PCB浸鍍銀工藝之常見缺陷和改善方法
得以排除。
一、前言
由于浸鍍銀用于PCB可焊性皮膜的成功實績越來越多，因而從多家PCB廠與下游組裝的量產(chǎn)中，較易取得極多的寶貴資料。本文中各項量產(chǎn)資料的收集是 始自2005年7月，現(xiàn)場是來自數(shù)家亞洲區(qū)采用浸鍍銀的量廠大廠。其產(chǎn)品多屬HDI式密集線路的先進PCB類，其所能容易的不良率已壓低到數(shù)量的PPm而已。本文研究的主要目標是在于浸鍍銀被退貨與失效等實務案例，也就是集中檢討PCB與下游組裝兩大量產(chǎn)領域中所發(fā)生的各種不良失效現(xiàn)象。
二、案例調(diào)查
所訪查的對象是來自64家PCB廠及29家組裝客戶共93個參與的業(yè)者，從其失效或被拒收板類中，可歸納出有關浸銀皮膜的六個主要缺失，下表1中即按其重要性而對其失效內(nèi)容加以分類。
表1 浸鍍銀量產(chǎn)中容易出現(xiàn)失效模式之統(tǒng)計
若從各種缺點所造成成本損失的觀點來看，無疑的是焊點中微空洞缺點所占的比例最高。由于密裝板上零件太多太密已無從進行返修，多半拒收的高額損失是發(fā)生在組裝工廠中。其中客戶端尚未組裝前，進料檢驗發(fā)現(xiàn)微洞問題而遭剔退者只有8件。至于焊錫性問題方面則PCB廠全無不良紀錄，組裝廠也只有3件疑似者，而且仔細追究之下發(fā)現(xiàn)竟然是誤叛為浸銀之焊錫性不良。事實上此一特殊案例是出自一種厚多層板高縱橫比（HAR）的某些深孔中，波焊后發(fā)現(xiàn)上錫性不佳的半高孔壁虎，竟然直接與內(nèi)層大地銅層相連接，以致在波焊中涌錫升起的瞬間，該接地處大量失熱導致錫波的冷卻固化所致，根本不是浸銀皮膜的焊接問題。此種失效經(jīng)過多次不同考試板的試驗，甚至客戶更改互連設計的反復驗證后，終于證明完全與浸銀皮膜無關。純就此一假性焊錫性問題，當然也就無需對浸鍍銀做任何改變了。
三、根本原因的分析
3.1賈凡尼咬銅（Galvanic Attack）
經(jīng)過多次根本原因的追究，上述各項失效案例的確已大幅減少。不過對于賈凡尼效應的銅腐蝕問題則始終未能根絕，其原因是板面綠漆邊緣與立體銅線間一向存在著較多的細縫（Crevice）,于是在浸鍍銀的濕制程中會使得銀液在毛細作用下不斷滲入細縫內(nèi)，再加上后清洗難竟全功之下，造成銀離子與銅金屬之間發(fā)生了賈凡尼電化學電池式的腐蝕反應。事實上唯有當銅金屬被腐蝕成為銅離子而釋出電子時，銀離子才能產(chǎn)生沉積反應。這種無從避免的麻煩也與銀層厚度（浸鍍時間）有關，愈厚當然就越不好。
上述板面綠漆與銅導線之間所存在細縫的問題，其背后的真正原因則是感光綠漆施工中,其皮膜本身已發(fā)生側(cè)蝕甚至過度顯像的異常，以致未能完全緊貼在銅導線的兩側(cè)面或附著性不佳所致。此外深孔中央銀層太薄或綠漆下銅面上已出現(xiàn)較深的刮痕者，都將會出現(xiàn)賈凡尼式咬銅的麻煩。
3.2銀面變色（Tarnish）
銀面變色變臟與空氣中的氧與硫有關，一旦銀面與硫接觸時將會形成黃色的Ag2S硫化銀薄膜，若繼續(xù)接觸中將會逐漸變到棕黑色。此種硫污染的來源可能出自不潔空氣中的污染，或來自看似無害的包裝用紙類。至于氧氣則除了空氣之外，底銅表面氧化已存在的Cu2O與CuO等薄膜，其中的氧將可能轉(zhuǎn)移到銀層中。且對快速沉積厚度很薄、結(jié)構松散又具多孔性的浸銀層而言，又將讓底銅大有機會繼續(xù)與空氣接觸而再行氧化。為了防堵此漏洞起見，勢必要加厚銀鍍層以阻止其晶界（Grain Boundary）的漏氣。然而加厚銀層不但會使成本上升，而且細縫中的賈凡尼咬銅效應也將更為之惡化。且在離子污染增多后其焊錫性亦將變差，甚至出現(xiàn)焊點微洞與變脆等問題（見下頁圖3）。
3.3局部露銅
此種缺失與浸銀制程本身有關，經(jīng)常在完成浸銀工序后即可發(fā)現(xiàn)。其原因是銅面上在前處理流程中可能已附著了一層阻礙反應的薄膜，致使銅與銀之間無法發(fā)生置換反應。此膜一旦微蝕不掉時將會阻止銅的釋出電子行為，而無法讓銀層產(chǎn)生沉積反應。此外浸銀槽液的機械攪拌也會產(chǎn)生一些不同的效果，加以生產(chǎn)板類在幾何外形上的差異，使得不同區(qū)域受到藥水的沖刷效果也有所不同，以致讓浸渡銀層的厚度也出現(xiàn)不夠均勻的現(xiàn)象，太薄區(qū)域看起來就會出現(xiàn)鍍不上銀而露銅的現(xiàn)象。
3.4離子污染
經(jīng)過濕制程后板面上可能殘留的各種離子，都將會對PCB的電性功能造成不良影響。此等煩惱多半出自銀層表面附著藥水的不易清洗，甚至在綠漆表面也會殘留已老化的槽液。浸鍍銀的配方中經(jīng)常會加入一些有機物，因而也可能會隨伴發(fā)生一些有機皮膜等額外異物的附著，進而造成后段清洗的困難。通常補充銀消耗的做法是采用專用的補給藥水，而此等藥水是將金屬銀配制成為“有機銀的絡合物”（Organic Silver Complexes），一旦銀金屬用掉后將剩下頗多量的有機物，當然就會使得后段清洗越發(fā)困難了。
3.5微洞現(xiàn)象（Microvoids）
浸銀層在下游焊接中所發(fā)生的焊點微洞，直徑大多不足Imil，且多數(shù)聚集在焊點與承墊IMC以上的介面處，是一種全面分布性空泡式的眾多小空洞，對焊點強度會出現(xiàn)一種“破壞性的效應”（Devastating Effect）
此種介面性微空洞不但在PCB浸鍍銀的焊接中出現(xiàn)，也會發(fā)生在OSP與ENIG等皮膜之焊接中，其根本原因到目前為此尚未徹底搞清楚。不過也找到某些確定的相關成因，例如厚度加厚者微空洞也較多（尤其當厚度超過15μin者），然而某些配方也未必全然如此。此外底銅面的粗糙度也是原因之一，通常愈粗愈糟。且還發(fā)現(xiàn)與配方中的有機物含量與成份有關，某些有機物則容易伴隨銀金屬產(chǎn)生共鍍而存在于皮膜中。不過這種假設性的理論，曾經(jīng)通過某些品牌商（OEM）、代工組裝業(yè)者（EMS）、PCB業(yè)者，與藥水供應商等，所共同組成聯(lián)盟的多次合作研究，竟然沒有一次模擬成功，當然也就無法將微洞徹底予以排除了（見下頁圖4）。
四、各種預防方法
上述五項常見的浸鍍銀缺點經(jīng)由藥水商與設備商以及PCB等現(xiàn)場之解困研究，現(xiàn)已找出某些預防與改善的辦法，可提供PCB業(yè)者解決問題與提升良率，現(xiàn)分述于下：
4.1賈凡尼咬銅
此問題須上溯到電鍍銅制程，發(fā)現(xiàn)凡對象為高厚徑比的深孔鍍銅與盲孔鍍銅之案例，若能提供其銅厚分布更均勻者，將可減少此種賈凡尼咬銅現(xiàn)象。且PCB制程中金屬阻劑（例如純錫層）的剝除與蝕刻銅等，一旦出現(xiàn)過度蝕刻而存在側(cè)蝕現(xiàn)象者，亦可能會產(chǎn)生細縫而藏有電鍍液與微蝕液。
事實上賈凡尼問題最大的來源就是綠漆工程，其中以綠漆現(xiàn)象所造成的側(cè)蝕與皮膜浮雕最容易造成細縫。凡能讓綠漆現(xiàn)象出現(xiàn)正性的殘足而非負性的側(cè)蝕，并在綠漆徹底后硬化之下，則此種賈凡尼的咬銅之缺失將可予以排除。至于電鍍銅的操作務必在強烈的攪拌中讓深孔中電鍍銅更為均勻，此時還需用利用超音波與強流器（Eductor）的幫忙攪拌，以改善槽液的質(zhì)傳與銅厚的分布。至于浸鍍銀的本身制程，則需嚴格管制其前段的微蝕咬銅率，平滑的銅面亦可減少綠漆后細縫的存在。最后是銀槽本身不可出現(xiàn)太強的咬銅反應，PH值以中性為宜，且鍍著速率也不可太快，最好在厚度上要盡量的剪薄，而于最佳化之銀結(jié)晶之下才能做好抗變色的功能。
4.2變色的改善
其改善方法是增加鍍層密度與減少其疏孔度（Porosity），包裝產(chǎn)品務必采用無硫紙并加以密封，以隔絕掉空氣中的氧氣與硫份，進而降低其變色的來源。且儲存區(qū)環(huán)境的氣溫不宜超過30℃，濕度須低于40%RH，最好采行先進先用的政策，避免存放太久而產(chǎn)生問題。
4.3銀面露銅的改善
浸鍍銀之前的各種流程均需小心管控，例如微蝕銅面后注意其“水破”的檢測（Water Break指拒水性）與特別亮銅點的觀察，此皆表示銅面可能存在某些異物。微蝕良好的干凈銅面，其直立狀態(tài)須保持40秒內(nèi)不可發(fā)生水破現(xiàn)象。連線設備亦應定期保養(yǎng)，以維持其水性的均勻性，如此方能得到較均勻的鍍銀層。操作中還需不斷對浸鍍銅時間、液溫、攪拌，與孔徑大小等進行DOE實驗計劃之試驗，以取得最佳品質(zhì)的鍍銀層、且對于具有深孔的厚板以及HDI微盲孔板的浸鍍銀制程，也可另采用超音波與強流器的外力協(xié)助，以改善銀層的分布。此等槽液的額外強力攪拌，確可改善深孔與盲孔中的藥水潤濕與交換的能力，對于整個濕制程都有莫大的幫助。
4.4板面離子污染的改善
若能將浸鍍銀槽液的離子濃度，在不妨礙鍍層品質(zhì)而予以降低時，則板面所帶出而附著的離子自然得以減量。完成浸鍍后的清潔中，其干燥前務必還要經(jīng)過純水的漂洗1分鐘以上，以減少附著的離子。而且對于完工板也還要定時檢驗其清潔度，務必讓板面的殘余離子量減到最低而能合業(yè)界的規(guī)范。所做過的試驗均應保存其記錄，以備不時之需。
4.5焊點微洞的改善
介面微洞仍是目前浸鍍銀最難改善的缺點，因為其真正的成因至今仍未真相大白，但至少某些相關的原因已可確定。于是在盡量減少其關連性因素的發(fā)生下，當然也可減少下游焊接微洞的發(fā)生。
相關因素中又以銀層厚度最為關建，務須將銀層厚度盡可能的減低。其次是前處理的微蝕不可讓銅面太過粗糙，而銀厚度分布的均勻性也是重點之一。至于銀層中的有機物含量，則可能從多點取樣銀層純度分析中而反向得知，其中純銀含量不可低于90%之原子比。
五、AIPha STAR的管理
電子業(yè)自2006.7.1無鉛接正式上路以后，上下游各種制程不但要研究最佳化的“理想制程”（Ideal process），而且還要符合安全、環(huán)保與可靠度等多項要求。Enthone公司自從1994年在PCB業(yè)推出具有專利的浸鍍銀（沉銀）制程后，目前已進展到第三代的浸鍍銀工藝，也就是商品名稱的Alpha STAR。此商用流程共有7個制程站，后三站都是水洗。現(xiàn)將其對用戶可呈現(xiàn)的特點與好處說明于后。
前處理共有四站；即銅面的適況處理（Conditioner）、水洗、微蝕及水洗。適況處理可將銅面的表面張力予以降低，此制程對于板上任何銅面均可進行良好的處理，包括深孔中的銅孔壁與盲孔底的銅面。至于微蝕槽的獨特配方則可在銅面上產(chǎn)生微粗糙的形貌，欲仍具有半光亮的外觀。此等微蝕后的細膩銅面結(jié)構，可讓所沉積的銀層也隨之細晶化。于是在細晶組織中不但可得到高密度無疏孔性的鍍銀層，而且厚度還不需太厚，如此將在防變色方面亦可獲得很大的改善。
至于沉銀方面則又分為：預浸（Prechip）、浸鍍銀、以及后段的純水清洗。預浸槽的功能有三，即本身當成前陣的犧牲打，以減少對主銀槽所帶進銅份與微蝕的污染，并減少其他外物的危害。其次是將銅面再度做好清潔處理以完成置換反應的準備工作。由于預銀槽的配方與作業(yè)條件與主銀槽相同（只有銀含量上的差別），故進入主槽的板子并不會對主槽造成沖淡的效果。主槽沉銀反應中消耗的只有銀離子，而有機物的變化則以帶出者居多。于是在帶入與帶出兩者得以平衡下，主銀槽中不斷補充銀份的消耗時，其無效的有機物將不致累積太多。
六、銀層的結(jié)構
由于浸銀層是出自銀離子與銅面的置換反應，其銅面微蝕后所具有的微粗糙形貌，將可使得慢速沉積的起始銀層更為均勻，且慢速鍍銀亦可使其銀晶粒結(jié)構更為結(jié)實與緊密。此種附著緊密的銀層厚度約在6~12μin 之間，一般尚無法達到完全防變色的地步。主銀槽的化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，量產(chǎn)可達好幾十次的MTO（Metal Turn-Over）才需換槽，并且對于光線也不再敏感。而且停機時間也大幅降低，通常只要厚度到達4μin以上時，即將不再出現(xiàn)疏孔。板面的離子污染也很低，所用設備的成本也很平價。
七、結(jié)論
因應無鉛焊接全球PCB業(yè)對表面處理的期望，為求面對焊錫性、可靠度、安全性等更嚴格的要求起見，全新研發(fā)的商用制程Alpha STAR將可達到各種實用性的目標。此新制程并還能符合RoHS及WEEE法規(guī)層面的要求與無鉛焊接的具體規(guī)格。(白蓉生)
