手機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的印刷線路板表面處理新趨勢(shì)

概述

沉浸鎳/金是過(guò)去十年主要的印刷線路板表面處理方法。在過(guò)去的5年里，手機(jī)已經(jīng)相當(dāng)流行，并且以非常大的數(shù)量普及全球各個(gè)不同的氣候帶。與此同時(shí)，手機(jī)終端已經(jīng)成為許多人的必需品，在他們參與的任何活動(dòng)中都要隨身攜帶。用戶(hù)行為的這些變化已經(jīng)嚴(yán)重改變了來(lái)自潮濕，汗液，腐蝕性氣體和機(jī)械跌落的影響。對(duì)焊料連接可靠性的要求的結(jié)果是，抗腐蝕性和耐磨性變得越來(lái)越重要，以便保證終端設(shè)備的高可靠性。由于稀薄且多孔的沉浸鎳/金無(wú)法以一種令人滿(mǎn)意的方式應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，現(xiàn)在，一個(gè)避免使用沉浸(Imm.)鎳/金的范式轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行中。

幾年前，諾基亞已經(jīng)使用OSP替代了終端設(shè)備焊盤(pán)上的沉浸鎳/金，并對(duì)焊料連接可靠性產(chǎn)生了積極影響?，F(xiàn)在，電化學(xué)理論研究和大規(guī)模高產(chǎn)量生產(chǎn)已經(jīng)證明，對(duì)于鍵盤(pán)和彈簧接觸盤(pán)，碳表面處理加以恰當(dāng)?shù)母拍?a href=http://www.breakdownplastic.cn/pcb/ target=_blank class=infotextkey>設(shè)計(jì)將使沉浸鎳/金在不久的將來(lái)成為多余之選。

本論文將討論在為剛性印刷線路板選擇表面處理時(shí)各種各樣需要考慮的事項(xiàng)，和來(lái)自諾基亞手機(jī)的廣泛的可行性研究，并輔以來(lái)自IPU/IPL/DTU 的電化學(xué)理論研究。

關(guān)鍵字

表面處理，HASL，鎳/金，ENIG，OSP，碳，可靠性，黑盤(pán)，金屬間化合物，金脆變，腐蝕，環(huán)境試驗(yàn)，用戶(hù)特征，便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品。

1. 引言
化鎳浸金是過(guò)去10年占統(tǒng)治地位的印刷線路板表面處理方法，而且化鎳浸金工藝是目前世界上大部分印刷線路板制造商的標(biāo)準(zhǔn)。由于歷史的原因，化鎳浸金被當(dāng)作一個(gè)防氧化層引入到了PWB制造業(yè)，用于提供良好的可焊性潤(rùn)濕能力和長(zhǎng)時(shí)間PWB儲(chǔ)存能力。從這方面來(lái)講，ENIG不辱使命；但是從可靠性的觀點(diǎn)來(lái)看，應(yīng)該盡可能限制它在移動(dòng)電子設(shè)備上的使用。

近已經(jīng)證明下面一些特征和現(xiàn)象與在PWB中選擇使用ENIG直接相關(guān)，如：金脆變導(dǎo)致的冷焊料連接，焊料連接界面裂化，腐蝕和接觸盤(pán)磨穿。
因此，為了確保便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品的可靠性，必須評(píng)估可供熱焊接和機(jī)電接觸選擇的表面處理方法。

2、各種可供選擇的表面處理方法

選擇表面處理的重要?jiǎng)恿τ校?br /> ● 可靠性；
● 可利用性；
● 成本；
● 基本的技術(shù)要求。

在為一種特定的剛性PWB選擇一種表面處理之前，特別要考慮在給定應(yīng)用場(chǎng)合里表面處理的各種屬性。只是用于熱焊接，還是同時(shí)也要用于諸如鍵盤(pán)開(kāi)關(guān)或彈簧連接器之類(lèi)的機(jī)電接觸？

迄今為止，還不存在一種通用的表面處理方法，它即能提供很高的焊料連接可靠性，又能提供很高的機(jī)電接觸盤(pán)可靠性。彈簧承載的連接器普遍用于手機(jī)，機(jī)電接觸盤(pán)就是為之設(shè)計(jì)的。

根據(jù)基本要求的差異，可以把PWB表面處理分成2個(gè)主要的群組：

2.1. 用于熱焊接的表面處理:

一個(gè)用于熱焊接的表面處理不得不滿(mǎn)足以下幾個(gè)要求：
● 較高的可濕潤(rùn)性；
● 焊料連接力；
● 適于細(xì)間距和CSP組裝的表面平坦度。

業(yè)界有許多處理方法可供選擇，其中有：
● HASL (熱風(fēng)整平)
● 浸錫；
● 鎳/金(ENIG)；
● 浸銀；
● OSP(有機(jī)表面保護(hù)劑)

并不是所有表面處理的性能都是一樣的。

2.2. 用于機(jī)電連接盤(pán)的表面處理:

一個(gè)用于機(jī)電連接盤(pán)的表面處理不得不滿(mǎn)足以下幾個(gè)要求：
● 機(jī)械耐久力(磨損抵抗力)
● 抗腐蝕性
● 接觸電阻

其中有幾種處理方法：
● 鎳/金(電鍍)；
● 鎳/金(ENIG)；
● 浸銀；
● 碳；
● 焊膏(錫/錫接觸)。

2.3. 處理方法總結(jié)

當(dāng)對(duì)過(guò)去20年廣泛用于便攜式電子設(shè)備的各種表面處理進(jìn)行調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)ENIG變得如此流行，而其他處理方法被冷落多年的原因并不合乎邏輯：
● 當(dāng)然，其中的一個(gè)解釋是，直到近我們依然不知道其失效機(jī)理是什么。隨著經(jīng)驗(yàn)的增加，它們已經(jīng)逐漸浮出水面。
● 另外一個(gè)解釋是，不愿意更改電子行業(yè)的那些傳統(tǒng)的東西，即使在分析實(shí)驗(yàn)室和可靠性專(zhuān)家已經(jīng)提出這些問(wèn)題之后。
● 后一個(gè)解釋是，在PWB制造方面，表面處理物理可用性的缺乏總會(huì)耽擱向其他處理方法的轉(zhuǎn)變。已經(jīng)把資金投到ENIG工藝了，為其他處理方法添置新的設(shè)備需要更多的投資。這個(gè)事實(shí)也造成了一定的耽擱。

下面的段落將縱覽已經(jīng)對(duì)表面處理技術(shù)的變化產(chǎn)生影響的事件。

3、手機(jī)PWB表面處理的歷史演變：

3.1. HASL + 碳
在一代產(chǎn)品中，從80年代后期起，PWB盤(pán)面的正常表面處理是熱風(fēng)整平(HASL)。在很多場(chǎng)合，HASL與碳被組合起來(lái)作為鍵盤(pán)和LCD焊盤(pán)的表面處理方法。

那時(shí)候表面貼裝器件技術(shù)還處于早期階段，毆翅型器件擁有間距相對(duì)較疏(1.27mm)的引腳。90年代初期，對(duì)更多I/O的需求要求使用新的封裝技術(shù)，QFP應(yīng)運(yùn)而生。間距降到了0.6mm的時(shí)候，由于HASL厚度不均，大量焊料橋連發(fā)生了。新的需求要求替代低產(chǎn)量的HASL。

3.2. 化鎳浸金(ENIG)
擺脫困境的唯一辦法是找到另外一種平且共面的可焊的表面處理方法。裸銅容易氧化，影響可焊性(濕潤(rùn))，不符合要求。

OSP在當(dāng)時(shí)不是討論的對(duì)象，即使存在那種技術(shù)！

ENIG 被推舉為HASL的繼承者。當(dāng)時(shí)的感覺(jué)是，找到了一種既適于熱焊接，又適于鍵盤(pán)的通用型表面處理方法。

碳因此不再被認(rèn)為是必要的，它在即使不存在技術(shù)和可靠性問(wèn)題的情況下銷(xiāo)聲匿跡了。

在一段時(shí)期里，總體來(lái)講，ENIG 工藝表現(xiàn)非常優(yōu)秀。但另一方面，由于需要在更小的空間里面容納更多的功能，QFP被球形柵陣列(BGA)和芯片級(jí)封裝替代了。BGA封裝(圖3)同時(shí)也帶來(lái)了一些新的挑戰(zhàn)。伴隨著電子行業(yè)內(nèi)前所未有的大批量生產(chǎn)，出現(xiàn)了更小的焊盤(pán)。PWB制造業(yè)以極其高的產(chǎn)量運(yùn)轉(zhuǎn)，意味著此工藝的任何弱點(diǎn)都變得更加清晰可見(jiàn)和嚴(yán)重。

3.2.1. 黑盤(pán)
在所有供應(yīng)商那里都會(huì)隨機(jī)發(fā)生一個(gè)名叫黑盤(pán)的問(wèn)題，即使他們使用不同牌子的鎳/金工藝。隨便在哪一個(gè)盤(pán)上缺少金，其影響是潤(rùn)濕不良或者不潤(rùn)濕，導(dǎo)致的結(jié)果是失去內(nèi)部互聯(lián)。黑盤(pán)缺陷主要在手機(jī)組裝線被發(fā)現(xiàn)和拒收；但是壞的情況是如果某臺(tái)產(chǎn)品通過(guò)了100%的電氣試驗(yàn)，后來(lái)卻在市場(chǎng)上失去了功能。如果彎曲PWB，可能就像不良焊料連接失去連接一樣產(chǎn)生隨機(jī)錯(cuò)誤。

已經(jīng)有很多理論解釋黑盤(pán)出現(xiàn)的原因，但到底是什么觸發(fā)了黑盤(pán)的出現(xiàn)，至今尚未達(dá)成共識(shí)。然而，這幾年電鍍槽制造商在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，不過(guò)ENIG工藝依然不能杜絕這種實(shí)效，它有時(shí)可能和PWB設(shè)計(jì)有關(guān)。

3.2.2. 焊球界面破裂
據(jù)透露，界面降級(jí)，是一個(gè)新型的與黑盤(pán)問(wèn)題相關(guān)的失效。失效的BGA或CSP的微切片顯示，在Cu焊盤(pán)和焊球之間的界面內(nèi)部存在裂縫，即使是已經(jīng)完美濕潤(rùn)了（圖5）。

原因可能是什么？在經(jīng)過(guò)大量調(diào)查之后，發(fā)現(xiàn)是3個(gè)問(wèn)題聯(lián)合作用的結(jié)果：
● 一個(gè)被忽略的問(wèn)題，在鎳和錫之間的易碎的金屬間化合物(IMC)。
● 一個(gè)事實(shí)，用戶(hù)開(kāi)始比以前更加頻繁的把產(chǎn)品跌落到地面。
● 與以前的封裝類(lèi)型相比，在剛性的BGA封裝類(lèi)型內(nèi)部缺乏焊料連接應(yīng)力消除的途徑

IMC問(wèn)題：
鎳-錫IMC形成于焊接過(guò)程中。當(dāng)產(chǎn)品暴露于機(jī)械振動(dòng)中時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊料連接內(nèi)部的IMC破裂，尤其是BGA類(lèi)型的器件(圖6)。這種現(xiàn)象被稱(chēng)作“金脆變”，而且，自從引入ENIG以來(lái)，就已經(jīng)明顯存在這種現(xiàn)象。

封裝應(yīng)力：
QFP確實(shí)擁有能夠充分消除焊料連接應(yīng)力的鷗翅形引腳，從而能夠經(jīng)受住一定水平的機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)PWB在手機(jī)跌落的過(guò)程中形變時(shí)，擁有球形焊球(圖7)的BGA封裝不能提供很多重要的應(yīng)力消除途徑；因此，輕易的就突破了產(chǎn)生破裂的低極限。

通過(guò)對(duì)數(shù)千臺(tái)實(shí)際產(chǎn)品和特殊設(shè)計(jì)的板子進(jìn)行受約束的跌落試驗(yàn)------試驗(yàn)中使用了加速計(jì)、變形測(cè)量計(jì)和事件探測(cè)器，并使用高速照相機(jī)組進(jìn)行視頻錄制------今天我們已經(jīng)對(duì)應(yīng)力和失效機(jī)理有了更好的理解。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，相對(duì)于1-2米跌落中的地球引力，PWB在跌落試驗(yàn)中的彎曲度是一個(gè)更大的問(wèn)題。由于已經(jīng)創(chuàng)造了一些計(jì)算機(jī)模型，所以可以在設(shè)計(jì)階段做一些跌落仿真。

用戶(hù)特征的變化：
80年代晚期，當(dāng)人們能夠在市場(chǎng)上買(mǎi)到手機(jī)的時(shí)候，當(dāng)時(shí)的手機(jī)非常昂貴，因此用戶(hù)都小心翼翼的呵護(hù)著他們手中的手機(jī)。到了90年代晚期，手機(jī)市場(chǎng)額度暴增，導(dǎo)致硬件成本降低。同時(shí)，服務(wù)提供商有時(shí)也以承擔(dān)一小部分成本的形式向終用戶(hù)贈(zèng)送手機(jī)，使其成為大眾熟悉的一個(gè)媒體，提供商還能從通話中創(chuàng)造交易。對(duì)大部分人來(lái)講，這已經(jīng)是一件好事了，但是也帶了負(fù)面的影響------用戶(hù)忘記了一臺(tái)移動(dòng)手機(jī)事實(shí)上是一個(gè)需要慎重對(duì)待的非常精密和復(fù)雜的電子設(shè)備。由于其低成本，手機(jī)突然之間被人隨意處理，導(dǎo)致手機(jī)暴露于遠(yuǎn)高于過(guò)去所承受的應(yīng)力等級(jí)。手機(jī)從1到1.5米跌落下來(lái)，不再是不可能的事情，因此，需要盡快采取行動(dòng)應(yīng)對(duì)可靠性問(wèn)題。

對(duì)BGA進(jìn)行底部填充以后，延遲了焊點(diǎn)斷裂的問(wèn)題，但不能從根本原因上解決問(wèn)題。消除此問(wèn)題的唯一出路是避免在鎳/金上進(jìn)行熱焊接。

3.3. 選擇性ENIG + OSP
為了終結(jié)IMC問(wèn)題，在2000年引入了選擇性ENIG+OSP，這意味著金僅用于鍵盤(pán)和其他機(jī)電接場(chǎng)合。圖9所示的選擇性工藝，向已經(jīng)要求苛刻的ENIG工藝提出了額外的復(fù)雜度、挑戰(zhàn)和成本。

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，在2.1節(jié)中提到的其他候選處理方法中，OSP過(guò)去被用來(lái)滿(mǎn)足可焊性、成本和焊料連接強(qiáng)度方面的要求。起初，PWB制造商們的選擇性ENIG + OSP工藝供應(yīng)能力并不充分，但是，世界上大的PWB客戶(hù)們?cè)诙痰捏@人的時(shí)間內(nèi)便把PWB制造商們振作了起來(lái)；在啟動(dòng)此要求的一年后，所有相關(guān)的PWB的供應(yīng)商便能夠以足夠高的產(chǎn)量和質(zhì)量控制這個(gè)工藝了。從在ENIG上進(jìn)行熱焊接到在OSP上焊接的轉(zhuǎn)變已經(jīng)有效的降低了BGA器件焊料連接斷裂的不良品數(shù)量。

3.4. ENIG屬性改進(jìn)
由于ENIG到現(xiàn)在僅用于機(jī)電接觸，所以檢查這種表面是不是好的以確保足夠的接觸可靠性是重要的。

如今的情形看起來(lái)是這樣的：
1.選擇性鎳/金工藝是復(fù)雜和昂貴的。
2.鎳/金的質(zhì)量沒(méi)有大部分人期望的那樣好。
○ 非常薄(40-60納米)的金表面處理帶來(lái)了磨損問(wèn)題------可能導(dǎo)致鎳腐蝕。
○ 通常，即使在沒(méi)有機(jī)械磨損表面的影響下，金表面的多孔性也會(huì)帶來(lái)鎳腐蝕問(wèn)題。

尤其是近已經(jīng)證明，當(dāng)在高濕、鹽霧、空氣污染或者汗液的環(huán)境中操作產(chǎn)品時(shí)，傳統(tǒng)的ENIG缺乏充分的耐蝕穩(wěn)定性。

作為這種情況的結(jié)果，近鎳工藝的配方已經(jīng)被調(diào)整了(主要是磷的含量)，這樣一來(lái)，鎳表面變得稍微好了些，表面浸金變得不再那么疏松多孔了。

終的結(jié)果是，如果稀薄的金表面未被刮傷或者磨傷的話，改良后的高磷ENIG的耐磨穩(wěn)定性已經(jīng)提高到了更高的水平。雖然耐磨性提供了，浸金工藝仍然不能提供像電鍍金那樣完全的無(wú)孔表面。

事實(shí)已經(jīng)變得越來(lái)越清晰，稀薄的ENIG不能夠滿(mǎn)足移動(dòng)終端對(duì)磨損和腐蝕抵抗力的更高要求。因此，考慮使用其它更可靠的東西替代ENIG是一件很重要的事情。

4. 理論和實(shí)驗(yàn)電化學(xué)的考慮事項(xiàng)

4.1. 基礎(chǔ)電化學(xué)
當(dāng)把兩個(gè)不同的導(dǎo)電材料浸入導(dǎo)電電解液中，并像圖11一樣短接它們時(shí)，在陽(yáng)極會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，如腐蝕(就金屬和合金來(lái)說(shuō)，金屬離子分解)；在陰極會(huì)發(fā)生的陰極反應(yīng)有氫釋放，氧還原或者沉積。

在陽(yáng)極可能發(fā)生氧化(分解)反應(yīng)：Me→Men++ne-，在陰極可能發(fā)生還原反應(yīng)：Men++ne-→Me。

然而，陰極反應(yīng)的類(lèi)型依賴(lài)于電解液和相關(guān)材料的特性。

如果連接的兩個(gè)金屬具有截然不同的價(jià)位，從熱力學(xué)來(lái)講，較低價(jià)導(dǎo)體將擔(dān)當(dāng)陽(yáng)極，較高價(jià)導(dǎo)體將擔(dān)當(dāng)陰極。從熱力學(xué)來(lái)講，陽(yáng)極將腐蝕，雖然實(shí)際的分解率(腐蝕)依賴(lài)于動(dòng)力學(xué)。這類(lèi)腐蝕稱(chēng)作電偶腐蝕。因此，價(jià)位差異是電偶腐蝕的唯一必要條件，但不是充分條件。圖12比較了不同金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位[4]。具有大正電位的金屬是價(jià)位高的金屬。通過(guò)應(yīng)用外部的電位偏差，在相似金屬之間也可以獲得價(jià)位差異。由于電子裝置使用的是不同材料的組合，而且某些部件在使用時(shí)被潛在的施加了電位偏差，因此在評(píng)估系統(tǒng)時(shí)以上兩種情況都要考慮。

也可以用所謂的Pourbaix圖說(shuō)明金屬在不同電壓和pH條件下的熱力學(xué)性質(zhì)。圖13展示了一幅金在250毫克/升的氯化鈉溶液內(nèi)的Pourbaix圖。此圖圖示了金屬對(duì)腐蝕的免疫區(qū)域(作為穩(wěn)定金屬存在)，依靠形成的穩(wěn)定惰性層抵擋腐蝕的保護(hù)區(qū)域，和可能腐蝕的腐蝕區(qū)域。是否會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，將取決于動(dòng)力學(xué)。

在圖13中，區(qū)域Au圖示了金的熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)域，區(qū)域Au(OH)3是可以在金表面形成穩(wěn)定的惰性保護(hù)層的區(qū)域，而區(qū)域AuCl2 是金可能溶解的區(qū)域，雖然分解率依賴(lài)于動(dòng)力學(xué)。

4.2. 實(shí)驗(yàn)電化學(xué)分析
為了直接在微小的手機(jī)零部件上完成電化學(xué)測(cè)量，使用了所謂的微電化學(xué)技術(shù)，此技術(shù)能夠有效測(cè)量從幾毫米到幾微米范圍的微小區(qū)域面積，見(jiàn)圖14。

此技術(shù)還涉及使用了一個(gè)連接到一個(gè)系統(tǒng)的吸液管，它用于控制溶液在針頭處的流動(dòng)。該微電化學(xué)裝置由一個(gè)容納溶液的電化學(xué)頭，計(jì)數(shù)器，和連接在一個(gè)光學(xué)顯微鏡換鏡轉(zhuǎn)盤(pán)上的參考電極。電池與一個(gè)吸液管連在一起，這樣一來(lái)，可以與工作電極的局部區(qū)域相接觸(在此實(shí)驗(yàn)中的手機(jī)PWB上的接觸盤(pán)是用來(lái)研究的)。此技術(shù)的橫向解析度由吸液管針頭的尺寸決定，在此實(shí)驗(yàn)中，吸液管針頭的直徑大約是1毫米左右。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了動(dòng)電位陽(yáng)極和陰極極化曲線，相對(duì)于一個(gè)銀/氯化銀參考電極，從開(kāi)路電壓開(kāi)始，掃描速率為1毫伏/秒。

4.3. 電化化學(xué)裝置產(chǎn)生的極化曲線
圖15與純金屬比較，展示了按鍵的不同金屬層的極化曲線。從中可以看出，磷化鎳上的浸金層的平衡電勢(shì)有一個(gè)低于純金電勢(shì)的電勢(shì)和一個(gè)高于純鎳電勢(shì)的電勢(shì)。這表明磷化鎳上的浸金層的電勢(shì)是一個(gè)金和磷化鎳的混合電勢(shì)，原因是金層沒(méi)有完全覆蓋磷化鎳層。所有鎳樣本和銅的陽(yáng)極電流要比金高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖16 展示了一組純金，鍍金和碳的極化曲線。不出所料，石墨的價(jià)位要比磷化鎳上的浸金的價(jià)位高的多。此外，覆蓋在銅之上的石墨的陽(yáng)極電流幾乎比鍍金低一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在金和碳之間，碳的陽(yáng)極活性更低。純金曲線上的噪聲大概歸因于氧化膜，由于多孔性的原因，金在樣品上覆蓋的可能不夠完美。

圖17 比較了純金，浸金和碳的陰極極化曲線。碳涂覆的陰極活性明顯低于浸金和純金。因此，銅或磷化鎳與石墨的電耦合導(dǎo)致的腐蝕相對(duì)低于與金的電耦合導(dǎo)致的腐蝕。一般而言，這些結(jié)果說(shuō)明，與金相比，碳是一個(gè)較弱的陽(yáng)極和陰極；同時(shí)意味著在碳上面發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)比金慢，這有益于形成關(guān)于腐蝕的觀點(diǎn)。

4.4. 電氣化學(xué)結(jié)論
一般情況下，在金和相對(duì)低價(jià)的材料------如鎳和銅------之間的電耦合將引起嚴(yán)重的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)該慎重考慮這種危險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)使用鎳磷/銅浸金時(shí)，由于實(shí)際上無(wú)法把金表面處理成無(wú)孔的(圖10)，所以Au和磷化鎳之間危險(xiǎn)的電耦合將會(huì)一直存在。

特殊情況下，即使是諸如金之類(lèi)的高價(jià)材料也能腐蝕。這需要很高的氯化物含量，相對(duì)低的pH值(< 5)和大于1.0伏的正電壓(圖13)。在氯化物濃度可能比較高的場(chǎng)合，也許會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的問(wèn)題。

當(dāng)在Cu上使用石墨時(shí)，由于石墨的陰陽(yáng)極反映微弱，所以預(yù)計(jì)將發(fā)生較少的腐蝕。

5、重新考慮對(duì)接觸盤(pán)的表面處理

已經(jīng)研究了下述候選處理方法：
■ 鎳/金(電鍍)
■ 鎳/金(用于組裝的電鍍P3)
■ 碳(網(wǎng)印)

5.1. 在硬質(zhì)PWB上電鍍金
由于使用鎳/金(硬金，厚度大于0.8μm)電鍍的PWB表面具有接觸電阻低，優(yōu)良的耐久性和腐蝕性等特點(diǎn)，因此在技術(shù)上它是具誘惑力的接觸表面。但是在大部分情況下，這種處理工藝都以失敗告終，所以其成本相當(dāng)高。另一個(gè)應(yīng)用上的障礙是，在使用匯流母線電鍍的過(guò)程中，需要短路所有的接觸盤(pán)。鍍完之后，必須斷開(kāi)匯流母線，這樣會(huì)產(chǎn)生令電磁兼容和靜電釋放害怕的很長(zhǎng)的“死痕”。只有在罕見(jiàn)的場(chǎng)合------所有相關(guān)的接觸盤(pán)都分布在PWB的周邊，這種工藝才有意義，因?yàn)榭梢栽谛栋暹^(guò)程中使用銑的方法有效地輕松移走匯流母線。

5.2.在P3上電鍍金
取放盤(pán)(Pick and Place Pads, P3)是一些由銅或鎳-銀制成的小金屬碎片。P3是用結(jié)實(shí)的鎳和金電鍍而成的。為了組裝方便，可以輕易的把P3設(shè)計(jì)成任何需要的形狀，尺寸和厚度，并把它當(dāng)作一顆電阻或電容進(jìn)行使用。

通過(guò)使用P3，在PWB的任何地方放置和回流焊高質(zhì)量金接觸點(diǎn)成為可能。P3之后，只需對(duì)PWB進(jìn)行可焊性表面處理，如OSP或浸銀。

如果P3的數(shù)目合理的話，與選擇性ENIG + OSP相比，基于OSP的P3方案的成本更有吸引力。

只是對(duì)于鍵盤(pán)而言，P3方案不可行。因此仍需要?jiǎng)e的表面處理方法。碳被認(rèn)為是鍵盤(pán)顯而易見(jiàn)的選擇。

5.3. 在硬質(zhì)PWB上敷碳
碳在PWB行業(yè)已經(jīng)廣泛使用過(guò)30多年，但是在過(guò)去十幾年里已經(jīng)隱退。從70年代和80年代碳被高度賞識(shí)和使用以來(lái)，到了90年代，幾乎被ENIG競(jìng)爭(zhēng)出局。持續(xù)至今還在使用碳作為硬質(zhì)主板表面的，只有遠(yuǎn)程控制，對(duì)講機(jī)，和各種類(lèi)型的電子玩具的鍵盤(pán)。除此之外，基于聚酯電線和銀碳聚合物的薄膜接觸開(kāi)關(guān)仍在廣泛使用碳。

碳作為硬質(zhì)PWB的一個(gè)選項(xiàng)，只有在高端和移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)被普遍冷落。當(dāng)考慮到碳提供的這些優(yōu)點(diǎn)時(shí)，這是一個(gè)反常的現(xiàn)象，
■ 比金的價(jià)還高
■ 簡(jiǎn)單而便宜的加工過(guò)程
■ 對(duì)O2, SO2, NOx, Cl-和其他氣體的高耐蝕性
■ 液體，如大部門(mén)溶劑，咖啡，啤酒，可樂(lè)等，對(duì)其幾乎沒(méi)有影響
■ 優(yōu)秀的耐磨性(濃厚且“自潤(rùn)滑”的表面)
■ 與ENIG相比，工藝過(guò)程對(duì)環(huán)境更友好

缺點(diǎn)不多，但是知道它們是很重要的：
■ 與純金屬表面相比，接觸電阻很高，典型值為2-6歐姆
■ 碳層的放置公差典型值為+/- 150μm
■ 由于碳糊生來(lái)就是或多或少吸濕的，所以好僅用于以一定方法固化的品質(zhì)一流的材料。如果使用了不適當(dāng)?shù)牟牧虾蜔峁袒€，電阻將對(duì)濕度非常敏感。

5.3.1. 制造過(guò)程
以網(wǎng)印的方法，碳在一個(gè)附加的過(guò)程(圖18)中被施加到PWB表面。這是一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的過(guò)程，與ENIG相比，涉及非常少的步驟和操作助劑。
早期的研究[1]和[2]已經(jīng)證明，采用紅外線對(duì)碳進(jìn)行固化，顯著改進(jìn)了阻抗穩(wěn)定性，并可喜的降低了表面電阻。如果紅外固化過(guò)程使用了適宜的曲線和自動(dòng)在線設(shè)備，3步加起來(lái)的整個(gè)過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間可以低至15分鐘，所以非常適于大批量生產(chǎn)。

5.3.2. 接觸電阻
接觸電阻的定義是：機(jī)電接觸和PWB內(nèi)的銅之間的電阻。

此電阻是如下電阻的總和：
1. 彈簧觸點(diǎn)到碳表面的電阻
2. 碳層體電阻
3. 碳到銅表面的電阻

碳技術(shù)成功的一個(gè)簡(jiǎn)單要求是，一個(gè)受控制且穩(wěn)定的接觸電阻等級(jí)。當(dāng)使用正確的材料和工藝的時(shí)候，可以不費(fèi)力氣的獲得<5歐姆的接觸電阻等級(jí)。不應(yīng)該接受>10歐姆的接觸電阻，因?yàn)樗A(yù)示制造過(guò)程中有問(wèn)題。作為代表性的，高接觸電阻暗示在炭網(wǎng)印過(guò)程之前沒(méi)有充分去氧化銅表面。

判斷炭制造過(guò)程是否是以正確的方法進(jìn)行的一個(gè)簡(jiǎn)單地方法是把樣板暴露于濕熱試驗(yàn)。如果在85OC, 85 % R.H.環(huán)境內(nèi)持續(xù)2天后，接觸電阻顯著并持續(xù)增長(zhǎng)至超過(guò)10歐姆，那就說(shuō)明這個(gè)制造過(guò)程已經(jīng)失控了(見(jiàn)圖23，供應(yīng)商E).

5.3.3. 碳的表面電阻率
為了完善關(guān)于碳的描述，有必要提出是，一些新出現(xiàn)的植入電阻器技術(shù)是基于聚合碳電阻器的。原則上，對(duì)于表面處理來(lái)講，這些電阻器材料與碳相似。差別主要是，表面電阻被調(diào)節(jié)以適于每個(gè)十倍程，舉例說(shuō)來(lái)，如100 歐姆/平方，1千歐姆/平方, 10千歐姆/平方，等等。
對(duì)于“接觸碳”，表面電阻率應(yīng)該盡可能低：典型值15歐姆/平方，大值25歐姆/平方。

5.4. 理想的組合
下面的這個(gè)組合可能是潛在的將來(lái)具成本/可靠性吸引力和靈活的方案：
■ 用于焊盤(pán)的OSP
■ 潛在的用于焊盤(pán)的浸銀
■ 用于對(duì)接觸電阻有要求的場(chǎng)合------關(guān)鍵的機(jī)電連接------的焊接連接器或P3
■ 用于鍵盤(pán)和其他更低電阻要求場(chǎng)合------關(guān)鍵的機(jī)電接觸盤(pán)------的碳。

對(duì)于這個(gè)組合，其中的一個(gè)挑戰(zhàn)是碳技術(shù)在存在于當(dāng)今便攜式終端中的前提下的資格試驗(yàn)。

下面一節(jié)描述了來(lái)自于已經(jīng)完成的試驗(yàn)的一些結(jié)果。

6. 碳的可靠性試驗(yàn)
由于電子行業(yè)在過(guò)去十多年普遍冷落碳的應(yīng)用，所以事實(shí)上大部分PWB供應(yīng)商不得不重新造訪他們過(guò)去具有的那些工藝技巧。網(wǎng)印機(jī)過(guò)去總是不能應(yīng)付當(dāng)今對(duì)可重復(fù)性和精確性的要求，它們要求計(jì)算機(jī)控制的參數(shù)設(shè)置和照相機(jī)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。

為了評(píng)估下述幾個(gè)方面，有必要調(diào)查市場(chǎng)并需要許多PWB供應(yīng)商制造一些特殊設(shè)計(jì)的用于接觸電阻卡爾文測(cè)量的試驗(yàn)板(圖29)：
■ 是一流的碳處理工藝嗎？
■ 碳糊能夠滿(mǎn)足對(duì)接觸電阻和表面電阻的濕穩(wěn)定性和低阻值的要求嗎？

6.1. 試驗(yàn)計(jì)劃:
試驗(yàn)板和用碳改良過(guò)的試驗(yàn)手機(jī)已經(jīng)被暴露于許多環(huán)境和實(shí)際的用戶(hù)試驗(yàn)中。這里討論這些試驗(yàn)的重要的部分。在大部分案例中，已經(jīng)使用ENIG試驗(yàn)板作為參考，以便比較兩種表面處理的可靠性。

光板試驗(yàn)：
■ 鹽霧試驗(yàn)(2周)
■ SO2腐蝕性氣體試驗(yàn)(48小時(shí))

磨損和腐蝕的組合手機(jī)級(jí)別試驗(yàn)：
■ 循環(huán)濕熱試驗(yàn)25OC~55OC，98% R.H.(IEC 60068-2-30 Variant 1,延長(zhǎng)了6天到六周的時(shí)間).
■ 2,500,000次鍵擊+濕熱的鍵盤(pán)壽命試驗(yàn)(表1)。這是個(gè)特殊設(shè)計(jì)的用于激發(fā)錯(cuò)誤的“非標(biāo)”試驗(yàn)，因此，可以暴露出各種各樣試驗(yàn)樣本的可靠性等級(jí)差異。它模擬了若干年的使用時(shí)間。耗時(shí)5周完成了此試驗(yàn)，對(duì)于每一個(gè)5000次鍵擊，都自動(dòng)測(cè)量了電阻。

6.2. 試驗(yàn)結(jié)果

6.2.1. 光板鹽霧試驗(yàn)
2周的鹽霧試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)板進(jìn)行了視覺(jué)檢查。高磷ENIG樣本腐蝕的如此嚴(yán)重(圖21)，以致于不得不放棄了計(jì)劃中的鍵功能測(cè)試。

碳樣本一點(diǎn)也沒(méi)有腐蝕，但是表面有鹽污。使用異丙醇去除鹽后，碳表面又煥然一新。經(jīng)過(guò)測(cè)量，接觸電阻確實(shí)仍然低于10歐姆。裝上dome sheet以后，按鍵功能表現(xiàn)正常。

6.2.2. 光板SO2腐蝕性氣體試驗(yàn)
ENIG和碳，兩者都通過(guò)了測(cè)試。必須提出的的是，ENIG是使用改良后的高磷ENIG鍍上去的。標(biāo)準(zhǔn)ENIG 在早先的試驗(yàn)中已經(jīng)說(shuō)明，如果暴露在此試驗(yàn)中，會(huì)嚴(yán)重腐蝕，這也是執(zhí)行高磷ENIG的原因。

6.2.3. 循環(huán)濕熱試驗(yàn)
在暴露于試驗(yàn)環(huán)境的整個(gè)過(guò)程中，對(duì)彈簧觸點(diǎn)在碳表面的接觸電阻進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)控。彈簧觸點(diǎn)的表面處理是電鍍金。

在試驗(yàn)結(jié)束的時(shí)候，接觸電阻等級(jí)確實(shí)低于10歐姆，阻值偏移值也是完全可以接受的。

6.2.4. 磨損和腐蝕組合試驗(yàn)
此試驗(yàn)是按照手機(jī)的級(jí)別在大量手機(jī)UI板上完成的，包括完整的鍵盤(pán)(21鍵)和用于2個(gè)彈簧負(fù)載的板對(duì)板連接器的接觸點(diǎn)(24個(gè))。彈簧連接器采用了電鍍金表面處理。試驗(yàn)中組合了不同的碳制造工藝的設(shè)置和大量不同的碳糊。

試驗(yàn)顯示，為了通過(guò)諾基亞的要求，有些供應(yīng)商需要更多的從實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并組織更好的碳工藝設(shè)置，而一流的供應(yīng)商在滿(mǎn)足我們的要求和制造能夠通過(guò)這個(gè)嚴(yán)格試驗(yàn)的采用碳工藝的PWB方面沒(méi)有問(wèn)題。

圖23圖解了對(duì)一對(duì)板對(duì)板連接器彈簧有效的接觸電阻。如果碳制造工藝失控了(標(biāo)簽：供應(yīng)商E)，接觸電阻在濕熱試驗(yàn)中會(huì)猛烈的增長(zhǎng)，如果制造方法得當(dāng)，電阻是非常穩(wěn)定的。

圖24(高磷ENIG)和圖26(碳)監(jiān)控了導(dǎo)電介質(zhì)鏈的總電阻：彈簧連接器1-碳接觸盤(pán)-銅跡線-碳鍵外圓-銅跡線-碳接觸盤(pán)-簧連接器2。在試驗(yàn)中，我們把200歐姆定義為此導(dǎo)電介質(zhì)鏈合格/不良的標(biāo)準(zhǔn)。

在ENIG的試驗(yàn)中(圖24)，在步驟#3，濕熱暴露試驗(yàn)之后大約200，000次鍵擊，電阻開(kāi)始不規(guī)則的輕微增長(zhǎng)。400，000次鍵擊之后，一次出現(xiàn)了鍵功能障礙。在步驟#5(二次濕熱暴露試驗(yàn)之后不久)，鍵功能變得非常不穩(wěn)定。在對(duì)樣本做了視覺(jué)檢查之后，其根本原因變得非常清晰。圖25說(shuō)明，metal dome已經(jīng)磨穿了金表面，漏出來(lái)的鎳已經(jīng)開(kāi)始嚴(yán)重腐蝕。

在碳的試驗(yàn)中(圖26)，電阻從13歐姆增長(zhǎng)到大約80歐姆的水平(圖26)。這個(gè)變化是完全可以接受的，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大200歐姆的要求。在整個(gè)2，500，000次鍵擊中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一個(gè)按鍵故障。

從對(duì)試驗(yàn)樣本的視覺(jué)檢查中獲得了令人驚訝的體驗(yàn)：整個(gè)碳表面看起來(lái)完整無(wú)損，沒(méi)有任何磨損或腐蝕的跡象(圖27)。只有依靠特殊的照明裝置，才可能發(fā)現(xiàn)在有些地方碳曾經(jīng)與dome接觸過(guò)。

6.2.5. 生命周期的極端試驗(yàn)
在優(yōu)秀的試驗(yàn)結(jié)果的鼓勵(lì)下，在其中的36個(gè)樣本上再次進(jìn)行了磨損和腐蝕試驗(yàn)，所以總的沖擊是5，000，000次鍵擊和4次濕熱試驗(yàn)周期。電阻仍然處于100歐姆一下，整個(gè)碳表面依然看起來(lái)完整無(wú)損，也沒(méi)有任何磨損或腐蝕的跡象。

6.2.6.腐蝕和生命周期的極端試驗(yàn)

對(duì)于6.2.4中描述的采用碳+OSP的UI板，在18個(gè)樣本上執(zhí)行了下述組合試驗(yàn)：
1. 把ＰＷＢ在鹽霧中暴露１周
2. 使用異丙醇去除鹽污
3. 暴露于無(wú)鉛回流焊曲線中
4. 裝配dome-sheet和手機(jī)結(jié)構(gòu)件
5. 暴露于2，500，000次鍵擊的磨損和腐蝕組合試驗(yàn)中

所有樣本在裝配之后都能理想的工作，并通過(guò)了步驟#1，#2 和#3 (1,000,000次鍵擊和一次濕熱周期)。

在二次暴露于濕熱試驗(yàn)后，其中的18個(gè)樣本在步驟#4之后立即出現(xiàn)了少數(shù)不規(guī)則的按鍵功能故障。在步驟#5中不久，這些有故障的樣本中的2個(gè)樣本又重新可以正常工作了。

試驗(yàn)后的結(jié)果是：
◎ 18個(gè)樣本中，17個(gè)具有正常的按鍵功能。

7. 結(jié)論
特別的，對(duì)于移動(dòng)電子設(shè)備，由于不存在一種既能提供很高的焊料連接可靠性又能提高供很高的機(jī)電接觸點(diǎn)可靠性的表面處理方法，所以需要比現(xiàn)在更進(jìn)一步重視選擇一個(gè)正確的表面處理方法。

7.1. 用于熱焊接的表面處理:
通常不推薦在ENIG上進(jìn)行熱焊接，并且應(yīng)該禁止用于BGA類(lèi)型的器件。來(lái)自制造業(yè)和大量手機(jī)的野外反饋的證據(jù)證明，使用OSP替代PWB焊盤(pán)上的ENIG后，明顯降低了由于BGA器件焊料連接界面斷裂導(dǎo)致的故障。

初在使用錫/鉛焊料的時(shí)候引入了OSP，但是現(xiàn)在已經(jīng)能夠滿(mǎn)足對(duì)優(yōu)秀無(wú)鉛焊料焊料連接的要求了。此外，仍然可能考慮在以后把浸銀作為OSP的增補(bǔ)處理方法。

7.2. 用于接觸盤(pán)的表面處理:
電鍍金(厚度超過(guò)0.8微米)是一個(gè)可靠的選擇，但是設(shè)計(jì)(匯流母線)和工藝無(wú)法總能兼容，而且在PWB行業(yè)，它的可利用性幾乎就是海市蜃樓一般。不幸的是，其工藝成本很高，超出了高產(chǎn)量低成本產(chǎn)品的要求范圍。

在柔性PWB行業(yè)，電鍍金或多或少是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工藝，但是這些柔性線路板無(wú)論如何都很昂貴，大多用于高端產(chǎn)品。

對(duì)于PWB上接觸點(diǎn)較少，又要求接觸點(diǎn)的接觸電阻很低(小于100毫歐姆)和可靠性很高的場(chǎng)合，相對(duì)于鍍金，厚金電鍍的取放盤(pán)是一個(gè)較便宜和頗具吸引力的選擇。這種情況下，PWB只需要OSP即可。

碳比金的價(jià)更高，所以它提供了比ENIG------位于那些可以接受高達(dá)10歐姆電阻的地方，如鍵盤(pán)，ESD保護(hù)區(qū)和大部分彈簧接觸盤(pán)等之上------更出眾的可靠性。碳是當(dāng)今便宜和可以利用的接觸表面處理方法，它具有非常高的抗腐蝕性和優(yōu)秀的抗磨損性。

7.3. 總結(jié)
在便攜式電子產(chǎn)品的早期設(shè)計(jì)階段，認(rèn)真考慮和選擇要使用的PWB表面處理方法是非常重要的。

影響選擇的主要因素有：
接觸設(shè)備的類(lèi)型，材料和形狀，可以利用的技術(shù)和工藝。只有考慮所有這些因素，才有可能滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)并不斷變化的市場(chǎng)上的終用戶(hù)對(duì)可靠性的期望。

歷史上有時(shí)候?qū)Ρ砻嫣幚淼倪x擇曾經(jīng)是正確的，但今天可能就不是正確的了。對(duì)當(dāng)時(shí)有效的前提可能已經(jīng)變化了：
● 與硬件相關(guān)的
○ 新的封裝類(lèi)型
○ 新的焊料合金
○ 新的機(jī)電連接器接觸材料
○ 新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
○ 支撐結(jié)構(gòu)的健壯性
● 與終用戶(hù)情況相關(guān)的
○ 暴露于潮濕和腐蝕性空氣中，雨，汗或其他液體中。
○ 暴露于震動(dòng)，跌落和大量鍵擊中。
○ 用戶(hù)每天直接使用的時(shí)間：5分鐘，1小時(shí)，8小時(shí)或24小時(shí)
● 技術(shù)發(fā)展和專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平
○ 新表面處理方法的存在
○ 舊表面處理的材料屬性的改進(jìn)
○ 制造工藝和設(shè)備的改進(jìn)
○ 關(guān)于實(shí)效機(jī)制的知識(shí)增強(qiáng)

所有這些條件中的某個(gè)或者所有這些條件的共同作用，明確的告訴我們：必需重新考慮下一個(gè)新產(chǎn)品是不是應(yīng)該使用與平常使用的那些表面處理同樣的處理方法。你不能在一個(gè)不斷變化的市場(chǎng)中依靠傳統(tǒng)不變的設(shè)計(jì)方法。

8. 致謝
感謝Viswam Puligandla，Arni K ujala和Sten Carlsen Comments提供的意見(jiàn)和背景信息。

參考文獻(xiàn)

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[3] Leif Halbo:“Polymer Thick Film Technology, Design Guidelines and applications”ISBN 82-9921 93 (1990)
[4] Uhlig,H.H:“Corrosion and corr-osion control: An introduction to corrosion science and engine-ering”, 1985.