贾凡尼效应分析与改善
化学沉银的PCB板
化学沉银的PCB 板1.Sterling TM 是什么是什么？？Sterling TM 是一种化学湿制程,在线路上的裸铜面沉积一层薄金属银。
Sterling TM 是一种最终表面处理制程，也是典型的PCB 生产中最后一道化学湿制程。
Sterling TM 是MacDermid 研发实验室的专利技术，是一种取代喷锡、镀锡铅，有机保焊剂的高新技术。
2.2.为什么化学浸银可作为最终表面处理为什么化学浸银可作为最终表面处理为什么化学浸银可作为最终表面处理？？当今HASL 不再适应PCB 更薄，线路更密集的设计要求，因此在功能上可供选择的产品已有很多的研究。
化镍浸金制程采用的增加，淘汰了喷锡，但是化镍浸金制程在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，比如组装板电测及助焊剂匹配性。
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。
在Sterling TM银面上焊接产生铜锡合金介面层，同类的焊接点在电子业界受青睐几十年。
？3. Sterling TM制程的步骤是什么制程的步骤是什么？Sterling TM酸性清洁：去除板面污染物，为后续金属沉积做清洁处理。
清洁剂操作温度低，泡沫少，PH值为酸性不会攻击防焊绿漆。
Sterling TM表面预处理：为改良的过硫酸盐系统。
因为随后的银沉积视乎底铜的表面状况，故预处理非常重要。
有机添加剂比起普通的过硫酸盐微蚀可让铜面更光洁，通常表面预处理会咬铜5µ（20µ″）。
Sterling TM预浸：槽液不含银，其它组分与化银槽相同。
预浸防止硫化物和氯化物进入化银槽引起沉淀，也为银沉积的平整提供高度湿润的表面。
Sterling TM化银：通过置换反应在线路铜表面上沉积一层非常薄的近乎纯的银金属。
化镍浸金焊接黑垫之探究与改善
化镍浸金焊接黑垫之探究与改善一、化鎳浸金流行的原因各種精密元件組裝的多層板類，為了焊墊的平坦、焊錫性改善，焊點強度與後續可靠度更有把握起見，業界約在十餘年前即於銅面逐漸採用化鎳浸金(Electroless Nickel and Immersion Gold;EN/IG)之鍍層，作為各種SMT焊墊的可焊表面處理(Solderable Finishing)。
此等量產板類有：筆記型電腦之主機板與通訊卡板，行動電話手機板，個人數位助理(PDA)板，數位相機主板與卡板，與攝錄影機等高難度板類，以与電腦週邊用途的各種卡板(Card，是指小型電路板而言)等。
據IPC的TMRC調查指出ENIG在1996年只占PCB表面處理的2%，但到了2000年時卻已成長到了14%了。
以台灣量產經驗而言，1000l之化鎳大槽中，單位操作量（Loading Factor）已達1.5ft2/gal（360cm2/L），工作忙碌時兩三天就需要換槽。
ENIG之所以在此等困難板類大受上下游歡迎的原因，經過深入瞭解後計有下面四點：圖1.此為Errison著名手機T-28之HDI六層板（1+4+1），線寬3mil雷射盲孔5mil，其基頻區共裝了一顆mini-BGA与4顆CSP，其Via in Pad之墊徑僅12mil左右，是1999被Prismark推崇的明星機種。
初上市時售價台幣兩萬六，由於競爭激烈与電磁波太強，2001年已跌價到了999元，災情之慘重豈僅是唏噓慨嘆而已。
1.1 表面平坦好印好焊，小型承墊獨領風騷當板面SMT的細長方形、或圓形、或方形之焊墊越來越多、越密、越小時，熔錫與噴錫處理墊面之高低不平，造成錫膏印刷不易與零件踩腳困難，進而造成熱風或熱氮氣熔焊（Relow）品質的劣化。
此與十餘年前盛行的通孔波焊，或後來墊面還夠大時的錫膏熔焊等皆大異其趣。
彼時之墊面噴錫處理，無論在焊錫（Solderablity）或焊點強度（Joint Strength）方面，均非其他可焊處理之所能望其項背。
化学镍金+OSP板中贾凡尼效应研究
（Ｖ＝１．６９１ Ｖ） ，存 在 较 大 电势 差 ，构 成 一 个 贾 凡 尼 （原 电 池 ）体 系 。Ｎｉ在 贾 凡 尼 效 应 的作 用 下 加 速 失去 电子 ，为阳极 。 电子通 过线 路转移 到金 层 上 ，金层 为阴极 。 当药水蚀 穿镍层 露 出下 方 的铜 层 时，金与铜 构成 一个原 电池 体系 。Ｃｕ在贾凡 尼 效应 的 作用下加 速失 去 电子 ，为 阳极 。电了通 过 线路 转移 到金层 上 ，金层为 阴极 。镍 层或 铜层被 大量 咬蚀 ，导致 金层 或镍层 悬空 ， 出现镀 层剥 离
， 对 术做 化 学 镍 金 的 铡 做ＯＳＰ处 。
１．２ 贾 凡尼 效应 原理
化 学 镍 金＋ＯＳＰ．Ｉ２艺 ｔｔ１的 Ｊ＇Ｌ）ｄ效 应 ｔ 要 发 生 ！ＯＳＷ ｆ ：过 中 。ＰＣＢ板 ¨ 时 仔 制 和 金 等 两 会 ， （Ｆ．ＯＳＰ的 酸 性 反 Ｊ、 环 境 ｆｌ， 为 贾 凡 尼 效 应 的发 提 供了 良好的环 境。
１ 化学镍金＋ＯＳＰ工 艺 、贾凡尼效应 原 理
１．１ 化学 镍金＋ＯＳＰ工艺
前 工 序 一 前 处 理 一 压 膜 一 曝 光 一 显 影 一 化 学 镍 金 一 退 膜 一 成 型 一 电测 一 ０ＳＰ一 后 ＿Ｊ：序
化学镍 金 前使 用十膜 将 衙ＯＳＰ处 的部 分 役 ， 术 役 盖 的 部 分 化 学 镍 处 理 。 化 学 镍 金 后 将 下膜 除 ，露 出需ＯＳＰ处理 的焊盘 ，成 后 整 扳 做ＯＳＰ处 理 。利 用 ＯＳＰ约 水 与 反 成 膜 的 特
０ 前 言
随着 行 业 的 发 腱 ，越 米 越 多的 密 集 组 装饭 ， 尤 足带有微小焊盘的 １：４Ｊ Ｌ板选择使用化学镍金＋ＯＳＰ 艺 。 化 学 镍 金＋ＯＳＰ １－艺 备 化 学 镍 金 和 ０ＳＰ１： 艺 白的优 点， ＿义避 免了微小焊 盘带 来 的镍 腐蚀 问题 和焊 接 后 的金 脆 风 险 。 本 文 对 化 学 镍 金＋ＯＳＰ ＿ｒ＝艺 ｆ１常 见 的 贾 凡 尼 效 心 进 行 分 析 ， 探 时控 制 贾 凡尼 效 Ｊ、 的方 法 。
OSP及浸锡-印制电路世界200705
流程一以仪器直接测量焊垫铜面上OSP 皮膜的厚度。
3、当O S P 皮膜厚度偏厚时，对某些含低活性助焊剂的免洗锡膏的匹配性不佳，此乃肇因于锡膏中所含的助焊剂无法彻底清除铜面上的OSP 皮膜，导致焊锡性不良。
4、OSP 皮膜本身为不导电的皮膜，为了避免电测时测试针破坏皮膜，通常会将OSP 制程安排在电测之后。
但如此一来就必须特别注意OSP 制程微蚀段的咬蚀量，若是微蚀量控制不当，加上某些特殊设计的混合处理板面（Mixed Metal Finish PWBs）特有的贾凡尼效应（G a l v a n i c Effect）影响，甚至是品质不良必须重工者，都可能导致细线路过蚀断路而不自知。
5、对于某些特殊设计的板面，当板面上已有局部铜面进行化学镍金的表面处理存在时，必须小心的控制OSP 槽液中的铜离子浓度，以免在金面上沉积出铜层来。
但OSP 制程仍以其制程简单、成本低、焊接强度高、表面平整、可耐多次熔焊（R e f l o w S o l d e r i n g ）处理等特点日益广泛的获得业界采用，成为取代传统喷锡制程的主要选择。
图1 不同的微蚀药液所创造出来的铜面微粗糙度，彼此之间有着明显的差异。
其中上左与上右虽同为硫酸/双氧水系列微蚀液，但因采用不同的安定剂，微蚀效果亦不相同。
二、 流程系列Flow SystemOS P 制程在历经业界不断的研究与改良后，目前已有多家厂商先后推出OSP 商品加入竞争的行列。
虽然各家均宣称在配方与反应机构上有其独门密技，但是在OSP 的制程流程上却没有太大的差异。
其中美商药思化学（E n t h o n e ）所开发的E N T E K PLUS 制程是目前业界所扩泛采用的有机保焊剂制程之一。
笔者以ENTEK PLUS Cu-106A 的水平自动生产线为例，将OSP 的标准流程简介如后（见流程一）：2.1、酸性清洁脱脂A c i d Cleaner主要功能在于去除铜面氧化物与指纹、油脂等污染，保持铜面的清洁。
化学银、化学锡的可靠性应用探讨
一、反应机理1、化学银化学银是利用银与铜的置换反应，在焊盘表面形成薄镀层，厚度在0.1-0.5um；化学银只起可焊性保护作用，不参与焊接，焊点的形成是铜锡界面化合物。
优点:沉银表面均匀一致，适用于高密PCB，制作温度40-50摄氏度左右，对PCB的热冲击小，能满足无铅要求，可耐多次焊接。
缺点：PCB不可返工，银面易变色；线路有腐蚀风险。
2、化学锡在硫脲作为催化剂情况下，发生铜锡置换反应；在反应中，有机络合物的参与，可以减弱锡氧化、枝晶锡须的生成。
锡层的厚度控制在0.8-1.2um。
优点：沉锡表面均匀一致，适用于高密PCB，制作温度35-70摄氏度左右，对PCB的热冲击小，能满足无铅要求，可耐多次焊接。
突出特点是可焊性好；孔壁润滑性好，适合于压接和插件焊接。
缺点：废水中含有硫脲，需要特别的处理；对阻焊有攻击，对阻焊的要求高；锡须的生长暂无定论。
二、常见的失效1、化学银的贾凡尼效应贾凡尼效应包括铜与银间的置换腐蚀和电偶腐蚀。
置换腐蚀的主要因素在于化学银与阻焊连接位的阻焊undercut藏有化学银残留药水；残留的药水中含有银离子与焊盘、走线上的Cu形成腐蚀。
电偶腐蚀的机理是：铜比银活泼，由于水膜中溶解有氧，形成铜为阳极，银为阴极（被保护），发生阳极氧化反应，铜表面发生吸氧腐蚀。
规避措施：（1）走线与焊盘连接处设计成泪滴型焊盘；（2）严格控制阻焊的制成；（3）降低化学银药水中的银离子浓度；（4）改善PCB板的使用环境（避免高湿环境）。
2、化学银银面变色导致银面的变色主要有两方面。
一方面是铜面的不平整导致的。
正常的银层厚度是0.1-0.5um，当银层厚度很薄，小于0.1um，铜面的不平整度就通过银面反映出来。
不平整的银面因为反光的原因会形成颜色不良。
另一方面导致银面变色的是化学银制程中的有机物附着在表面没有被清洗掉，在空气中有机物被氧化变色附到表面，导致银面变色。
经过检测，银表面的附着物主要是碳、氧和氯，并且含量都小于1%，对可焊性的影响非常小。
浅析OSP工艺在PCB中的应用
浅析OSP工艺在PCB中的应用作者：熊宇王家波来源：《科学导报·学术》2020年第16期摘 ;要：抗氧化表面处理是在铜面上形成一层有机保护的可焊膜层，在加工过程中，容易出现膜面发黑及贾凡尼效应等不良问题。
本文对主流的抗氧化工艺进行了介绍，对OSP工艺的特点和工艺流程进行了较为详细的分析，并对OSP板件焊后变色机理进行了深入探讨，具有一定的借鉴价值。
关键词：OSP;PCB;热风整平1 PCB抗氧化工艺综述在印制板制作的后期阶段，已成型的板面的焊盘易氧化，从而导致焊盘上锡不良，不能形成牢固的焊点，出现虚焊，焊锡不饱满等现象。
通常的做法有物理和化学两种工艺，经过处理后的印制板能很好地弥补以上出现的缺陷。
主要的工艺方法包括：a）松香涂覆工艺工艺实质是在经过酸洗磨板烘干后板面均匀地涂上一层松香，松香分布在整个板面上，从而与空气中的氧隔离，起到防氧化的作用。
b）电化学工艺该工艺是在印制板面电镀一层不易氧化耐磨损的重金属，如镀金镀银等。
c）表面钝化工艺该工艺就是在铜表面形成一层致密的氧化膜，这层膜能阻止铜面继续氧化，也起到保护铜面的目的，适合中处理。
d）替代氧化工艺该工艺是在铜面涂上一层比铜更活拨的物质，当空气中的氧接近基板表面时，该物质首先被氧化，电子转移到已氧铜上，已氧铜获得电子被还原，从而起到防氧化的目的，也适合中处理，如三氧化铬。
e）OSP工艺OSP（有机保焊膜，又称抗氧化表面处理）是PCB符合RoHS指令要求的表面处理工艺。
OSP就工艺可简单描述为在铜面上，以化学的方法“长出”一层有机膜层，具有防氧化，耐热冲击，耐湿性，用以保护铜表面于常态环境中不再继续生锈（氧化或硫化等）。
在后续的焊接高温中，此层保护膜必须很容易被助焊剂所迅速清除，方可使露出的干净铜面在极短时间内与熔融焊锡立即结合成为牢固的焊点。
2 OSP工艺简介OSP有机保护膜是一种新型环保的有机保护膜剂，较热风整平工艺有更好的平整度和翘曲度，可以完全取代热风整平工艺及松香工艺更适合电子工艺中SMT技术发展及环保方面的要求。
表面处理OSP工艺原理教材-图文
目前最常见的也就是: 唑类（Azole）
概述
咪唑
概述
苯并三唑
OSP工艺流程
一、流程
除油
水洗
微蚀
水洗
吹干
水洗
OSP
预浸
烘干
注: GLICOAT 无预浸.
PH值: 2.9-3.1 酸值: 250-290
+
Cu+
OSP工艺流程
OSP膜高分子结构
OSP组成
OSP药液的大体结成如下: 烷基苯并咪唑 有机酸（甲酸、乙酸） 氯化铜
➢烷基苯并咪唑类有机化合物中的咪唑环与一价铜原子3d10形成配 ➢ 位键从而形成络合物，而支链烷基间是通过范德华力而相互吸 ➢ 引，所以形成了OSP保护膜，因其中有苯环的存在，所以，这层 ➢ 保护膜具有很好的耐热性和高的热分解能力； ➢有机酸的加入可以增加烷基苯并咪唑在水溶液中的溶解度，促进 ➢ 络合物膜的形成。但是过量的有机酸反而会使沉积在铜表面上的 ➢ OSP膜溶解，因而控制有机酸的加入时（即控制PH值是至关重要 ➢ 的），一般PH值控制在: 2.9-3.1 ➢ 有机酸值控制在: 250-290 。
4)检查并补充到标准液位稀 释铜离子或当槽
常见问题及解决方法
异常现象
OSP膜面有水 渍
产生原因
1)有叠板或卡板
解决措施
1)检查排除传动系统故障
2)烘干段温度不够或风 2)维护烘干段加热器和风面粗糙，呈 水纹或条状）
产生原因
1)预浸槽内的药液溅到前 后的滚轮上形成红色的“ 污垢”
间距的PCB； 膜脆易焊，能承受多次以上热冲击，并与任意焊料
沉银培训教材(122507)
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四、常见问题及解决方案
常见故障及处理方法（下表）：
缺陷
可能原因
银面颜 色不良
甩银
离子污 染超标
①银面受Cl离子或其它有机物污染 ②前处理未将铜面处理干净 ③银面受S离子污染 ④沉银后停放时间过长 ⑤存放环境温湿度不受控 ①前处理不良 ②预浸缸中银离子偏高 ③银缸药水异常 ①绿油面不光滑 ②沉银后处理水洗不净 ③后处理吸水辘太脏 ④热水洗温度不够
23 P 23
四、常见问题及解决方案
1、贾凡尼效应：
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四、常见问题及解决方案
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Cu2+＞1000ppm
Cu2+＞3000ppm或 使用6个月
或添加75097达5 倍配槽加药量
每班更换一次
6-8 ＜5ppm ≤10μs/cm
/ 每班更换一次
1.6-2.2m/min
压力 1.0-2.0 kg/cm2
1.0-2.0 kg/cm2
备注
银厚测试参 照重量法分 析
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1-6% ≤15g/l 40-70 u″ 0.01-0.02M 0.1-0.2N ≤1000ppm 1.0-1.6g/l 0.02-0.04M 0.12-0.22N ≤3000ppm 6~18u＂
/
操作温度(℃) 40-50 38-42 32-38
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設備(水洗能力)
噴洗距離 超小間隙 清洗不足
設計(CAM)
銅PAD設 計過小 線路補 償不足
流量不足 壓力不足 水洗段長 度不足
作業條件 異常 防焊附著 力不佳
防焊前處 理不良
微蚀銅離子高
槽溫度高 微蚀藥水 選擇不佳
微蚀速率快 油墨異常 電鍍銅 厚度不足
SPS濃度高
賈 凡 尼 效 應 產 生 開 路 原 因
---切片焊錫點區域咬銅量0.75mil, 上件後才產生open現象.
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廠內未上件板隨機抽取500PCS 量測線寬不良率959312 ppm;
線寬 3mil以上占7% , 2-3mil 51% , 2mil 以下占42% .
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4.2 不良分析與驗證:
項次
1
分析與驗證項目
調;研發
07/07
2
微蚀參數以及重工
生產
3
OSP微蚀藥水選擇
與廠商確認調整為雙氧水系列.
採購&研發
4
設備差異影響控制
一部金手指量產免貼膠導入;
生產&研發
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4.2.1工程設計補償
Genesis軟體PAD補償的窗口說明:
銅面積/金面績 越小,電位差越 強,腐蝕反應會 越強.
Genesis軟體 提供作業模塊 進行設置PAD 補償!
微蚀溶液中（S2O8）2-【由于（S2O8）2- 氧化性强于Cu 2+，所以一般不会出现Cu 的沉积】，因为铜腐蚀和S2O82-还原同时进行，所以S2O82-也叫做腐蚀剂，在腐蚀电 池作用的同时，正常的微蚀作用依然存在： 在以上微蚀+腐蚀的作用下，蚀铜量将会大大增加,且原电池反应的作用要比正常 微蚀作用大得多 !!
Bismuth Antimony Tungsten Hydrogen Lead Tin
0.0 Volts
Cu
Molybdenum Nickel - 0.25
Page4
4.賈凡尼效應發生的製程
4.1 微蚀處理 Na2S2O8 + Cu → Na2SO4 + CuSO4 Cu-2e → Cu2+ S2O82-+ 2e →2SO4 2E0:Cu2+ / Cu = + 0.337v; E0:SO42- / S2O82- = +2.01V
4
OSP微蚀藥水對比
物性差異
5
設備差異影響與分析
設備差異
4.3 改善項目評價&對策:
項次 改善項目 對策
暫時:不良板Sorting,並且將外層前板更改 補償設計後生產.未修正補償待OSP板貼膠 生產, 長期:完善設計規範並水平展開. 金手指板生產微蚀深度20-40u”, 控制重工次數1次,重工板100%量測線寬. 執行 單位 日期
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4.賈凡尼效應發生的製程
4.2 金手指/化金 + OSP:
當PCB的線路設計上有金面連接到銅墊時, 在OSP的酸性環境中產生賈凡尼 效應,此時銅墊扮演陽極角色,金面扮演陰極角色.銅溶解在槽液中.造成銅層被咬蚀 現象. 金面變色是由於銅離子沉積在金面上後沉積一層較薄的OSP膜----銅與槽液 中的活化物長成有機銅錯化物皮膜的同時會拋出2個電子,電子將經過PCB使槽液 中的銅離子還原而沉積在金面上,產生變色.
其他
藥水
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6.客訴案例解析
6.1 不良描述:
E191N8020CD(D/C:0921)料號在客戶端上件後發現有外開不良現象,不良率6364 ppm.
50 x
100 x
200 x
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油墨peeling 嚴重,其下銅 被咬蚀 解析: 【1】油墨下線寬以及銅厚度正常(min1.3mil ),確認工程線路設計/電鍍/蝕刻無異常. 【2】焊點與線路連接區(主要為PAD連接金手指排PIN)產生賈凡尼效應咬蚀. 【3】從客戶IQC檢驗確認結果,量測出有不良品線寬不足,Min 區域2mil,但是沒有 open 現象.說明我司廠內不良品不能經過O/S測試檢出, 焊接過程中也造成銅層被咬蚀
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3.名詞定義&原理
Gold + 1.4 Volts
Platinum Iridium Palladium
Silver
+ 0.80
賈凡尼次序:其在上位者可將 下位金屬予以”還原”,使其從離 子狀態中取代出來使之還原成金 屬.
Mercury Ruthenium
Copper
+ 0.344
+ Ag
項目特性
工程條件預防
驗證結果
工程設計不能完全 控制防呆
附件
2
OSP貼膠與免貼膠差異
問題原理性發生 控制
貼膠生產可控 “賈凡尼效應” 發 生
實驗判定不良有經 過重工 SPS系列”賈凡尼” 反應更明顯 水洗能力影響微蚀 液殘留以及銅離子 帶出至”護銅”…..
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3
微蚀參數以及重工影響
生產條件管理
表面處理賈凡尼效應分析與控制
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1.案例目的
• 探討賈凡尼效應產生以及造成品質不良的機理; • 對客訴不良品解析,分析廠內製程變異; • 針對”賈凡尼效應”此一特定不良,建立案例以利 於工程師工作教導以及後續品質不良的預防及控 制.
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3.名詞定義&原理
賈凡尼效應: 賈凡尼式腐蝕即是“電解式腐蝕”之同義字。賈凡尼為18 世紀之義大利解剖學家，曾利用銅與鐵等不同金屬鉤去鉤住生物 體(電解質)，而發現電池性的電流現象。
Pelling
Soder mask
copper
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4.賈凡尼效應發生的製程
正常生產銀厚(20u”)較輕微的咬蚀現象
厚銀(20u”)咬蚀現象較嚴重
以上圖片資料由Macdermid技術資料摘入,(我公司使用此供應商藥水,銀厚控制6-18u”)
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5.原因分析
管理
重工次 數過多 藥水參 數控制 異常
e-Cu
Au
Cu
Au
Cu 2+
Cu
Cu 2+ 賈凡尼咬蚀
金手指變色
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4.賈凡尼效應發生的製程
4.3 化學銀
化学沉银为金属置换反应，其反应过程可以表达为： Ag + + e- = Ag E=0.799 Cu 2+ + 2e-= Cu E=0.340 在正常条件下, 铜的氧化和银离子的还原同時进行,形成均匀的镀银 层.然而,如果阻焊膜和铜线路之间出现“缝隙”,缝隙里银离子的供应就 会受限,阻焊膜下面的铜就变成牺牲阳极,为暴露在外的铜焊盘上的银离子 还原反应提供电子（如图所示）.由于所需的电子数量与还原的银离子数 量成比例,贾凡尼效应的强度随暴露铜焊盘表面积及镀银层厚度而增加。