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无氰镀金能否成为PCB表面处理工艺的可行方案?

时间:2020-02-06 19:11 来源:未知 作者:admin

  随着人类环保意识日益增强,有害产品或工艺的使用逐渐受到限制或被禁用,成为暂时情况下不太理想的选择。在开放的工艺槽中使用氰化物,例如氰化镀金在很多国家已经被认定为安全隐患。无氰镀金液被认为是首选的环保方案。

  本文将无氰镀金液与不同的化学镀镍液结合进行测试,特别是中等含磷量的化学镀镍(MP)和高含磷量的★-●=•▽化学镀镍(HP)。所有测试结果都会与行业中有代表性的氰化镀◆▼金基准进行比对。

  本文选用了两种不同类型的镍,以代表▲●…△不同的生产环境。中磷镍非常成熟,占据主导地位,加之人们○▲-•■□对高磷镍和“黑盘”之间关系的认知牢牢稳固了中磷镍现有的市场地位。但目前根据新发布的IPC-4552A耐腐蚀标准要求,高磷镍被视为是符合该项标准要求的有力竞争方案。不仅颠覆了人们以往对它的负面认知,还证明了高磷镍对于耐腐蚀性要求高的HDI生产而言是一种真正可行的方案。经验已经证明,只具备环保方面的优势并不足以构成向极度保▲★-●守的最终表面涂层生产领域引入新工艺的理由。本文将经过一种含有新型无氰基体的镀金工艺与传统镀金工艺后的可焊性进行了对比。这种无氰镀金液不仅和中磷镍化学镀镍上使用的主流功能性表面涂层——氰化物镀金液效果一样好,而且在盖覆高磷镍镍层时,这种无氰镀金液比氰化物镀金液有更好的性能和更长的使用寿命。如今,几家大型移动设备OEM都支持使用高磷镍镍工艺。

  评估包括冷球拉力测◇•■★▼试(CBP)、球剪切测试(BS)、专有、公司内部可焊性测试(焊料指标和焊料延展性)以及润湿平衡测试。

  本文旨在阐明•●在对技术要求严苛、历来持保守态度的生产环境下,无氰镀金液所具备的技术优势。

  近年来,电子行业内最重要的讨论主题一直是板面可用空间减小的压力对线宽、线距的影响。但这背后隐藏着一个非常现实的问题,忽视并不能让问题消失——这就是环保压力。

  中国政府相关部门一直坚持氰化物使用许可证机制。但2015年8月在天津发生一起因化学品引发的大爆炸,让政府监管机构对生产过程中氰化物的使用变得更加敏感。这一举措促使中国PCB制造商纷纷向供应商寻求一种效果相当的无氰镀金液(CNF Au)。

  烧杯测试有可能会得出毫无代表性的测试结果。为了确保所产生数据的相关性,会在必要时采用统计工具。

  尽管本文的主要动力是进行一种基准比对测试,但由于应用的复杂性,需要根据公司自身情况考虑研究中的一些要素。

  在现场操作中,化学镀镍液通常会与互补的镀金液结合使用,以实▪▲□◁现稳健、可靠◆■的系统。本文沿用了这一方法,因为根据研究目标要将镀金液和CNF Au进行比较。在进行对□◁比时,CN Au1将用于高磷镍镀镍层,CN Au2将用于中磷镍镀镍层。本质上,CNF Au溶▼▼▽●▽●液将和专用的镀金溶液进行比较。

  在化学镀镍层中磷含量约为10.5%时,该层的晶体结构从纳米晶体变为非晶态[1]。这样一来,用来完成镀金工艺的原子▲=○▼就会减少。这就解释了为什么高磷镍镍层的抗腐蚀性能会更好,但这也是要求针对产品采用以◁☆●•○△专业应用为导向的镀金溶液的原因。

  最初的目标是确立CNF Au溶液的一些基本特性。所有基本特性都是通过在高磷镍镍层上进行镀覆操作来确立。将根据老化情况、时长、温度和搅动情况来判定基本特性。

  氰化物是专门用于处理镀金的一种重要络合剂,而且可以控制槽液的穩定性, 防止析出。氰化物的替代品将由它们的相对稳定性来判定,因为不稳定会直接造成成本损失。特别是在镀金操作中,不稳定会造成巨大损失!

  金属循环周期(MTO)是电子行业公认的界定使用寿命的定标单位。MTO指的是组成成分中的金属在补给过程中补充的次数。例如,溶液中金的含量是1 g/l,当10 g/l的金补充到溶液中的时候就达到了10个MTO。

  尽管稳定性是镀金工艺的关键属性,出于成本考虑也会对镀金层厚度有严格的要求。

  方差协同系数(CV%)代表厚度的分布。在该测试环境下,方差协同系数小于10%则被视为良好。图5表明,从生命周期开始到结束,CV%并不存在统计差异。本文并未使用IPC-4552A中的方法,因为测量到的焊盘尺寸出现了很大差异。

  停留时间就是一种用计时的方式来实现终端用户指定金层厚度的控制工具。在考虑厚度控制时,厚度与电镀时长之间的线性关系是有利的。

  图6表明停留时间和沉积层厚度之间存在统计关系,且这一关系必然是线性的。Tukey-Kramer比较统计研究中任意两点之间的距离都是不同的,且各个点不会重合,这一事实已经验证了统计的重要意义。

  停留时间用于设定计时方式程序,而温度则用来进行微调。这种方式可以加工出特定厚度的金层。

  本文测试的温度范围并不足以给出明确的信号,但68 °C这一最佳温度显然要低于80℃以上才能运行的氰化物镀金液。

  生产设备通常无法实现供应商推荐的搅动要求。如图8所示,从统计数据上来看,50 L/h的流速和250 L/h的流速对镀金层厚度并无影响。

  润湿平衡测试是评估润湿能力的▷•●方法。润湿能力会受到老化的影响,而且对于制造商来说,退化的程度也是一种隐患。图9所示为出现的退化▽•●◆现象。

  目前,行业对镍腐蚀的关注已经◇…=▲达到了空前的高度,制造商和OEM都参与到了其中。图10对所有类型的金和镍都进行了比较。

  这种方法在开展有关IPC 4552A的讨论之前就已经被使用,但随后也引入了多种新规则来管控这个评估过程。关键的差异不在于镀金的类型,而是镍的类型。请注意,含氰镀金溶液只专用于特定类型的镍。

  整体的性能特征表明CNF Au溶液可能是一种可行的镀金液。CNF Au溶液的性能表现是可以预见的,其稳定性和已符合生产标准的氰化物替代品一样好甚至更好。在现场操作中,镀金液的生命△▪▲□△周期可以达到10个MTO以上,如果使用的是CNF Au溶液,则生命周期不会少于10个MTO。

  但俗话说的好,“实践是检验线]。这一部分内容将使用引线键合、焊接和腐蚀效果方面的质量指标来对比CNF Au溶液。

  对于任何化镍镀金(ENIG)工艺而言,铝引线键☆△◆▲■合都被认为是预期性能的标准。引线键合通常被用来反映系统中金与镍的兼容性。不论真实情况是否如此,它绝对可以模拟表示功能性。通过破坏引线键合时使用的力以及引线断裂的位置(断裂模式)来考量键合性能。

  铝引线键合使用的是楔形键合方式,与球型键合正相反。这一点对于了解图12所示的断裂模式非常重要,但本文将不再过多讨论。

  本研究中使用的是Heraeus 25 µm规格的铝线g(根据供应商提供的信息),根据DVS 2811,平均拉力强度应超过断裂载荷的50%。所以说合格标准约为7.5g。

  图13所示为所有受测试的镀金类型的拉力强度。单因素分析图显示出所有金都达到了相同的拉力强度。其中还包含了“单因素方差分析”来表示受到统计数据支持的方差。其显著性可以通过PrbF函数0.0001和橙色型号体现。但这个图的规模太小,没有足够的统计学意义去接受“任意两点间多重比较统计法”的印证。根据这个结果,HP镀镍层上CN Au 1的拉力强度效果要稍好一些。

  实际上,图13印证了无氰镀金液(CNF Au)的性能与含氰镀金液的性能相当,镍扩散阻碍层,不论是HP镍层还是MP镍层,都与镀金液性能无关。

  正如前文所述,拉力强度只是引线键合可靠性的一方面。另一方面在于断裂模式或者是断裂位置。基本上只有1号和5号断裂模式会成为真正的隐患并且会被视作产品失效。3号断裂模式代表着最完美的效果,而2号和4号断裂模式可能意味着接合参数有待优化。实际上,2号和4号断裂模式是最常见的,因为“焊熔接”工艺通常会导致引线出现一定程度的变细。从图14中可以看出,CNF的状态得以保持,而在含有氰化物的镀金液变量中都发现第一键合点楔形浮起的程度较小。

  CN Au1和CN Au2的1级断裂模式的最小值可能与引线接合参数相关。因此在现实当中,所有镀金液的性能都应被视为是相同的。尽管含氰镀金液的效果是通过在专用化学镀镍溶液中进行镀覆操作来实现,但CNF Au液的效果是在HP镀镍层和MP镀镍层上进行镀覆操作的集合效果。为了评估化学镀镍是否会产生明确的影响,本研究采用单向分析法,留下只针对CNF Au液的结果。这些结果如图15所示。

  从统计结果来看,MP镀镍层的拉力强度测试结果要优于HP镀镍层的拉力强度测试结果,但这两个测试结果之间的差距小到可以忽略。镍的类型并不会对CNF Au的拉力强度产生真正意义上的影响。

  如图16所示,本研究对断裂模式进行了评估。如果差▪•★异明显,那么图15和16中显示的结果就会自相矛盾。

  本文简介部分介绍了CNF Au液的众多优点。本文强调了如何使用生产仿真工具得到测试结果,这样得出的结果对于现场操作而言更有价值,因此对于工业实践而言也更有意义。最关键的研究点是CNF Au液的稳定•□▼◁▼性,这是过去很多有关无氰产品开发工作要面临的主要问题。本文阐明了这种溶液在用MTO衡量的生命周期中表现出了稳定的性能,其性能是可预见且可控的。本文的测试结果还说明了CNF Au有望成为现有ENIG设置中含氰镀金液的替代品。CNF Au液与HP镍层和MP镍层的兼容性证明了作为替代工艺的可行性。

  本文还尽量用统计数据证明无氰镀金液可以成为其他含氰镀金液的有力竞争者。本文中的基准比对过程还证明了含氰镀液与无氰镀液之间并不存在明显差异。

  本文的研究结果可以看出,为实现最高可靠性的ENIG,可考虑利用CNF Au与HP镍层的兼容性。

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