薛广辉：5G 通讯 PCB 表面处理工艺研究及应用（上）

　　科技的进步一日千里，人们从无线电发明以来，快速拥有了“顺风耳”的能力，可以及时知道千里、万里外发生的事情。随着智能手机的发明与普及，普通民众拥有了“千里眼”的能力，可以随时随地视频通话，身在千里之外依然如身临现场，明察秋毫。智能手机、智能监控、智能交通、智能驾驶、智能家居、智慧城市…… 众多的智能能力基于超强算力及高频通讯。早期高频通讯仅用于军工、航天领域，卫星通讯、微波通讯在世界通讯领域应用广泛、成熟。随着智能终端的发展，高频通讯逐渐走进普通民众生活，5G 通讯便是众人熟知的技术应用典范。信号的频率提升，对 PCB 材料的电气特性提出了更高的要求。当电场跨越介质材料或绝缘材料时，介质材料两侧的正负电荷会相互吸引。相同的电场强度条件下，不同材料具备不同的电通量。材料电通量与真空条件电通量的比值，称为介电常数。介电常数会影响信号的传输延迟、传输速率等重要电气性能。高频信号要求 PCB 板材具备较小的介电常数，业界为此开发了众多高频材料以满足高频通讯 PCB 的需求。信号频率越高，信号传输时越接近线路的表面，业界称谓“趋肤效应”。所以高频信号 PCB表面处理工艺也是影响信号传输的要素之一。

　　业界常见的 PCB 表面处理工艺有喷锡板（热风整平，简称 HASL，又分为有铅喷锡、无铅喷锡两种）、OSP 板（又称为有机保焊膜、裸铜板、Entek）、化学沉锡板（ISn，又称化锡板）、化学沉银板（I-Ag，又称化银板）、化学镍金板（又称化镍浸金板、沉金板、化金板，简写为ENIG）、化学镍钯金板、选化板（选择性化学镍金板，简写为ENIG+OSP）等。

　　从电信号传输要求来看，化学沉银板是最优的选择：银层有较低的电阻率、优秀的传热性能。但银层易受到使用环境的影响、特别是对卤素、硫元素等敏感，易出现变色腐蚀现象。业界使用化学沉银板通常用于微波通讯领域。OSP 板焊接后形成的金属间化合物（IMC）与化学沉银板相同，对高频信号有良好的承载能力，且 OSP 板同样具备平整的表面，适合密间距器件锡膏印刷、元件贴装等 PCBA 制程，且 OSP 工艺成本低，对制造业有利。但OSP 膜有时效限制，且不耐酸、不耐碱、不耐液体（有机溶剂、水等）、不耐温等，不能清洗、不能长期存放，这大大缩短了 OSP 板的焊接有效使用寿命。另一因素是要求所有裸露的焊盘、测试点、通孔、线路等均需上锡保护，避免后期服役过程中 OSP 膜裂解消失后裸露铜材质而腐蚀。所以 OSP 板在汽车电子、医疗产品等领域有广泛应用，但在高频通讯领域应用有限。

　　喷锡板焊接后形成的金属间化合物（IMC）与沉银板、OSP 板、沉锡板一致，可以满足高频通讯的需求。但喷锡板焊盘表面不平整，无法应用于密间距器件制程，影响ﬁne pitch 元件锡膏印刷制程品质及元件贴装焊接品质，所以喷锡板仅用于大尺寸非密间距器件产品。

　　化学沉锡板是高频产品 PCB 表面处理的优选工艺之一：焊盘表面平整，适合拥有密间距器件产品的 PCB。焊接后形成的 IMC 层与化学沉银板相同。化学锡层具备优秀的防护能力，耐腐蚀、耐酸碱。但沉锡板是在铜箔表面直接沉积一层纯锡层，锡与铜直接接触形成锡 - 铜金属间化合物，随着时间的推移，锡 - 铜金属间化合物反应加厚消耗沉锡层，温度越高反应越剧烈。当沉锡层耗尽时，锡铜金属间 IMC 裸露并影响可焊接性，也就是业界同仁所说的焊盘表面合金化。所以化学沉锡板不能长期存放、不能烘烤。化学沉锡工艺是通过沉锡槽内颠倒铜、锡的活性顺序以完成铜置换锡的反应，沉锡槽液具有高腐蚀性，对 PCB 阻焊等侵蚀严重，所以难获得较厚的沉锡层，但这不影响沉锡板成为优秀的高频通讯 PCB 表面处理工艺。PCBA 业者使用沉锡板需要注意控制沉锡板有效存储时效。

　　前面几种 PCB 表面处理工艺焊接后形成的金属间化合物均为锡 - 铜合金，沉金板焊接后形成的 IMC 为锡 - 镍金属间化合物或锡铜镍金属间化合物。沉金板具备优秀的抗腐蚀能力、满足长期存放的需求、可以烘烤、焊盘表面平整适合密间距器件产品、适合无铅工艺及有铅工艺，同时还兼具键合丝制程需求（Wire bond process）、按压接触导通需求等，还可以满足压接工艺需求。所以沉金板在业界广泛应用。

　　需要注意的是，沉金板焊接后形成的锡镍 IMC 扎根在镍层，也就是焊盘铜箔与焊点间存在一个阻挡层镍，普通信号沿着铜箔传输并穿过镍层、IMC 层、焊点进入器件，器件信号再反向传输。高频信号传输时，镍层的存在影响信号传输品质—频率及完整性，这对高频信号而言是一种负担，如何消除此负担而兼具沉金板的其它优势，这是电子产品制造产业的一个共同课题。业界智士同仁对此着力颇深，相继推出多种表面处理工艺，如薄镍薄钯金、化学银金等。笔者参与了化学银金工艺的研究验证工作。笔者就此工作做简单总结陈述如下，供业界同仁参考。

　　化学银金镀层工艺是在 PCB 表面铜箔上化学方式镀一层银，再于银层上镀一层金，焊接后获得锡铜间界面合金层。镀层要求为 Ag ：300~500nm 、Au ：80~150nm。样板制作完成后做浸锡焊接处理，浸锡锡槽使用 SAC305 焊锡，锡槽温度 270°C，共九个样品，浸锡实验条件分别为：

　　1 号板直接包埋切片；

　　2 号板浸入小锡炉内 3 秒；浸锡实验依据 J-STD-003C执行，参考 IPC-TM-650 作业方法

　　3 号板浸入小锡炉内 4 秒；浸锡实验依据 J-STD-003C执行，参考 IPC-TM-650 作业方法

　　4 号板浸入小锡炉内 5 秒；浸锡实验依据 J-STD-003C执行，参考 IPC-TM-650 作业方法

　　5 号板浸入小锡炉内 8 秒；浸锡实验依据 J-STD-003C执行，参考 IPC-TM-650 作业方法

　　6号板浸入小锡炉内15秒；浸锡实验依据J-STD-003C执行，参考 IPC-TM-650 作业方法

　　7号板浸入小锡炉内20秒；浸锡实验依据J-STD-003C执行，参考 IPC-TM-650 作业方法

　　8号板浸入小锡炉内30秒；浸锡实验依据J-STD-003C执行，参考 IPC-TM-650 作业方法

　　9号板浸入小锡炉内40秒；浸锡实验依据J-STD-003C执行，参考 IPC-TM-650 作业方法

　　试验样品形貌如图 1- 镀银金表面处理样品总图。浸锡实验后镶埋切片并观察 IMC 形貌。以确定化学银 - 金镀层处理对焊接条件的要求。产品镶埋后样品如图 2- 试验样品镶埋制样。

　　图1：镀银金表面处理样品总图

　　图2：试验样品镶埋制样

　　其中镶块样品 1 包含：

　　#1 板：裸板；

　　#2 板：焊接 2 秒；

　　#3 板：焊接 4 秒

　　镶块样品 2 包含：

　　#4 板：焊接 5 秒；

　　#5 板：焊接 8 秒；

　　#6 板：焊接 15 秒

　　镶块样品 3 包含：

　　#7 板：焊接 20 秒；

　　#8 板：焊接 30 秒；

　　#9 板：焊接 40 秒

　　镶块样品 1，#1 样品分析：

　　使用电子扫描显微镜配合 EDX 对 #1 样品分析，并对镀层成分做测量，结果如图 3- 银金镀层裸板分析。

　　图3：银金镀层裸板分析

　　其中EDX#1 位置为 PCB 表面金层，测得金含量为 55.3%（wt%），铜含量 5.7%（wt%）其余为碳氧，未见银元素。图 3-1 银金镀层裸板分析之金层成分；

　　其中 EDX#2 位置为 PCB 镀金层与镀银层界面，测得金含量为23%（wt%），铜含量5.1%（wt%），银含量 61.8%（wt%），其余为碳氧。图 3-2 银金镀层裸板分析之金银界面成分；

　　其中 EDX#3 位置为 PCB铜箔本体，测得铜含量 82.5%（wt%），银含量 3.8%（wt%），未测得金元素 , 其余为碳氧。

　　图 3-3 银金镀层裸板分析之铜箔本体成分；实际测量数据如图 3-4 裸板镀层成分测试原始数据。

图3-1：银金镀层裸板分析之金层成分

图3-2：银金镀层裸板分析之金银界面成分

图3-3：银金镀层裸板分析之铜箔本体成分

图3-4：裸板镀层成分测试原始数据

　　由 SEM 及 EDX 图片及数据可知，PCB 表面处理为铜箔上直接镀银，再镀金，铜箔、镀银层、镀金层明显，镀层内没有其他杂质。镀层厚度测量每组测 5 个点位，取平均值，测得的镀金层平均厚度 135nm ；镀银层平均厚度 427nm，在工艺设置规范内（Ag ：300~500nm 、Au ：80~150nm）。图 3-5 裸板镀层尺寸测量数据。电镀工艺控制准确，未出现大幅度漂移现象。

　　图3-5：裸板镀层尺寸测量数据

　　镶块样品 1，#2 样品分析：

　　样品信息：SAC305 焊锡，小锡炉温度 270℃，浸入时间 3 秒。焊接后镶埋切片分析。使用电子扫描显微镜配合 EDX 对 #2 样品分析。图 4 #2 样品焊点观察及成分分析。

　　图4 #2样品焊点观察及成分分析

　　由图可知，浸锡 3 秒焊接后，焊锡与 PCB 形成了正常的IMC， IMC 形貌为典型的锡 - 铜合金。对图中焊点做成分分析，位置 1 为焊点内锡银合金，银含量 33.1%（wt%），锡含量 58.2%（wt%），图 4-1 #2 样品焊锡内成分分析；EDX 位置 2 为焊接后形成的 IMC，典型的锡铜金属间化合物，其中锡含量 33.4%（wt%）、铜含量 45.5%（wt%）。

　　图4-1 #2样品焊锡内成分分析

　　图4-2 #2样品3秒钟焊接后IMC成分

　　图4-3 #2样品焊接后IMC顶部成分

　　图4-4 #2样品铜箔成分分析

　　图4-5：EDX测试原始数据

　　图4-6 #2样品IMC厚度及形貌观察

　　图 4-2 #2 样品 3 秒钟焊接后 IMC 成分；EDX 位置 3 为焊接后 IMC 顶部成分，测得为锡银化合物，其中银含量18.4%（wt%），锡含量 69.4%（wt%），图 4-3 #2 样品焊接后 IMC 顶部成分。

　　由此成分可知，焊接 3 秒钟，镀金层已经完全扩散进入焊锡内，镀银层较厚且位于金层下面，银层溶解扩散未彻底走远，堆积在焊点 IMC 附近，并伴随着一定量的微空洞；EDX 位置 4 为 PCB 本体焊盘铜箔，测得铜含量 86.5%，图 4-4 #2 样品铜箔成分分析。

　　所有EDX 原始数据如图 4-5 EDX 测试原始数据。使用 SEM 对焊接后 IMC 做测量，测 5 个位置取平均值，IMC 平均厚度 2.29µm。图 4-6 #2 样品 IMC 厚度及形貌观察。

　　小结：

　　-- 锡槽温度 270℃

　　-- 焊接时间 3 秒种-- IMC 为锡铜间 IMC，金层完全扩散，银扩散后与焊锡形成锡银合金，部分银层扩散未远离

　　-- IMC 附近有大量的 micro-void，其机理为化学沉银时银层固有微空洞

　　-- IMC 厚度 1.5~3.5µm

　　镶块样品 1，#3 样品分析：

　　样品信息：SAC305 焊锡，小锡炉温度 270℃，浸入时间 4 秒。焊接后镶埋切片分析。使用电子扫描显微镜配合 EDX 对 #3 样品分析。图 5 #3 样品焊点观察及成分分析。由图可知，浸锡 4 秒焊接后，焊锡与 PCB 形成了正常的IMC，IMC 形貌为典型的锡 - 铜合金。

　　对图中焊点做成分分析，EDX 位置 1 为焊点内锡银 IMC，银含量 21.2%，锡含量 67.1%，图 5-1 #3 样品焊点内结晶成分；EDX 位置 2 为焊点 IMC 顶部成分，测得结果含银 7.6%，含锡78.1%，图 5-2 #3 样品 IMC 顶部成分。

　　结果显示 IMC 顶部成分含银，说明焊接时银层扩散未远离焊接界面，堆积在 IMC 附近；EDX 位置 3 为焊点内大尺寸结晶成分分析，结果显示为锡铜合金，铜含量 35.3%，锡含量 48.5%，图5-3 #3 样品焊点内结晶成分分析。说明焊接时焊点内出现锡铜合金，为无铅焊接的正常状况；EDX 位置 4 为焊点IMC 成分，为典型的锡铜合金，锡含量 46.3%，铜含量39.2%，图 5-4 #3 样品形成的典型锡铜 IMC ；EDX 位置 5是 PCB 本体铜箔成分，测得铜含量 86.1%，图 5-5 #3 样品 PCB 本体铜箔成分。所有原始测试数据如图 5-6 #3 样品 EDX 原始数据。使用 SEM 对焊接后 IMC 做测量，测 5 个位置取平均值，IMC 平均厚度 2.91µm。图 5-7 #3 样品 IMC 厚度及形貌观察。