PCBHannstar华硕内部培训讲义课件.pptx

1、1Vincent LyuHSB R&D Supervisor2裁裁 板板內層線路內層線路內層內層 AOIAOI壓壓 合合鑽鑽 靶靶 鑽鑽 孔孔一銅一銅/鍍通孔鍍通孔外層乾膜外層乾膜二二 銅銅外層線路外層線路防防 焊焊化鎳金化鎳金/噴噴錫錫成成 型型電電 測測FQCFQCOSP/ImAgOSP/ImAg文文 字字FQCFQCOQCOQCFQCFQC3Agenda 1.What is surface finish treatment?2.Category of surface finish.3.Process introduction 4.Selected Gold technology(SIT)

2、.5.What is the ideal surface finish?6.Compare with different surface finish treatment.6.Q&A4What is surface finish treatment?51.避免銅面氧化2.提供線路板與零件間之結合3.可銲性。4.其他考量：打線、插件、接觸導通6Category of surface finish7HASL:Hot air surface levelingENIG:Electroless Nickel and Immersion GoldImAg:Immersion SilverImmersion

3、 TinOSP:Organic Solderability Preservative 8Lead Free 緣由:鉛屬於重金屬會沉積在人體內，血液中超過25mg/dl就出現中毒現 象，影響到神經、生殖系統，鉛會溶於酸性水中，在土壤中會擴散 難以回收。禁鉛法令:歐盟WEEE 1.2002/96/EC WEEE(Waste electrical and electronic equipment):強調回收、再利用與再生.2.2002/95/EC RoHS(the restriction of the use of harzardous substances in electrical and el

4、ectronic equipment):自2006年7月禁止在電子電器設備中使用鉛、鎘、汞、六價鉻、PBB、PBDE.9Process Introduction10HASL11製程目的使電路板上裸銅區域沾錫形成錫面，以防止銅面氧化、污化，並保持裝配時零件與電路板良好的焊錫性。12噴錫簡介此製程最早出現於1970年之中期：錫槽中含錫/鉛比為63/37共融組成的銲錫合金，高溫中板面承墊內的銅份會融入鉛與錫中，也就是銅原子會擴散進入熔融的銲料內，使熔融的銲錫與底銅之間，迅速產生如樹根般的一薄層“界面合金共化物”（Intermetallic Compound Cu6Sn5)，是一種藉錫鉛保護待焊銅面不

5、致氧化的表面處理法。13製造流程微蝕酸洗助焊(flux)噴錫熱水洗水洗烘乾14流程簡介微蝕：以510%H2SO4，將附著的有機污染物連 根拔起，使真正潔淨的銅面能與融錫接 觸，微蝕後將電路板吸乾、吹乾、烘乾。酸洗：去除微蝕後的銅面氧化物。15流程簡介助焊：助焊劑是利用一些具活性的化學品，如 含氯與溴之化合物混入松香中製成，可 將待焊金屬表面進行化學清潔，降低表 面活化能，增進可焊性。噴錫：手動噴錫，錫爐溫度為230260，將板子置入錫爐中3秒後拉起，以熱風刀 將孔中及表面多餘的錫吹除16流程簡介熱水洗：直接冷水洗可能導致錫層表面收縮龜 裂、故水溫都保持60。水洗：洗去板子多餘雜質及殘餘藥液，並

6、烘乾出 料。17 製造成本便宜 可重工 IMC:Cu6Sn5 焊點強度佳 目前最普遍的表面處理(2002年:47%)銲錫相容性佳 優點優點18 表面平整性不佳，無法用於小Pitch 零件 無法用於較薄的板子 表面離子污染度高 對PCB熱衝擊大,有撓曲問題 含鉛 板子所受熱量不均勻，容易造成板翹板扭。焊錫面受到熱風刀向下的吹力，容易形成錫面垂 流而影響零件的粘著。缺點缺點19噴錫缺點分析 錫面粗糙造成原因：1.上錫區表面不潔2.助焊劑不足3.錫槽不純度過高20噴錫缺點分析 錫面不平錫薄造成原因：1.錫量不足 2.板厚變異大3.清洗時冷卻過快 4.熱風刮除大金屬面容易發生錫薄21噴錫缺點分析 錫厚

7、造成原因：1.風壓過低2.吹風時冷卻較快3.板子通過風刀之速度過快22ENIG23製製 程程 特特 徵徵1.在綠漆之後施行鍍鎳/金，採掛籃式作業，無須 通電。2.單一表面處理即可滿足多種組裝須求：-可焊接、接觸導通、打線、散熱等功能.3.板面平整、SMD焊墊平坦，適合於密距窄墊的鍚 膏熔焊。24製造流程脫脂 微蝕 酸洗預浸 活化 化鎳 浸鍍金 烘乾25流程簡介脫脂脫脂 作用作用(1)去除銅面輕微氧化物及污物 (2)降低液體表面張力，將吸附於銅面 之空氣及物排開,使藥液在其表面 擴張，達潤溼效果 反應反應 CuO+2 H+Cu+H2O 2Cu+4H+O2 2Cu2+2H2O RCOOH +H2O

8、 RCOOH+ROH26微蝕 作用(1)去除銅面氧化物 (2)銅面微粗化,使與化學鎳層有良好的 密著性 反應 NaS2O8+H2O Na2SO4+H2SO5 H2SO5+H2O H2SO4+H2O2 H2O2+Cu CuO+H2O CuO+H2SO4 CuSO4+H2O流程簡介27酸洗酸洗 作用作用-去除微蝕後的銅面氧化物 反應反應 CuO+H2SO4 CuSO4+H2O流程簡介28預浸預浸 作用作用(1)維持活化槽中的酸度 (2)使銅面在新鮮狀態(無氧化物)下,進入活化槽 反應反應 CuO+H2SO4 CuSO4+H2O流程簡介29活化活化 作用作用 (1)在銅面置換(離子化趨勢 Cu Pd

9、)上一層鈀,以作為化學鎳 反 應之觸媒 反應反應 陽極反應 Cu Cu2+2 e-(E0=-0.34V)陰極反應 Pd2+2 e-Pd(E0=0.98V)全反應 Cu+Pd2+Cu2+Pd流程簡介30化鎳 作用:在活化後的銅面鍍上一層Ni/P合金,作為阻 絕金與銅之間的遷移（Migration）或擴散 （Diffusion）的障蔽層.流程簡介31 H2PO2 H2O HPO32 2H+2e 次磷酸根氧化釋放電子(陽極反應)Ni2 2e Ni 鎳離子得到電子還原成金屬鎳(陰極反應)2 H+2 e H2 氫離子得到電子還原成氫氣(陰極反應)H2PO2 e P2 OH 次磷酸根得到電子析出磷(陰極反

10、應)總反應式:Ni2 H2PO2 H2O H2PO32 H+Ni電化學理論32PdPdNi-P Grain Ni-P Grain 沉積沉積CuPd2+CuCuCu2+1.活化活化2.Ni/P 沉積沉積3.Ni/P 持續生長持續生長Ni-P33浸金浸金 作用作用(1)提供Au(CN)2 錯離子來源,.在鎳面置換 (離子化趨勢 Ni Au)沉積出金層 (2)防止鎳表面產生鈍態並與溶出的Ni2+結合成錯 離子.(3)抑制金屬污染物(減少游離態的Ni2+,Cu2+等).反應反應 陽極反應Ni Ni2+2 e-(E0=0.25V)陰極反應Au(CN)2-+e-Au+2 CN-(E0=0.6V)Ni+Au

11、(CN)2-Ni2+Au+2 CN-流程簡介34置換金反應置換金反應離子化趨勢 Ni Au NiNi Ni2+2e E0=0.25VAu(CN)2 +e Au+2 CN E0=0.6V Ni2+錯合劑 Ni 錯離子Ni/P35 可Wire Bonding.表面平整 fine pitch(1.0mm)保存壽命長(1年)可用於手機上key pad優點優點36 製造成本貴 ENIG不可重工 IMC:Ni3Sn4焊點強度較差 製程複雜.控管不易 黑墊缺點缺點37OSP38在銅面上形成具有保護性的有機錯合物皮膜What is OSP?What is OSP?39OSP Film40OSP Film af

12、ter IR Reflow 341What use OSP?What use OSP?42保護銅面不繼續氧化或硫化不會引起化（鍍）金變色保護膜僅在銅面上形成保護模具有良好的耐熱性、耐濕性經過多次回焊處理後，仍保持優異的焊接性銅箔焊墊面可保持平滑，最適合使用於高密 度組裝基板。OSP 的好處43易溶於水，廢水處理容易之綠色環保產品以醋酸/蟻酸（弱酸）為溶劑系統較低的處理成本（與其他焊墊處理製程比較）較低的離子污染（與其他焊墊處理製程比較）製程浸泡噴灑均適用重工容易優異的焊接強度OSP特色44成分配合比(%)目的苯并咪唑系樹脂1.0以下皮膜成分有機酸14溶媒金屬化合物0.6添加劑離子交換水剩餘部分

13、溶媒OSP主要成分45是一種具有選擇性保護銅面而又維持銅墊及通孔銅面之焊接性能的有機保焊劑。處理後PCB之存放壽命 包裝後十二個月內（2030,4070相對濕度）拆包裝後七日內（2030,4070相對濕度）若遇不良或擺放過久時,可以重工 不可使用蒸氣老化試驗（表面不耐濕氣）可耐通過典型對流式SMT表面黏裝熱熔處理至少三次 過一面後,另一面需在24小時內黏裝46錫膏相容性 與所有類型都相容,包括有機酸(OA),松香輕度活躍 (RMA),免洗型(NC),免洗低固體含量型(LR)波峰焊 與所有類型都相容,有機酸(OA),松香輕度活躍(RMA),松香活躍(RA),及合成活躍型(SA)基本上低固體含量免

14、洗型助焊劑(LSF)是不夠活躍 採用ENFLUX NCF(免洗型)之助焊劑可提高焊接之成效47 對裝配廠商的益處提高線路板之生產能力 SMT之銅墊表面平整 較容易絲印錫膏 可控制錫膏量 明顯降低精密零件移位的機會 提高一次過焊成功的機會與SMT及混合焊接技術相容與所有類型之助焊劑相容提高線路之可靠度 減低離子污染 加強SMT零件焊接之強度 改善線路板之線性穩定性 改善線路板之結構穩定性48 OSP不良項目分類主要缺點類：保焊膜未形成或破膜 膜下銅面氧化 膜厚太薄（0.2um以下）次要缺點：顏色不均（色差）表面水痕 沾附白色結晶物 金手指處變色（色斑、氧化紋）非缺點類：顏色太深或太淡 接金手指處

15、色差 膜上出現色斑49生產流程50脫脂段清除銅面氧化物清除指紋、油脂及成型時之污染酸性清潔段確定銅面無任何脫脂藥液後殘留在銅面上建議使用5醋酸acetic acid水溶液水洗段充分水洗以避免將污染帶入OSP槽中可使用溫水清洗（40-50）以加速OSP槽之反應風刀儘可能減低前槽水洗及藥水帶入OSP槽，以確保藥液穩定將面銅及孔內之水吹乾completely以利在OSP槽獲得均勻之OSP皮膜生產流程51建議使用硫酸/雙氧水系統之微蝕劑，因銲錫性遠優於SPS微蝕劑。OSP之銅面顏色與使用之微蝕液種類有關。硫酸/雙氧水微蝕劑將得到霧面及代桃紅色的皮膜，而SPS微蝕劑則會暗紅色之皮膜。板面微蝕液應很容易被

16、洗淨，並確定無任何殘留物在銅面上微蝕液應不含任何抗氧化成分，因OSP皮膜將與銅面進行化學反應生產流程52微蝕後之SEM53需使用水刀Jet nozzle之設計以便讓OSP槽能充分貫穿通孔以加速孔內反應槽體材質部分建議採用PVC及Stainless 316無須使用鈦質材料，因為弱酸不會腐蝕Stainless建議使用輪式滾輪組以增進藥液循環不建議適用類似EPDM之橡膠材料做為擠水及吸水滾輪，以免影響膜厚均勻性抽風儘可能大以減低醋酸/蟻酸之氣味散逸到槽外傳動滾輪儘可能輕，以免輪痕產生護銅槽54擠水擠水滾輪主要是將OSP槽液帶出量減低到最少 程度，以避免水痕及獲得平坦皮膜傳動滾輪應儘可能輕，以避免輪痕

17、產生需注意擠水滾輪材質，以避免產生結晶物質水洗水洗槽必須注意噴灑壓力，因目前OSP皮膜仍然很軟水洗水須使用DI水以避免離子污染烘乾溫度需在8090左右的熱風，已確定皮膜上無濕氣及水份在孔內後處理55薄的皮膜將無法避免銅面氧化，太厚的皮膜將有無法去除乾淨之疑慮膜厚有何影響56PH值浸泡時間槽液溫度活化物濃度如何控制OSP皮膜57檢測膜厚的方法58OSP本身之特性皮膜厚度微蝕盲孔縱橫比熱循環之次數助焊劑及錫膏錫焊技術在氮氣下進行Reflow銲錫性影響因素59不易在量產板上直接量測皮膜顏色與銅接近不易觀察品質特性易受PWB之設計及構裝置成之 影響Solder paste mis-printing後不

18、易重工OSP之缺點60因應無鉛需求OSP應可滿足，但因OSP皮膜經重工後皮膜厚度會減少，應是OSP致命傷。OSP製程簡單及成本是所有表面處理中最低也是為OSP優勢。無鉛焊接已成為必然趨勢下，除了焊料更換其他如焊墊、通孔也必須隨之改變，故OSP未來發展性不可忽視。結論61IMAg62 Advantage:1.Good distribution of thickness Fine Pitch 2.Excellent solderability (IMC:Cu6Sn5)3.Compatible with lead free solder 4.Multiple Multiple 化銀簡介63清潔微蝕(

19、酸洗)預浸化銀純水洗(抗氧化)烘乾化銀流程Ri nseBl ackhol eCondi t i oner 115 CBl ackhol eBat h Heat ed Dr yerBl ackhol eM i cr ocl eanRi nseDr yRi ns eBl ackhol eAnt i-Tar ni shimmersionSterling Acid Cleaner505 min.Sterling Surface Prep4060 sec.Sterling Pre-Dip30 30 sec.Sterling Silver5060 sec.Temperature64 Immersion S

20、ilver反應機制:1.Galvanic Displacement 反應機制:Cu+2Ag+2Ag+Cu2+E=0.46V 置換比例:1.0.29g Cu1g Ag 2.0.068um Cu 0.2um Ag 2.影響化銀厚度因子:1.溫度 2.化銀濃度 3.反應時間 4.Pad sizeCu metal +2 Ag+e-exchange,heat2 Ag metal +Cu+65SilverMetal source.0.46V relative to Cu.HNO3Ag anion.Accelerates reaction.Copper ComplexationCu in solution

21、cannot affect reactionInhibitorsDeposit uniformityPrevents bath sensitivity to lightSurfactantsPrevents ElectromigrationInhibits TarnishBuffering,etc.槽液組成66Sterling Silver Thickness051015202530354045024681012Plating Time(min.)Ag Thickness(uin.)Wt.GainXRFProduction/QA Thickness by XRF化銀厚度 vs 時間67Pad

22、Size vs.Sterling Thickness(1 minute immersion)R2=0.977302468101214050100150200250300Pad Size (mil)Thickness(microinches)化銀厚度 vs 時間化銀厚度 vs Pad Size68Silver Thickness vs.Bath Temperature0510152025303540455012345Plating Time(min.)Ag Thickness(uin.)Sterling 120FSterling 110FSterling 100F化銀厚度 vs Temperat

23、ure690.020.040.060.080.0100.00.40.30.60.91.21.51.82.12.42.73.03.33.6microinchesAtomic%SilverOrganicCopperOrganic功能:防止 migration0.3 m70製造成本低製程簡單.產速快可重工IMC:Cu6Sn5 焊點強度佳保存壽命長(1年）表面平整Fine pitch 優點優點71製造環境要求(無硫.氯)化銀表面易刮傷，需隔無硫紙Wire bonding(Au)尚無水質導電度要求(20us)缺點缺點721.包裝於組裝拆封後,應儘速完成組裝,時間以1天內完成組 裝為宜.最多不得超過3天.

24、2.需Double Reflow 時,亦需在Reflow一次後,於1天內完成 組裝.3.包裝後之存放條件:在溫度300C,相對濕度70%下.儲存壽 命為一年.組裝注意事項組裝注意事項73Immersion Tin74A.PrinciplesThe reasons that Immersion Tin can replacement HASL:Flat and CoplannerLead freeThe base material are methy-sulfonic acid,tin methysulfonate,and thioureaCu0Cu+2+2e-E=-0.34VSn+2+2e-S

25、n0 E=-0.34VSn+2+Cu0Cu+2+Sn0 E=-0.48VTotal Reaction:75Interdiffusion Barrier(Polyaniline)CuS/MSn1.01.5m76B.ProcessProcess StepTemp()Time(min)Cleaner35-604-6Microetch25-352-4Predip75-901-2Immersion Tin60-706-1277 Cleaner:The Purpose of this step is1.Clean the copper surface in preparation for processi

26、ng.2.The cleaner removes oxides and most organic residues and ensures that the copper surface will be uniformly microetch.78 Microetch:The Purpose of this step is1.Microetch the copper and to expose a fresh copper surface2.to allow the immersion reaction to proceed uniformly.2.Remove the oxides and

27、create the roughness to ensure the adhesive.2.An appropriate etchant (for example,sodium persulfate,preoxide/sulfuric acid,etc.)may be used here.3.The etch amount is 4060m.79 Predip:The primary function of the predip bath is to activate the copper surface and to prevent drag-in of contaminants into

28、the immersion tin bath.80 Immersion Tin:Although this bath is an immersion bath,it continues to build upin thickness over time.Most immersion baths are self-limiting.This occurs because copper forms copper/tin intermetallics thatsustain the immersion reaction.Which is the solderable surface.81 Rinsi

29、ng:Rinsing is required after each chemical process step.The Purpose isto remove all chemical residuals from the process step.This cleaningmay be achieved in a single or dual rinse.Excessive dwell time in arinse bath may cause oxidation or tarnishing of the product and isundesirable.Vendor specificat

30、ions for temperature,dwell time,agitation,bath loading,and bath chemical control must be followed.82C.ApplicationsImmersion tin is a highly solderable surface and forms the standard copper/tin intermetallics solder joint.Tin providesa dense uniform coating with superior hole wall lubricity.83化學浸錫所面臨

31、的問題與製程異常處理對策化錫可分灰錫（結晶顆粒較大且不密緻）與白錫 （密緻且無應力）利用硫尿做催化，使銅金屬與二價錫電子交換，達到錫附著銅面，唯高濃度硫尿會損傷綠漆，且 會致癌。化錫與化金都在高溫下長時間反應，易造成綠漆 脫落。高溫下組裝可能產生錫鬚，引起微短現象。84化學浸錫製程異常處理對策問題可能原因處理對策綠漆剝落1.前處理不良改善前處理條件2.綠漆相容性不佳選擇適當綠漆3.綠漆後烘烤不足檢查UV能量與後烤溫度及時間4.反應溫度過高降低反應溫度至下限，時間不得超過管制上限四價錫沈澱四價錫過高1.降低過濾循環量，檢查是否有微泡產生。2.建議使用5m的濾芯。焊錫性不良1.錫厚度不足1.先增加

32、反應時間，再考慮提高溫度。2.定期、定批量測錫厚度。2.板面氧化熱水洗溫度需保持在45度以上3.四價錫過高降低過濾循環量，檢查是否有微泡產生槽液變綠鐵污染過高更新槽液，設備所使用的材料不得含有鐵85Selection Gold Technology(SIT)86Multi-function of surface be required in one PCB of some mobile phone boards,as tension of soldering and touching conductivity.Tension of Soldering be required Touching

33、conductivity be required ENIG be used on the other areas because of multi soldering or other issues.OSPENIG87ENIG：Electroless Nickel Immersion GoldOSP：Organic Solderability Preservative Applied-functionENIGOSPSolder-abilityBond-abilityConductivityThermal-DissipationMulti-reflowDifferent Surface IMC

34、after soldering ENIG Ni3Sn4 OSP Cu6Sn5When more function be required,combined surface treatment is needed.Why ENIG&OSP？OSP film cant combined on Gold surface in process 88The others by OSPWave receiver contact pad by ENIG89Processed boardENIG preservativeENIGS/R processingPattern forming development

35、Dry-film laminatingSurface pre-treatmentStrippingCuttingO/S testFinal inspectionOSPPackaging 90What is ideal surface finish?911.與組裝流程相匹配。2.表面平坦且均勻。3.良好的銲性。4.壽命長且不需特殊儲存環境。5.價格便宜。6.不污染環境（製造、組裝、棄置）7.生產良率高。92Compare with different surface finish treatment.93Surface finish attribute and cost comparisonIT

36、EMHSALENIGOSPImmersion TinImmersion Silver表面平整性差佳佳佳佳顏色亮灰色金色銅色銀色銀色設備垂直/水平垂直水平水平水平儲齡一年一年六個月六個月六個月皮膜厚度50-500inNi:120-150inAu:2-4in8-20in40-60in8-20in綠漆匹配性必須必須無必須無反應時間1-3秒15-25分鐘30-90秒6-10分鐘60 秒資料來源：電路會刊第十二期94ITEMHSALENIGOSPImmersion TinImmersion Silver反應溫度24085 45 80 50 作業時間5分鐘60分鐘6-10分鐘15-25分鐘6-10分鐘重工

37、程度容易困難容易容易困難打線結合-鋁線鋁線-綠漆相容性好差佳差佳廢水處理簡單複雜簡單複雜簡單操作成本1.2511.51.5資料來源：電路會刊第十二期Surface finish attribute and cost comparison95Surface finishCoplanaritySolderabilityWire bonding(Au)Wire bonding(Al)Contact surfaceHASLNoYesNoNoNoOSPYesYesNoNoNoENIGYesYesYesNoYesNi/Pd/AuYesYesYesYesYesPdYesYesYesNoYesAgYesYesYesYesNoSnYesYesNoNoNoSurface Finish Capability96Q&A