无铅化PCB表面材料及工艺特点

金为半导体领域热超声波键合标准面，可焊性存在局限，常用作
电路板整体布局，不可返工
注释：（1）镍层具有均匀细致、孔隙率低和延展性好等特点，而
且低应力镍具有宜于钎焊或压焊的功能；（2）硬金指含有Co、
Ni、Fe和Sb等合金元素的合金镀层，其硬度和耐磨性都高于纯金
镀层，合金元素质量分数≤0.2％；（3）软金指镀金层为质量分
质量分数为0.1%～2.5%，最好为0.5%～2.0%。低于 0.1%，就容易发生锡须而可能导致短路；高于2.5%， 镀层熔点就会超过300 ℃而难以进行良好焊接。
（a）针孔
（b）裂纹
图1 电镀工艺失控造成的质量问题
（a）80 ℃
（b）88 ℃
（c）95 ℃
图2 不同温度下化学镀表面粒度特征
1 几种常见无铅表面镀层 焊盘保护镀层的种类很多，比如纯金属Sn、
合工艺兼容；高温下耐氧化，适合大功率器件散热
通道，被广泛应用于手机按键和接插件中。焊接时
钎料与镍层形成锡镍化合物，使焊点更可靠，少量
Au熔于钎料中不会引起“脆化”作用。
ENIG工艺主要不足之处包括成本高、不可返
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2011年9月
数为99.99% 的金，具有柱状结构，它有极好的导电性和可焊性
1.3 I-Sn
I-Sn即浸锡，工艺流程一般为酸洗→微蚀→预浸
→浸锡→烘干。浸锡反应机理为锡金属离子与金属
铜作置换反应，在裸露铜面形成平整、光滑的锡金
图5 I-Sn表面镀层形貌
浸锡工艺镀层厚度控制能力不强，一般只达 15μm，库存寿命短。虽然纯锡与无铅钎料焊后不 存在IMC问题，但是焊盘与镀层之间的IMC厚度增 长快，影响保存寿命。薄的锡层对金属间化合物层 的生长及氧化很敏感，浸锡工艺中界面上形成的金 属间化合物一般为3μm，而锡层须有2μm厚度以 确保可焊性，故浸锡层厚度必须大于5μm，一般为 8μm～12μm。
DOI:10.14176/j.issn.1001-3474.2011.05.014
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2011年9月 第32卷第5期
SMT论坛
无铅化PCB表面材料及工艺特点
史建卫
（日东电子科技（深圳）有限公司，广东 深圳 518103）
摘 要：无铅化电子组装中PCB表面镀层技术主要有无铅钎料热风整平、浸锡、浸银、化学镀镍/浸金和有 机可焊保护层五种。每种工艺技术具有各自的优缺点，每种工艺材料与不同无铅钎料具有不同的兼容性。从可 制造性、可生产性以及与无铅钎料的匹配性等方面对五种PCB表面镀层技术做了较为全面的阐述，并通过对润 湿性和可靠性评估得到一定的最佳配比，为无铅化生产提供了一定的指导作用。
制造
厚度d /μm
应用范围
工艺
Au
Ni
SMT/超声波焊
0.05～0.15（通常）
化学镀
盘/热压焊滑动
0.02～0.05（流行） 5.00～7.00（通常）
镍/浸金
触点领域/连接
0.10～0.30（绑定或 3.00～5.00（流行）
ENIG
器低负载触点
双面焊）
领域
焊接/弹簧片连 电镀镍
1.50～3.00（通常） 5.00～7.00（通常） 接连接器等插 /硬金
浸锡工艺表面形貌如图5所示，其工艺成本较 低，且锡的硫酸盐镀液中不含氟和铅，污水处理简 单；润湿性良好，沉积层平整均匀；与无铅钎料兼 容性好，对塞孔有良好的操作性，ICT测试性好，晶 体在热力学性能上较稳定，广泛应用于元件引脚和 插入压接。
图4 ENIG表面镀层形貌 表3 ENEG和ENIG工艺特点
ENEG（Electroless Ni/Au）和ENIG（Electroless Ni/I-Au）
两种，表3为其各自工艺特点。ENEG工艺主要用于
印制插头（金手指）或印制接触点，而ENIG工艺应
用领域较之更广。
Au具有平整耐磨、接触电阻小、ICT（在线测
试）测试好、可焊性好及耐氧化等优点，常用于金
手指及引线键合等。由于Au晶格空隙率大，Cu原子
作者简介：史建卫（1979- ），男，硕士，毕业于哈尔滨工业大学，主要从事SMT工艺与设备方面的研究工作。
第32卷第5期
史建卫：无铅化PCB表面材料及工艺特点
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度一般可达7μm。浸镀不需使用电流和还原剂，化 学反应严格，镀层厚度主要受材料影响而不受工艺 因素控制，如浸Sn镀层厚度比浸Ag镀层厚，但是低 温时镀层厚度也很薄。这些技术和镀层材料的配合 会产生不同的工艺特点和寿命特性。
Ag、Pd以及二元合金SnAg、SnBi、SnCu，还有Ni/ Sn、Ni/Pd、Ni/Au、Ni/Sn、Pd/Au、Ni/Au/Cu以及有 机镀层OSP。目前主要集中在HASL、I-Sn、I-Ag、 ENIG和OSP五大镀层。 1.1 HASL
HASL即热风整平，俗称喷锡[4]，表面形貌如 图3所示。HASL工艺分为垂直式和水平式两种， 水平式相比垂直式平整度高、钎料分布均匀和镀 层厚度最大可达38μm，一般大于8μm，最佳为 10μm～12μm，当小于2μm时会形成Cu3Sn而影响 可焊性。HASL质量与焊料温度、风刀气流温度以及 压力、操作时间和提升速度等都有关系。选择镀层 焊料时要对其润湿性（润湿平衡法）和承载铜的能 力进行测试评估，另外对多次整平中PCB铜层厚度的 减少和选用焊膏的润湿性要进行测试，选择最佳匹 配组合。HASL由于成本较低和可焊性好，日本投入 研究较多，主要镀层材料为SAC和SnCu两种合金。 欧美没有大量使用主要是因为其平整度问题（圆顶 形）、高温加工和对员工健康风险问题、形成的金 属间化合物（IMC）影响可靠性以及PCB绿油问题。
温度形成可焊性差的Cu3Sn。生产中有时可用电镀工 艺来代替HASL，表2为无铅钎料两种镀层工艺比较。
表2 无铅钎料表面镀层工艺
制造工艺 厚度d/μm
应用范围
HASL
4～16 SMT焊盘，热压焊盘，插头部位焊盘
电镀
8～12
热压焊盘，插头部位焊盘
1.2 ENIG Ni/Au镀层主要工艺方法包括化学镀和电镀[5]，即
钎料合金和表面镀层材料的冶金特性是生成完 美焊点的最关键因素，表面镀层主要起到以下四个 关键作用：可焊性保护、接触/通断、引线键合及焊 点界面[1-3]。常用镀层技术有电镀、化学镀、浸镀或 混合镀。电镀容易控制，所需电流工艺窗口较宽， 镀层厚度可达10μm，起到抗腐蚀作用。但是因加工 时必须通电，而决定电镀程度的电流密度受电镀表 面外形影响，所以用在高密度组装工艺上不理想。
属面，铜以一价、两价铜离子方式溶入锡溶液。由 于Sn（-0.136 V）与Cu（0.337 V）之间存在负的电位 差，Sn不会沉积在Cu板上，因此浸锡工艺中使用含 有硫脲（CH4N2S）和/或氰化物等成分，通过与铜的 络合作用减少Cu离子浓度接近零，同时浸锡槽内的 溶液主体是硫酸锡或氯化锡溶液。此外为了防止二 价Sn和硫脲的氧化，还必须添加次磷酸钠等强烈的 还原剂。预浸工艺使晶粒增大、不易氧化、晶格空 隙少和不易藏杂质。值得注意的是锡沉积具有自限 的条件，因为不断增长的锡层会形成一层障碍，阻 碍铜离子移向表面产生反应。
关键词：表面镀层材料；热风整平；化学镀镍/浸金；有机可焊保护层；润湿性 中图分类号：TN605 文献标识码：A 文章编号：1001-3474（2011）05-0306-07
Material and Technology Characters of Lead-free PCB Finish
SHI Jian-wei
浸锡工艺蚀刻后边缘得不到保护，带来的锡外 伸会导致断裂。此外浸锡工艺易产生“锡须”问题 影响可靠性。目前PCB镀层采用新的镀“毛锡”技术 来代替传统浸镀工艺，其特殊镀液配方能产生较大 多边形结晶颗粒结构，防止“晶须”的产生。实际 应用中，对于低端产品及使用寿命少于5年的，一般 采用镀纯Sn，对于高可靠性产品及使用寿命大于5年 的，采用另一种工艺防止“晶须”，即先镀1μm厚 以上Ni，再镀2μm～3μm厚毛锡。 1.4 I-Ag
无铅HASL工艺中所使用的SnCu合金工艺参数见 表1。研究表明：如果考虑到电子部件之间的焊接强 度或250 ℃～300 ℃的焊接温度，SnCu合金镀层中铜
图3 HASL表面镀层形貌 表1 无铅镀层与有铅镀层工艺参数
镀槽温度 气刀温度 油温 合金
θ/℃ θ/℃ θ/℃
SnPb 250
250
230
SnCu 280
修、运输装载难、对钎料具有选择性和焊点强度不 稳定。ENIG工艺中化学镀镍层（含磷/钴）厚度一般 控制在5μm，在400 ℃以下EN/Cu间的互扩散不会影 响界面结合强度，故热处理本身不会对EN/Cu结合强 度产生很大影响，其可靠性取决于随镍沉积的磷含 量。一般溶液根据含磷量可分为低P型（质量分数为 2%～4%），耐蚀性和耐酸性均差；中P型（质量分 数为4%～9％）耐蚀性好，但耐酸性差；高P型（质 量分数为10%～14%）耐蚀性和耐酸性均好。根据 失效模式可分为高P型（质量分数为>9.5%）和低P 型（质量分数为<9.5%）两种，磷浓度过低则可焊性 差，容易产生“黑盘”现象[7]；磷浓度过高则增加热 应力，降低连接强度，易产生腐蚀。实际应用中， 许多文献都推荐质量分数为7%～8%。
0.50～1.50（流行） 3.00～5.00（流行） 头部位焊盘滑 ENEG
动触点领域 补充：（1）化学镀镍/自催化金（ENAG）具有焊接以及出色的
热超声波键合性，但成本高，可焊性受限，仅适用于低负载领
域；（2）化学镀镍/钯/金具有出色的热超声波键合性及耐磨性，
超声键合受限，连续加工存在问题，不可返工；（3）电镀镍/软
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