PCB化学镀银工艺贾凡尼效应原因分析及对策

  本文主要介绍了PCB 化学沉银表面处理工艺的贾凡尼效应的产生原因及生产控制方法。首先介绍了贾凡尼效应产生的必然性，然后对几个主要影响因素进行试验分析，最终得出控制贾凡尼效应的方法。

  关键词：贾凡尼效应、侧蚀

  1. 前言

  由于RoHS( 减少有害物质)的法规限制了PCB 制造和板子组装中铅、镉、汞和六价铬化合物的使用迫使电路板的生产厂家从使用热风整平焊接转向使用无铅替代品。

  一般来说，在电路板的制造中通常使用的无铅表面涂饰工艺有下列几种：HASL 、OSP （有机可焊性保护涂饰材料）、化学镀镍/浸金、化学镀镍/ 化学镀钯/浸金、浸锡、浸银，以及电镀锡。较之其他几种工艺化学浸银又有它自身的优点：化镍浸金制程在PCB 制作上操作困难，成本昂贵。有机保焊剂在PCB 制作上操作简易，成本低廉，但是在装配上受到限制。化学浸银可让线路十分平整，适用于高密度线路，密脚距的SMT （表面贴装），BGA （球脚阵列封装）及晶片直接安装。化学浸银操作简单，成本不高，维护少，使用相对小型设备可有高产能。基于这些优点，化学银被更多的应用于PCB 的表面处理。

  2. 化学银及贾凡尼效应原理

  众所周知，化学沉银的反应机理非常简单，即为简单的金属置换反应，其反应过程可以表达为：

             Ag＋＋e—=Ag E=0.799

             Cu+++ 2e—=Cu E=0.340

             2Ag＋＋Cu=2Ag+Cu++ E=0.459

  正常情况下反应自发进行，可用下图表示:

  化学银层经过一定厚度的沉积，就可以实现对铜面的保护，顺利完成焊接保护的使命，但是往往事与愿违。沉银过程中并非一帆风顺，我们都知道PCB 表面经过油墨印刷后才进行表面涂覆处理，而油墨印刷后PCB 的铜面将会呈现另外一种景象。可用下图表示：

阻焊制程中由于显影的作用油墨或多或少的存在侧蚀，因此加工出来的油墨往往呈现下图的形态：
  这种形态的油墨结构就提供了化银所谓的“贾凡尼效应”发生的良好环境。这种油墨的undercut 通常会形成狭小的裂缝，而裂缝中溶液无法交换，无法提供足够的Ag 离子。但是在电解质溶液中Cu 不断的失去电子变成Cu 离子，而与此同时溶液中的Ag 离子又不断的得到电子，沉积在裸露的铜面。直至溶液中Ag 离子得到电子与Cu 失去电子水平达到平衡，反应才会终止。因此“贾凡尼”出现的位置表现为银的厚度比正常位置厚。整个过程可用下图表示：

  3. 贾凡尼效应的影响因素分析

  通过上面内容介绍可以了解，“贾凡尼效应”的产生实际上有两个主要因素：一；置换反应存在；二、局部的离子供应不足；

  关于置换反应，化学沉银、化学沉金等很多沉积本身都是此类反应，但是问题的关键是反应的程度。拿化学银和化金来讲，化学浸金的厚度一般在0.05～0.1um，而化学银的厚度一般在0.15～0.5um 之间，因此化金没有的问题发生在化学银工艺中。

  而对于局部由于缝隙导致的离子供应不足的问题，笔者认为绿油工艺中可能有两个因素影响较大：一个因素是油墨的侧蚀；另外的一个因素可能是油墨与铜层之间的结合力。对此可用下图加以说明：

  简单的说影响“贾凡尼效应的因素可总结为：化学银厚度、油墨与铜结合力、油墨侧蚀大小

  3.1 试验部分

  试验主要结合前面分析与实际过程中参数设计了DOE ，选定因子分别为：沉银速度（决定银厚）、阻焊前处理磨痕（决定结合力）、油墨型号、显影速度、曝光级数（三者影响油墨侧蚀）

  3.1.1 DOE实验的设计及结果

  注：1、沉银速度为1.9m/min时，平均银厚为0.30um，沉银速度为1.3m/min时，平均银厚为0.40um。

  2、所有试验结果均符合华为标准线条深度的20％。

  3.2 数据分析

  3.2.1应用minitab分析，绘出主效应图如下：

  从主效应图中可以看出，在试验的5个因素中，沉银速度是影响贾凡尼效应关键的因素，曝光级数也对贾凡尼效应有较大的影响，显影速度、油墨型号和磨痕对贾凡尼效应没有显著的影响。

  4.生产控制

  基于以上分析和试验证明，我司正常的油墨工艺参数可满足化学银工艺中贾凡尼的要求。我公司应从以下几方面控制化学银的贾凡尼效应：

  1、首件沉银厚度控制（0.15-0.3）；

  2、首件贾凡尼效应确认；

  3、生产过程中沉银厚度的抽检，建立SPC控制；

  4、生产过程中卡板问题的预防。

  5.结论

  沉银厚度作为化学沉银的重要指标必须严格控制，而且有资料证明沉银厚度在以上即可以实现对铜面的保护功能，因此建议化学沉银的银厚度控制建议不超过0.3um；

  不同的油墨有不同的参数要求，笔者建议若采用化学银工艺，不同油墨应对其不同参数下的侧蚀进行比较。选择侧蚀较优的参数加工。