“黑班”和焊接故障（焊点不牢或不全等）；③金-铜间扩散仍然可在填塞间和不全的空隙中进行，尽管机率不高但仍存在着隐患。

（3）沉金厚度的控制。

在焊料焊接时，薄金层被熔入焊料中而显露出镍表面，使焊料焊接在镍表面上，而镀金的厚度过大反而是有害的，因此沉金的厚度要控制：①从镍层中填塞空隙和镍表面覆盖的保证上，金的厚度应控制在≥0.03 μm；②在焊接时，金会熔入焊料中，但焊接点中的金含量≥3%（重量比），从安全角度计算，金的厚度应控制在≤0.15 μm，因此沉金的厚度最好是控制在0.03 ～0.15 μm之间。

3.2.3 镍-钯-金为“隔离层”的表面镀覆层

由于钯的原子半径很小、熔点又高等性能（见表1）决定了今后将用钯取代金的作用。

（1）沉钯的作用。

沉钯的作用优于沉金作用：①填塞镍层中的空隙并更致密；②覆盖镍表面防氧化更致密牢固，还可共同形成“阻档层”作用；③不与铜发生扩散作用和难熔于焊料里；④减少镍的沉积厚度（如镍的厚度可小到1 μm）、使阻挡层更薄而致密，甚至不用镍打底而在铜上直接镀钯，这对于高频信号（阻抗控制）传输是非常有利的。

（2）沉钯的优势。

由于钯的粒径远小于金的粒径（大约为1/80，见表1），在晶格中稳定，不会与铜发生扩散作用，因此镍层中填塞空隙和表面覆盖致密，钯又是很理想的阻档层、孔焊性好。同时，钯的熔点远高于金或铜，在焊料焊接时钯熔入焊料中仅为金的1/65。即使熔入焊料时也浮在焊料表面而保护焊料，不像金熔入焊料后会形成金-锡化合物并会影响焊接点可靠性，所以从目前看来，钯取代金在镍层中填塞空隙和表面覆盖是最佳的选择。在镍-钯为“阻档层”上再沉金的唯一目的是外表美观问题，因此沉金的厚度可尽量地薄了，因为它不影响焊接问题，此时的焊料焊接是在镍-钯层（与钯厚度有关，严格而言是在钯表面）上。

3.2.4 镍-钯为“阻档层”的表面镀覆层

从前面所述得知，由于钯的原子半径极小、熔点高，加上化学沉钯的结构非常稳定，既不会发生扩散又难于形成金属间互化物（IMC），既是填塞镍层孔隙理想材料，又是起保护镍表面和阻档层作用。但由于沉积在镍表面的钯呈灰白色，给人印象是不美观。目前已开发出光亮的化学镀镍-钯（同一镀液）表面镀覆层。但必须验证是镍-钯合金结构还是混合沉积结构，如果是后者，可能意味着光亮镍显露在表面并易氧化，这会影响可焊性等性能。

3.2.5 钯为“阻档层”的表面镀覆层

以钯为“阻档层”的表面镀覆层的主要优点（见表1）：①钯熔点高、粒径小，形成的结晶结构极稳定，既难于与其它金属之间发生扩散作用，又不与铜和焊料等形成金属间互化物（IMC），因此可以形成稳定的“阻档层”作用；②钯的粒径很小，在沉积很薄的钯就可形成致密而牢固的覆盖层，其厚度在0.1 μm左右就可以达到“阻档层”的表面镀覆层的目的；③钯是惰性金属，熔点很高并难熔于焊料中，可焊性又好，因此是很理想的“阻档层”。由于钯的这些突出优点，将决定着以钯为“阻档层”的表面镀覆层的发展未来。

3.3 表面涂（镀）覆层的选择

PCB表面涂（镀）覆层是印制板制造的重要组成部分，它关系到PCB的可焊性、可靠性和使用寿命，必须给以充分重视，特别是要根据应用情况和应用领域进行认真判断而加以选用。

充分理解表面涂（镀）覆层的类型和应用效果以及概况（见表3），并按照应用要求和应用领域进行选用。

由于各种表面涂（镀）覆层的的特性和应用效果是不同的，因此要根据应用要求和应用领域来进行选用，不能以制造难度和成本上为依据。一般原则：（1）对于民用工业、常规工业等，选用在无“阻档层”上焊接的表面涂（镀）覆层的类型的产品，如选用高温型的有机可焊性保护剂（T-OSP）等；

表3 表面涂（镀）覆层的类型和应用效果。

（2）对于高可靠性和长使用寿命和关键部门装备、设施、仪器等的应用领域，如医疗设备仪器、交通（高铁、汽车等）、国防军事装备、航空航天的装备仪器等重要领域，应选用在“阻档层”上焊接的表面镀覆层的类型的产品，至少要采用化学镀镍-金的表面镀覆层，当然最好是选用化学镀镍-钯-金、化学镀镍-钯或化学镀钯的表面镀覆层。