PCB的新型有机金属纳米表面涂覆研究

　　目前，绝大多数的PCB可焊性表面涂(镀)覆层，如化学Ni／Au(ENIG)、化学镀锡、化学镀银、化学镀Ni／Pd／Au(ENEPIG)和有机可焊性保护剂(OSP)等，虽然可用于无铅焊接的要求与条件。但是它们仍然不是纳米级的表面涂(镀)覆材料，它们的表面涂覆厚度都在300nm(0．3um)以上。而新开发的有机金属OM(Organic Metals)的表面涂覆层，仪有50nm，而更重要的是一一在50nm厚度OM表面涂覆层中，它们由90％左右是导电聚脂(Conductive Polymer)材料和1 0％的金属Ag(实际上Ag仅为4nm的厚度)来组成的，因此它优越于目前所有的表面涂覆材料。
　　1概述
　　有机金属OM是一种特殊的有机材料，即它是一种具有金属特性的导电性聚合物。它是通过“合成”并“分散”开来的颗粒大小为10nm的有机金属OM材料。有机金属OM材料用于防止铜氧化方面是非常有效的，在几年前就确立了这个论点。而应用于PCB的表面涂覆是十分经济的。同时，即使经过存放和热老化(Storage and Thermal Aging)以后，仍有优良的可焊性。因此在浸锡沉积以前，先进行有机金属OM的表面涂覆(制备)是十分有益的。更突出的是，OM是PCB顶级(Top-Quality)的表面涂覆层之一，建立这种工艺可以广泛应用于PCB工业上，并且可用于无铅焊接的电子产品的制造中。
　　在这个技术工艺中，通过OM预浸处理可以在铜表面形成大约80nm厚的吸附层(Ad SO rb ed Laye r)，因而，导致有选择性的形成Cu+，从而保护了下面的Cu。同时Cu+又作为催化剂为Sn2+提供了“电子”，使S n沉积到Cu表面上。
　　近10年来，经过0rmecons的精心研究和探索，成功地完成了含有“有机纳米金属”为PCB提供了优良的表面涂覆层。在三年以前，作为第一个以0M基的“纳米表面涂覆层”提供了市场。0M基的“纳米表面涂覆层”，不仅有足够高的抗热变(退)色(Di sc010 ration)而适用于无铅焊接条件，而且，现在新一代的0M-Ag络合的纳米表面涂覆层(Complex Nanorfinish)已经问世，并表明在抗老化、抗变(退)色和可焊性等方面有更好的性能。
　　2工艺说明和性能介绍
　　下面是OM一Ag络合的纳米表面涂覆层的工艺形成过程及其性能实验情况。
　　2 .1  工艺流程
　　工艺流程是以特种酸清洁剂开始，经过专门微蚀刻处理，然后在制板(Panels)经过短时间浸渍(调整1 0 s)后，进入活化液槽(0MN7100，35℃／90 s)，经过漂洗、干燥便完成了。其加工工艺流程如下：
　　酸性清洁剂－漂洗－微蚀刻－漂洗－调整－OM液槽－去离子水漂洗－烘干
　　在制板样品经过扫描电子显微镜(SEM)和静电库伦法测量(GCM)进行结构研究(Morphology Investi2ation)。图1表示PCB的铜焊盘表面经过OM／A2纳米表面涂覆处理以后的扫描电子显微镜的图像，SEM图像表明，0M—Ag络合物是处于铜结晶的界面处，而大部分面积(区域)是铜的表面。
　　2 .2库伦法研究(couIometric lnvestigation)
　　采用静电库伦法测量(GCM，Galvanostatic Coulomet：ric Measurement)的电化学研究表明，以0M基的纳米表面涂覆是形成了新型的络合物，如图2所示。这个新型络合物的电位(电势)是明显区别于普通(单纯)的Ag处在Cu表面上的。
　　OM／Ag纳米颗粒络合物对铜的表面涂覆的关系是取决于浸渍时间的。电位(压)大小表明，铜表面将随着开始加工的进行而缓慢地减少，在40s一60s之间具有最高的覆盖率，而在60s以后的无铜的覆盖率将缓慢地下降，并在9 0 s后检测(电化学可看出)不到铜。
　　2．3 XPS研究
　　涂覆在铜表面上的OM基纳米表面涂覆层的铜和银的X-射线光一电质谱(XPS，X—Ray Photo-Electron Spectr-oscopy)深度分布(Depth Profile)表明，在回流焊的前后，Ag的深度分布，一般仅在2nm-3nm之间变动。在整个回流焊过程中，最外层表面上的Ag：Cu比率虽然有些变化，但是其变化是很小的。而在回流焊以后，对2nm深度分布的分析表明，Ag：Cu比率是没有变化的。这也表明，0M基纳米表面涂覆层不存在着银．迁移问题的烦恼，看来，银是以络合物与OM而固定下来。
　　而更有趣的问题是在PCB焊盘表面上的金属与氧化铜的比率，在回流焊的前后，这个比率不发生变化。这充分证明，这种新的O M基纳米表面涂覆层在保护Cu的氧化方面是有优良能力的。
　　2．4开尔文电位(Ke lvin Potential)
　　铜、氧化铜、在铜上化学浸银和在铜上浸渍0M／Ag纳米表面涂覆等的样品上，采用扫描开尔文探头(SKP，UBM Me s stechnik GmbH)分别测定了表面电位。对于表面氧化的敏感性而言，开尔文电位·是很可靠的指示器。不同处理的和未处理新鲜铜的表面的开尔文电位测试结果。
　　新纳米表面涂覆组成的0M／Ag纳米级(颗粒大小)络合物，其开尔文电位已经接近纯银的开尔文电位，而化学浸纯银的厚度是OM／Ag纳米级(颗粒大小)络合物表面涂覆厚度100倍以上。
　　2．5   0M／Ag纳米级络合物表面涂覆微空洞
　　大家知道，在化学浸银等的表面涂覆层中，发生微空洞是PCB要考虑和研究的课题。而OM基的纳米级(颗粒大小)络合物表面涂覆层是不会发生微空洞的，通过OM基处理的剖面和xPS检查表明是没有微空洞的。
　　2．6   热老化和可焊性试验
　　热老化是模拟焊接和储存条件来完成的。为了模拟焊接条件，测试的在制板经过0M幕的纳米级表面涂覆层处理后，选择具有峰值温度接近250℃的无铅焊接曲线，在回(再)流焊烘炉中，按标准条件“回火”到(Tempe red Up)ⅣU次。而模拟储存条件是测试的在制板在155℃下老化4h。
　　在回流焊前和经回流焊后的OM／Ag纳米级表面涂覆样品和化学浸银样品的性能进行比较，其结果示于表2中。通过PCB制造商和组装工厂的大量实践也证明了这些试验的结果。经过0M／Ag纳米表面涂覆处理后的在制板又经过回流焊条件烘烤是不变色的。
　　OM基纳米表面涂覆层优良的可焊性结果是由客观评价而证明了的。对广泛应用的有机可焊性保护剂(OSP)与OM基纳米表面涂覆层之间的比较也进行了，主要是采用可焊性分析和湿润平衡(wetting Balance)来确定它们的润湿力(Wetting Force)。试验结果表明OM基纳米表面涂覆层的润湿力(1．0mN) 几乎是OSP保密涂覆层润湿力(0．55m)的两倍。
　　2．7焊料焊接
　　一个外部的客观分析表明，采用0M／Ag纳米级表面涂覆层的BGA焊盘进行无铅锡焊料焊接是具有高质量的焊接结构的。可以期望采用OM／Ag纳米级表面涂覆层的焊接是具有长期可靠性的。
　　3结论
　　OM／Ag纳米级(颗粒大小)络合物可作为PCB可焊性表面涂覆(镀)层。它具有更薄的厚度(50nm，仅为最薄的化学镀银的1／6左右)，可用于无铅焊接条件。同时，OM／Ag纳米级可焊表面涂覆层比起非纳米级的常规可焊性表面涂(镀)层(包括0 S P涂覆层等)来说，在抗老化、抗变(退)色和可焊性等方面有更好的性能。