PCB表面涂覆層的功能和選用分析（一）

由于銅具有優良導電體和良好的物理性能，所以被印制電路板（PCB）選用為導電材料。但是新鮮銅表面易于氧化，遇到空氣其表面極容易形成牢固而很薄的氧化層（氧化銅和氧化亞銅），這個氧化層往往造成焊接點故障而影響可靠性和使用壽命。因此，PCB的銅導體表面必須采用防氧化的保護措施，即在新鮮的銅表面采用既覆蓋又耐熱的可焊接性的涂（鍍）層加以保護，這就是PCB表面涂（鍍）覆層的由來。同時，在長期應用過程中，先后發現焊接的金－銅界面之間發生金屬原子擴散，而焊料－銅界面焊接會形成“暫穩態”CuxSny的金屬間互化物（IMC），它們將影響著焊接點的可靠性和使用壽命。因此開發了阻止金－銅原子擴散、防止形成“暫穩態”CuxSny的金屬間互化物的“阻檔層”（或稱“隔離層”），這是PCB表面涂（鍍）覆層的發展與進步！

PCB表面涂（鍍）覆層

PCB表面涂（鍍）覆層的必要性

為了保證PCB上焊接盤銅表面在焊接前不被氧化和污染，必須采用表面涂（鍍）覆層加以保護，而表面涂（鍍）覆層必須滿足必要而充分的條件才能達到目的。

銅是僅次于銀的優良導體和好的物理性能（如延展性等）的金屬，加上儲量相當豐富、成本不高，因此銅被PCB選用為導電材料。但是，銅是活潑金屬，其表面是極易于氧化而形成氧化層（氧化銅和氧化亞銅），這個氧化層往往是造成焊接點故障而影響可靠性和使用壽命。據統計，PCB的使用故障70％來自于焊接點上，主要原因是：（1）由于焊盤表面污染、氧化等組成焊接不完整、虛焊等引起的；（2）由于金－銅間互為擴散形成擴散層或錫－銅間形成金屬間互化物，從而引起界面疏松、脆裂等故障。所以PCB用于焊接的銅表面必須采用可焊性保護層或可焊性阻檔層加以保護，才能減輕或避免發生故障問題。

PCB表面涂（鍍）覆層的要求

從PCB焊盤上焊接元組件的過程和檢測結果來看，對PCB焊盤上表面涂（鍍）覆層的要求主要有如下五個方面。

耐熱性

在焊接高溫度下，表面涂（鍍）覆層仍然能保護PCB焊盤銅表面不被氧化并使焊料進入到銅（或金屬）表面而實現連接。有機的表面涂（鍍）覆層的耐熱性是指它的熔點和熱分解（揮發）溫度的性能，其熔點應與焊料（錫）的熔點接近或略低，但其熱分解溫度（≥350℃）應該遠大于焊料的熔點溫度和焊接溫度，才能保證在焊接時銅表面不發生氧化。金屬的表面鍍覆層的耐熱性能是不存在這個問題的。

覆蓋性

對于有機耐熱可焊性涂覆層（含助焊劑）在焊接前和焊接過程中，能夠完整覆蓋在銅焊盤表面上不被氧化和污染，只有在熔融焊料焊接到銅焊盤表面后才能游離開、分解揮發去、漂浮（覆蓋）在焊點表面上。因此，為了保證熔融焊料完整焊接在連接盤上，熔融有機表面涂覆層的表面張力要小、分解溫度要高，才能保證在焊接前和過程中有很好的覆蓋能力。同時，其比重比熔融焊料（錫）要小得多，以保證熔融焊料擠壓并滲透到銅表面上，所以有機表面涂覆層的覆蓋性是指它在焊接溫度下的表面張力、比重等的性能。而金屬的表面鍍覆層是在焊接時部分熔入焊料中亦或在阻檔層表面上而實現連接。

殘留物

有機耐熱可焊性涂（鍍）覆層的殘留物是指在焊料焊接后，在焊接盤上或焊點上的殘留物。一般來說，這些殘留物是有害的（如有機酸類或鹵化物等），應該加以去除，所以在焊接后要采用清洗措施。現在有免清洗的焊接技術，那是因為有機的表面涂（鍍）覆層的焊接后殘留物很少（絕大部分都已分解和揮發掉）。

腐蝕性

有機耐熱可焊性涂（鍍）覆層的腐蝕性是指在焊料焊接后對PCB表面存在著腐蝕現象，如對PCB基材表面、金屬層上等發生腐蝕。這是因為在有機耐熱可焊性涂（鍍）覆層中或多或少都存在著鹵化物或有機酸（主要是為了進一步清除銅焊盤上殘留氧化物與污染物），但是這些酸性物質在焊接后存在是有害的，除了分解揮發外，不足必須進行清洗除去。

環保性

表面涂（鍍）覆層的環保性是指：在形成涂覆層過程中產生的廢水和焊接后清洗的廢液應是容易處理、成本低并不污染環境的物質。

PCB表面涂（鍍）覆層的分類

按制造技術（涂覆或鍍覆）分類

按制造技術方法可分為表面涂覆層和金屬表面鍍覆層兩大類型。

表面涂覆層

表面涂覆層是指在新鮮的銅連接盤表面以物理方法涂覆上既耐熱又可焊的覆蓋薄層。如從最早采用的天然松香類、各種人工合成的類松香物（含各種各樣助焊劑）到OSP（有機可焊性保護劑）。它們主要特點是在焊接以前和焊接過程中能夠保護和形成新鮮（無污染和無氧化）的銅表面提供焊料直接連接。還有熱風焊料整平（HASL）也是涂覆上去的，不過它在HASL過程中便開始形成“暫穩態”CuxSny的金屬間互化物（IMC），焊料是焊接在CuxSny的IMC上。

表面鍍覆層

表面鍍覆層是指在新鮮的銅連接盤表面，以化學鍍或電鍍方法形成既耐熱又可焊的金屬覆蓋薄層，如電鍍金、化學鍍錫、化學鍍銀、化學鍍鎳－金、化學鍍鎳－鈀－金、化學鍍鎳－鈀、化學鍍鈀等。它們主要特點是在焊接以前和焊接過程中能夠保護和形成新鮮（無污染和無氧化）的銅表面或金屬阻檔層，以保證焊料能夠焊接在銅表面或阻檔層表面上。

按應用效果分類

按應用（焊接）結果分類，這些表面涂（鍍）覆層可分為三大類：（1）焊料焊接在無阻檔層上的表面涂（鍍）覆層；（2）焊料焊接在擴散層上的金屬表面鍍覆層；（3）焊料焊接在阻檔層上的金屬表面鍍覆層。

焊料焊接在無阻檔層上的表面涂（鍍）覆層

這類表面涂（鍍）覆層的主要特征是：在高溫焊接過程中被熔融焊料擠壓離開銅表面而漂浮在焊料表面或熱分解或兩者兼之除去，但是焊接點的連接界面處會形成暫穩態的金屬間互化物（IMC），造成應用過程中發生故障隱患，如天然松香類、人工合成的類松香物（含各種各樣助焊劑）、OSP（有機可焊性保護劑）、化學鍍錫、化學鍍銀等等。

焊料焊接在擴散層上的表面鍍覆層

為了消除暫穩態的金屬間互化物（IMC），最早采用銅表面鍍厚金作為表面鍍覆層，但是實踐和應用表明：（1）金－銅之間易于發生擴散作用，即金原子會擴散到銅結晶結構中，而銅原子也會擴散到金結晶結構里，這是由于金和銅都是面心立方晶體，而且熔點和原子半徑非常相近的原因，因此擴散易于發生；（2）金－銅界面之間的擴散層易于發生內應力作用，這是由于銅熱膨脹系數大于金熱膨脹系數，擴散的金－銅界面的結晶結構必然會發生互為擠壓的內應力引起型變而疏松、脆裂等問題，進而引起線路故障，這種情況已有過深刻而慘重的歷史教訓（見下表）。

金、銅和鎳的某些物理性能

焊料焊接在阻檔層上的表面金屬鍍覆層

這類表面鍍覆層的主要特征是：在高溫焊接過程中焊料是焊接在金屬阻檔層表面上，而不是直接焊接在銅表面上，因此焊接點的連接界面處既不會形成非穩定的金屬間互化物，又不會在金屬間發生擴散作用：如電鍍鎳－金、化學鍍鎳－金、化學鍍鎳－鈀－金、化學鍍鎳－鈀、化學鍍鈀等。由于阻檔層是金屬的，而且全部是用化學鍍或電鍍方法來形成的，所以又可稱為金屬表面鍍覆層。