化學銀剝離問題探究及改善

羅喜生 張 建 邢玉偉

（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

1 前言

目前，PCB行業(yè)常見的表面處理工藝有：熱風整平（HASL）、化學鎳金（ENIG）、有機可焊性保護劑（OSP）、化學錫（Immersion Tin Sn）和化學銀（Immersion Silver Ag）?；瘜W銀具有優(yōu)良的可焊性，潤濕速度快，涂層表面平整度高，適合BGA、FC、COB等組裝技術(shù)，且由于銀兼有優(yōu)良的導電性能及低成本，在PCB中越來越受到青睞。

化學銀工藝原理[1]主要是利用銀和銅之間的電位差，促使銅和銀離子自發(fā)的發(fā)生置換反應，從而在銅面上涂覆銀層：

2 問題背景

由于銀離子本身特性，銀容易與空氣中硫、鹵素結(jié)合變色（黑色、黃色），另外，化學銀工藝中存在的賈凡尼效應也是不容忽視的問題，而本文針對化學銀比較少見的缺陷，化學銀剝離（圖1）進行相關(guān)探究并提出相應的改善方法

公司生產(chǎn)的沉銀板檢測發(fā)現(xiàn)有銀剝離露銅現(xiàn)象，測試剝離比例高達21/21=100%，剝離表觀如圖1。

圖1 銀剝離表觀圖

通過化學銀剝離表觀分析：（1）化學銀剝離區(qū)域呈片狀或是星點狀；（2）化學銀剝離露銅位置的銅面表觀呈現(xiàn)顆粒狀。

3 化學銀剝離影響因素

化學銀剝離是化學銀工藝中比較少見的缺陷，魚骨圖分析如圖2。

圖2 化學銀剝離魚骨圖

從圖2化學銀剝離魚骨圖分析可得出：銀厚影響：由于沉銀過程沉積速率快，鍍銀層厚度太厚，沉積的銀層比較疏松， Ag-Ag層結(jié)合力不佳，導致銀剝離，表現(xiàn)為Ag-Ag剝離，但不會露銅。

藥水異常影響：（1）微蝕藥水濃度異常，微蝕量小，銅面油污、氧化物未去除干凈使Cu-Ag結(jié)合力差；（2）預浸缸銀離子濃度較高（超過工藝控制范圍），預浸缸作用之一是保護銀缸，同時在銅面緩慢沉積形成致密的銀層，如果預浸缸銀離子濃度偏高，預浸缸銀沉積速率加快，使Cu-Ag結(jié)合力差導致銀剝離，表現(xiàn)為Ag-Cu剝離、露銅。

生產(chǎn)線影響：預浸、沉銀傳送/壓轆污染，在銀沉積過程中，銀層中帶入雜質(zhì)，銀面表觀呈現(xiàn)發(fā)黑，銀面污染及發(fā)黑位置出現(xiàn)銀剝離露銅，其它正常銀面無剝離。

銅面雜物影響：由于來板銅面氧化物、雜物等在沉銀前處理正常微蝕不能去除，使得Cu-Ag結(jié)合力差導致剝離。

來板銅面影響：銅面粗糙度較大，銅面存在凹痕，由于藥水的表面張力及沉積速率影響，使Cu-Ag結(jié)合位置存在空洞且結(jié)合的區(qū)域較少，使得Cu-Ag結(jié)合力降低導致銀面剝離。

4 化學銀剝離原因分析

4.1 銀厚影響

4.1.1 銀厚測試結(jié)果

對出現(xiàn)化學銀剝離位置的銀厚進行測試，銀厚測試結(jié)果如表1。

表1 剝離位置銀厚測試結(jié)果

銀厚控制要求為PAD[（1.5 mm×1.5 mm）～（3 mm×3 mm）]滿足0.15 μm ～ 0.45 μm，從表1剝離位置銀厚測試結(jié)果來看，標準測試焊盤銀厚均滿足控制要求，未發(fā)現(xiàn)銀厚超上限控制標準。

4.1.2 試驗驗證

以其它報廢板試驗銀厚對化學銀剝離的影響，通過提高沉銀溫度及提高銀離子濃度，加快沉銀沉積速率，并得到不同厚度的銀厚，3M膠帶測試有無剝離，以驗證銀厚對化學銀剝離的影響，試驗結(jié)果見表2。

表2 銀厚及銀剝離測試結(jié)果

從表2試驗結(jié)果可以看出，銀厚超出要求范圍（0.15 μm ～ 0.45 μm），最大銀厚達到了2.24 μm，測試均未發(fā)現(xiàn)銀剝離。

結(jié)合表1測試剝離位置銀厚正常，因此，可以排除銀厚原因?qū)е禄瘜W銀剝離。

4.2 藥水影響

實際檢測藥水濃度及生產(chǎn)線上關(guān)鍵參數(shù)（表3）。

表3 沉銀線藥水生產(chǎn)參數(shù)

從表3沉銀線藥水測試結(jié)果看，各項藥水濃度、溫度等均在工藝控制范圍內(nèi)，無異常。

為排除預浸缸銀離子濃度對銀剝離的影響，設計對比試驗及結(jié)果如表4。

表4 預浸缸銀離子影響試驗

從表4試驗結(jié)果可看出，當預浸缸銀離子濃度遠超于控制上限（要求預浸缸銀離子≤8.5×10-6，試驗預浸缸銀離子濃度1000×10-6），以其它型號板試板，均未發(fā)現(xiàn)化學銀剝離，結(jié)合表3藥水監(jiān)控結(jié)果和表4預浸缸銀離子影響試驗，可以排除藥水異常原因?qū)е裸y剝離。

4.3 生產(chǎn)線設備影響

4.3.1 EDX分析

對銀剝離位置的銀面進行EDX分析，以確認銀層沉積過程是否帶入異物導致銀剝離，EDX分析結(jié)果如表5。

表5 銀剝離位置銀面EDX分析

從表5中剝離位置銀面EDX分析結(jié)果看，Ag層未發(fā)現(xiàn)異常雜質(zhì)元素。

4.3.2 試驗驗證

為排除1#沉銀生產(chǎn)線如傳送、壓轆污染等導致銀剝離，設計試驗及結(jié)果如表6。

表6 生產(chǎn)線排查試驗方案及結(jié)果

從表5的EDX分析結(jié)果及表6試驗中可看出：（1）剝離位置銀層未發(fā)現(xiàn)有其它雜質(zhì)元素；（2）通過1、2、3#沉銀線試板和試驗6不同生產(chǎn)板的對比試驗， 可得出1#、2#及3#沉銀線設備及傳送無異常；（3）通過試驗4和試驗5，全手動試驗沉銀和預浸、沉銀及后續(xù)水洗缸保養(yǎng)后試板，此型號生產(chǎn)板依然存在100%銀剝離，此可以排除沉銀線設備的影響。

從以上分析中可排除生產(chǎn)線設備導致化學銀剝離。

4.4 銅面雜物影響

4.4.1 銅面SEM及EDX分析

為排查銅面雜物導致化學銀剝離，對化學銀剝離露銅位置的銅面、未微蝕及沉銀微蝕后的銅面進行SEM及EDX分析，結(jié)果如表7。

表7 銅面SEM及EDX分析

通過表7分析結(jié)果：（1）從銀剝離露銅位置的銅面SEM可看出，銀剝離露銅位置銅面為蜂窩狀，銅面存在大量的空洞，但未發(fā)現(xiàn)有雜質(zhì)元素；（2）化學銀微蝕前、后銅面，均未發(fā)現(xiàn)異常雜質(zhì)元素。

4.4.2 試驗驗證

為排查銅面雜物對化學銀剝離的影響，設計試驗及結(jié)果如表8。

表8 銅面雜物排查試驗方案及結(jié)果

從表8試驗設計及及結(jié)果可以看出：通過提高微蝕量及磨板、噴砂等前處理，沉銀后依然存在化學銀剝離，且無明顯改善，結(jié)合表7中銅面EDX分析結(jié)果，可以排除銅面雜物導致銀剝離。

4.5 銅面粗糙度影響

4.5.1 銅面垂直切片分析

對出現(xiàn)化學銀剝離的生產(chǎn)板和其它沉銀生產(chǎn)板銅面垂直切片進行比較，結(jié)果如表9。

表9 銅面粗糙垂直切片圖及試板

從表9不同生產(chǎn)板的銅面垂直切片圖及試板結(jié)果看，可看出：從銅面垂直切片看，正常沉銀板銅面最大凹痕1.6 μm；銀剝離生產(chǎn)板銅面最大凹痕深度24.37 μm，由于沉銀藥水的表面張力影響，Cu-Ag結(jié)合位置有存在空洞風險，且結(jié)合的區(qū)域較少使得Cu-Ag結(jié)合力降低導致銀剝離。

4.5.2 試驗驗證

為驗證銅面粗糙度對銀剝離的影響，對不同銅面進行粗化處理，提高銅面粗糙度，以驗證銅面粗糙度是否會導致銀剝離。

（1）銅面SEM表觀及垂直切片

以不同狀態(tài)的銅面中粗化后，通過SEM及垂直切片分析與正常銅面進行比較，如表10。

由表10 SEM圖和圖3垂直切片銅面凹痕可看出：

①芯板銅面經(jīng)中粗化后，銅面微觀結(jié)構(gòu)變化不大，從銅面垂直切片，正常銅面凹痕深度2.5 μm，中粗化后銅面凹痕深度3.55 μm；②而電鍍銅面，經(jīng)中粗化后，SEM顯示銅面呈蜂窩狀排列，且蜂窩狀明顯增多；正常銅面的凹痕深度最大2.58 μm，經(jīng)中粗

?

圖3 銅面凹痕比較

表10 正常銅面及粗化銅面比較化后銅面最深凹痕達到7.63 μm，可以看出經(jīng)中粗化后銅面凹痕深度增大。

（2）銅面粗糙度測試

以粗糙度儀對不同流程段、同一位置的銅面中粗化前、后進行粗糙度測試，測試數(shù)據(jù)及結(jié)果如表11。

表11 銅面粗糙度測試結(jié)果

圖4 銅面粗糙度

從表11和圖4粗糙度測試數(shù)據(jù)，中粗化前、后銅面粗糙度測試對比結(jié)果可看出，經(jīng)中粗化處理后銅面粗糙度（Ra和Ry）均不同程度變大。

（3）試驗方案及結(jié)果

設計銅面粗糙度對銀剝離影響試驗，試驗方案及結(jié)果如表12。

表12 粗糙度試驗方案及結(jié)果

從表12試板結(jié)果可看出：

①所有未經(jīng)過中粗化的銅面，正常沉銀后，均未出現(xiàn)銀剝離現(xiàn)象；②芯板銅面經(jīng)中粗化后，沉銀后未出現(xiàn)銀剝離，而電鍍的銅面，經(jīng)中粗化處理后，沉銀后出現(xiàn)了銀剝離，且剝離表觀和缺陷類似；

通過試驗驗證，并結(jié)合表11銅面粗糙度測試，電鍍形成的銅面粗糙度大會導致化學銀剝離。

（4）改善方法

從試驗中得出，電鍍形成的銅面粗糙度增大會導致銀剝離，為進一步驗證銅面粗糙度增大導致銀剝離，對剝離型號板進行陶瓷磨板，降低銅面粗糙度，然后正常沉銀，試驗及結(jié)果如表13。

表13 改善試驗方案及結(jié)果

圖5 陶瓷磨板后銅面凹痕

從圖5陶瓷磨板后銅面凹痕及表13改善試驗結(jié)果可看出：①從銅面SEM，正常銅面空洞較多，經(jīng)陶瓷磨板后銅面空洞明顯減少，且銅面較為平整；②從銅面垂直切片可發(fā)現(xiàn)，未陶瓷磨板銅面最大凹痕15.88 μm，一次陶瓷磨板后銅面最大凹痕降至7.17 μm，二次陶瓷磨板后銅面最大凹痕降至4.39 μm，可見，陶瓷磨板降低銅面凹痕，使得銅面更加平整；③從試板結(jié)果看，未磨板化學銀剝離比例高達100%，一次磨板后化學銀剝離比例為20%，二次陶瓷磨板后無剝離，可見，通過降低銅面粗糙，能改善化學銀剝離。

通過表12的試驗，并結(jié)合表13的改善試驗結(jié)果驗證，此次化學銀剝離原因為：銅面粗糙度大導致了化學銀剝離，由于銅面粗糙度大，由于藥水的表面張力及沉積速率影響，在銅面凹痕處，Cu-Ag結(jié)合位置存在空洞且結(jié)合的區(qū)域較少，使得Cu-Ag結(jié)合力降低導致化學銀剝離。

5 結(jié)論

（1）此次化學銀剝離與沉銀藥水、生產(chǎn)線設備傳送壓轆污染、銅面雜物無關(guān)；

（2）導致此次銀剝離的主要原因為來板銅面粗糙度較大，從銅面垂直切片來看，銅面凹痕多且深度較大，銅面最大凹痕深度最大達24.37 μm，由于藥水的表面張力及沉積速率影響，在銅面凹痕處，Cu-Ag結(jié)合位置存在空洞且結(jié)合的區(qū)域較少，使得Cu-Ag結(jié)合力降低導致化學銀剝離。

6 改善及建議

（1）在沉銅加厚銅后增加磨板流程，保持電鍍銅前銅面平整性，銅面無凹點等缺陷；

（2）維持電鍍銅中銅缸藥水穩(wěn)定性，保持光劑及氯離子等參數(shù)穩(wěn)定，過濾棉芯（過濾芯：1次/3周；碳芯：1次/6周）定期更換保養(yǎng)，以防止電鍍銅面凹痕、粗糙度大；

（3）維護沉銀藥水日常穩(wěn)定，對傳送、壓轆定期進行保養(yǎng)，過濾棉芯定期更換；

（4）對于特殊板材，如特氟龍板材，綠油前處理需使用超粗化處理，由于中粗化/超粗化后銅面粗糙增大會存在較大的銀剝離風險，此類板材建議使用除沉銀外的其它表面處理方式。

[1]駱玉祥, 龔永林, 袁繼旺. 印制板電鍍與涂覆技術(shù)[M].印制電路信息, 2008.