PCB浸镀银工艺之常见缺陷和改善方法

    摘要 | 本文检讨浸镀银发生缺失的根本原因，并通过制程最佳化的做法而令浸镀银的各种不良现象得以排除。

　　一、前言

　　由于浸镀银用于PCB可焊性皮膜的成功实绩越来越多，因而从多家PCB厂与下游组装的量产中，较易取得极多的宝贵资料。本文中各项量产资料的收集是 始自2005年7月，现场是来自数家亚洲区采用浸镀银的量厂大厂。其产品多属HDI式密集线路的先进PCB类，其所能容易的不良率已压低到数量的PPm而已。本文研究的主要目标是在于浸镀银被退货与失效等实务案例，也就是集中检讨PCB与下游组装两大量产领域中所发生的各种不良失效现象。

　　二、案例调查

　　所访查的对象是来自64家PCB厂及29家组装客户共93个参与的业者，从其失效或被拒收板类中，可归纳出有关浸银皮膜的六个主要缺失，下表1中即按其重要性而对其失效内容加以分类。

表1 浸镀银量产中容易出现失效模式之统计

　　若从各种缺点所造成成本损失的观点来看，无疑的是焊点中微空洞缺点所占的比例最高。由于密装板上零件太多太密已无从进行返修，多半拒收的高额损失是发生在组装工厂中。其中客户端尚未组装前，进料检验发现微洞问题而遭剔退者只有8件。至于焊锡性问题方面则PCB厂全无不良纪录，组装厂也只有3件疑似者，而且仔细追究之下发现竟然是误叛为浸银之焊锡性不良。事实上此一特殊案例是出自一种厚多层板高纵横比（HAR）的某些深孔中，波焊后发现上锡性不佳的半高孔壁虎，竟然直接与内层大地铜层相连接，以致在波焊中涌锡升起的瞬间，该接地处大量失热导致锡波的冷却固化所致，根本不是浸银皮膜的焊接问题。此种失效经过多次不同考试板的试验，甚至客户更改互连设计的反复验证后，终于证明完全与浸银皮膜无关。纯就此一假性焊锡性问题，当然也就无需对浸镀银做任何改变了。

　　三、根本原因的分析

　　3.1贾凡尼咬铜（Galvanic Attack）

　　经过多次根本原因的追究，上述各项失效案例的确已大幅减少。不过对于贾凡尼效应的铜腐蚀问题则始终未能根绝，其原因是板面绿漆边缘与立体铜线间一向存在着较多的细缝（Crevice）,于是在浸镀银的湿制程中会使得银液在毛细作用下不断渗入细缝内，再加上后清洗难竟全功之下，造成银离子与铜金属之间发生了贾凡尼电化学电池式的腐蚀反应。事实上唯有当铜金属被腐蚀成为铜离子而释出电子时，银离子才能产生沉积反应。这种无从避免的麻烦也与银层厚度（浸镀时间）有关，愈厚当然就越不好。

　　上述板面绿漆与铜导线之间所存在细缝的问题，其背后的真正原因则是感光绿漆施工中,其皮膜本身已发生侧蚀甚至过度显像的异常，以致未能完全紧贴在铜导线的两侧面或附着性不佳所致。此外深孔中央银层太薄或绿漆下铜面上已出现较深的刮痕者，都将会出现贾凡尼式咬铜的麻烦。

　　3.2银面变色（Tarnish）

　　银面变色变脏与空气中的氧与硫有关，一旦银面与硫接触时将会形成黄色的Ag2S硫化银薄膜，若继续接触中将会逐渐变到棕黑色。此种硫污染的来源可能出自不洁空气中的污染，或来自看似无害的包装用纸类。至于氧气则除了空气之外，底铜表面氧化已存在的Cu2O与CuO等薄膜，其中的氧将可能转移到银层中。且对快速沉积厚度很薄、结构松散又具多孔性的浸银层而言，又将让底铜大有机会继续与空气接触而再行氧化。为了防堵此漏洞起见，势必要加厚银镀层以阻止其晶界（Grain Boundary）的漏气。然而加厚银层不但会使成本上升，而且细缝中的贾凡尼咬铜效应也将更为之恶化。且在离子污染增多后其焊锡性亦将变差，甚至出现焊点微洞与变脆等问题（见下页图3）。

　　3.3局部露铜

　　此种缺失与浸银制程本身有关，经常在完成浸银工序后即可发现。其原因是铜面上在前处理流程中可能已附着了一层阻碍反应的薄膜，致使铜与银之间无法发生置换反应。此膜一旦微蚀不掉时将会阻止铜的释出电子行为，而无法让银层产生沉积反应。此外浸银槽液的机械搅拌也会产生一些不同的效果，加以生产板类在几何外形上的差异，使得不同区域受到药水的冲刷效果也有所不同，以致让浸渡银层的厚度也出现不够均匀的现象，太薄区域看起来就会出现镀不上银而露铜的现象。

      3.4离子污染

　　经过湿制程后板面上可能残留的各种离子，都将会对PCB的电性功能造成不良影响。此等烦恼多半出自银层表面附着药水的不易清洗，甚至在绿漆表面也会残留已老化的槽液。浸镀银的配方中经常会加入一些有机物，因而也可能会随伴发生一些有机皮膜等额外异物的附着，进而造成后段清洗的困难。通常补充银消耗的做法是采用专用的补给药水，而此等药水是将金属银配制成为“有机银的络合物”（Organic Silver Complexes），一旦银金属用掉后将剩下颇多量的有机物，当然就会使得后段清洗越发困难了。

　　3.5微洞现象（Microvoids）

　　浸银层在下游焊接中所发生的焊点微洞，直径大多不足Imil，且多数聚集在焊点与承垫IMC以上的介面处，是一种全面分布性空泡式的众多小空洞，对焊点强度会出现一种“破坏性的效应”（Devastating Effect）

　　此种介面性微空洞不但在PCB浸镀银的焊接中出现，也会发生在OSP与ENIG等皮膜之焊接中，其根本原因到目前为此尚未彻底搞清楚。不过也找到某些确定的相关成因，例如厚度加厚者微空洞也较多（尤其当厚度超过15μin者），然而某些配方也未必全然如此。此外底铜面的粗糙度也是原因之一，通常愈粗愈糟。且还发现与配方中的有机物含量与成份有关，某些有机物则容易伴随银金属产生共镀而存在于皮膜中。不过这种假设性的理论，曾经通过某些品牌商（OEM）、代工组装业者（EMS）、PCB业者，与药水供应商等，所共同组成联盟的多次合作研究，竟然没有一次模拟成功，当然也就无法将微洞彻底予以排除了（见下页图4）。

  　四、各种预防方法

　　上述五项常见的浸镀银缺点经由药水商与设备商以及PCB等现场之解困研究，现已找出某些预防与改善的办法，可提供PCB业者解决问题与提升良率，现分述于下：

　　4.1贾凡尼咬铜

　　此问题须上溯到电镀铜制程，发现凡对象为高厚径比的深孔镀铜与盲孔镀铜之案例，若能提供其铜厚分布更均匀者，将可减少此种贾凡尼咬铜现象。且PCB制程中金属阻剂（例如纯锡层）的剥除与蚀刻铜等，一旦出现过度蚀刻而存在侧蚀现象者，亦可能会产生细缝而藏有电镀液与微蚀液。

　　事实上贾凡尼问题最大的来源就是绿漆工程，其中以绿漆现象所造成的侧蚀与皮膜浮雕最容易造成细缝。凡能让绿漆现象出现正性的残足而非负性的侧蚀，并在绿漆彻底后硬化之下，则此种贾凡尼的咬铜之缺失将可予以排除。至于电镀铜的操作务必在强烈的搅拌中让深孔中电镀铜更为均匀，此时还需用利用超音波与强流器（Eductor）的帮忙搅拌，以改善槽液的质传与铜厚的分布。至于浸镀银的本身制程，则需严格管制其前段的微蚀咬铜率，平滑的铜面亦可减少绿漆后细缝的存在。最后是银槽本身不可出现太强的咬铜反应，PH值以中性为宜，且镀着速率也不可太快，最好在厚度上要尽量的剪薄，而于最佳化之银结晶之下才能做好抗变色的功能。

　　4.2变色的改善

　　其改善方法是增加镀层密度与减少其疏孔度（Porosity），包装产品务必采用无硫纸并加以密封，以隔绝掉空气中的氧气与硫份，进而降低其变色的来源。且储存区环境的气温不宜超过30℃，湿度须低于40%RH，最好采行先进先用的政策，避免存放太久而产生问题。

　　4.3银面露铜的改善

　　浸镀银之前的各种流程均需小心管控，例如微蚀铜面后注意其“水破”的检测（Water Break指拒水性）与特别亮铜点的观察，此皆表示铜面可能存在某些异物。微蚀良好的干净铜面，其直立状态须保持40秒内不可发生水破现象。连线设备亦应定期保养，以维持其水性的均匀性，如此方能得到较均匀的镀银层。操作中还需不断对浸镀铜时间、液温、搅拌，与孔径大小等进行DOE实验计划之试验，以取得最佳品质的镀银层、且对于具有深孔的厚板以及HDI微盲孔板的浸镀银制程，也可另采用超音波与强流器的外力协助，以改善银层的分布。此等槽液的额外强力搅拌，确可改善深孔与盲孔中的药水润湿与交换的能力，对于整个湿制程都有莫大的帮助。

　　4.4板面离子污染的改善

　　若能将浸镀银槽液的离子浓度，在不妨碍镀层品质而予以降低时，则板面所带出而附着的离子自然得以减量。完成浸镀后的清洁中，其干燥前务必还要经过纯水的漂洗1分钟以上，以减少附着的离子。而且对于完工板也还要定时检验其清洁度，务必让板面的残余离子量减到最低而能合业界的规范。所做过的试验均应保存其记录，以备不时之需。

　　4.5焊点微洞的改善

　　介面微洞仍是目前浸镀银最难改善的缺点，因为其真正的成因至今仍未真相大白，但至少某些相关的原因已可确定。于是在尽量减少其关连性因素的发生下，当然也可减少下游焊接微洞的发生。

　　相关因素中又以银层厚度最为关建，务须将银层厚度尽可能的减低。其次是前处理的微蚀不可让铜面太过粗糙，而银厚度分布的均匀性也是重点之一。至于银层中的有机物含量，则可能从多点取样银层纯度分析中而反向得知，其中纯银含量不可低于90%之原子比。

　五、AIPha STAR的管理

　　电子业自2006.7.1无铅接正式上路以后，上下游各种制程不但要研究最佳化的“理想制程”（Ideal process），而且还要符合安全、环保与可靠度等多项要求。Enthone公司自从1994年在PCB业推出具有专利的浸镀银（沉银）制程后，目前已进展到第三代的浸镀银工艺，也就是商品名称的Alpha STAR。此商用流程共有7个制程站，后三站都是水洗。现将其对用户可呈现的特点与好处说明于后。

　　前处理共有四站；即铜面的适况处理（Conditioner）、水洗、微蚀及水洗。适况处理可将铜面的表面张力予以降低，此制程对于板上任何铜面均可进行良好的处理，包括深孔中的铜孔壁与盲孔底的铜面。至于微蚀槽的独特配方则可在铜面上产生微粗糙的形貌，欲仍具有半光亮的外观。此等微蚀后的细腻铜面结构，可让所沉积的银层也随之细晶化。于是在细晶组织中不但可得到高密度无疏孔性的镀银层，而且厚度还不需太厚，如此将在防变色方面亦可获得很大的改善。

　　至于沉银方面则又分为：预浸（Prechip）、浸镀银、以及后段的纯水清洗。预浸槽的功能有三，即本身当成前阵的牺牲打，以减少对主银槽所带进铜份与微蚀的污染，并减少其他外物的危害。其次是将铜面再度做好清洁处理以完成置换反应的准备工作。由于预银槽的配方与作业条件与主银槽相同（只有银含量上的差别），故进入主槽的板子并不会对主槽造成冲淡的效果。主槽沉银反应中消耗的只有银离子，而有机物的变化则以带出者居多。于是在带入与带出两者得以平衡下，主银槽中不断补充银份的消耗时，其无效的有机物将不致累积太多。

　　六、银层的结构

　　由于浸银层是出自银离子与铜面的置换反应，其铜面微蚀后所具有的微粗糙形貌，将可使得慢速沉积的起始银层更为均匀，且慢速镀银亦可使其银晶粒结构更为结实与紧密。此种附着紧密的银层厚度约在6~12μin 之间，一般尚无法达到完全防变色的地步。主银槽的化学性质非常稳定，量产可达好几十次的MTO（Metal Turn-Over）才需换槽，并且对于光线也不再敏感。而且停机时间也大幅降低，通常只要厚度到达4μin以上时，即将不再出现疏孔。板面的离子污染也很低，所用设备的成本也很平价。

　　七、结论

　　因应无铅焊接全球PCB业对表面处理的期望，为求面对焊锡性、可靠度、安全性等更严格的要求起见，全新研发的商用制程Alpha STAR将可达到各种实用性的目标。此新制程并还能符合RoHS及WEEE法规层面的要求与无铅焊接的具体规格。