【技术论坛】PCB银面发黑异常解决过程详解

目前PCB表面处理制程主要有OSP(有机抗氧化膜)、HASL(LF)(有/无铅喷锡，国内又称热风整平)、化金、电金、化锡、化银等。如果PCB表面有多种金属共存且有线路连接或设计比较复杂时，一般经过表面处理时铜面或金银面都会一定程度上受到槽液的影响。这种影响有可能是外观的也有可能是性能上的，而且表面处理之PCB有般都是基本成品的产品，一旦报废则损失较大，所以在PCB制造过程中，表面处理是最后一道湿制程同时也是湿制程中较重要的一个环节。本文即是阐述如何在有抗氧化膜(OSP)制程中解决铜银共存的银胶贯孔PCB银面发黑之异常问题。
一、引言

笔者所就职的PCB公司为全球主要车用银胶贯孔板供货商之一，其产品广泛应用在欧美及日系车仪表盘及音响领域。

银胶贯孔简称银贯孔，英文缩写STH即Silver Through Hole(也有欧美客户缩写SCO即Silver Cross Over)，银贯孔板设计之主要优点为通过在通孔内使用印刷方式注满银浆，利用银浆优异的导通性能将PCB双面线路导通，这种PCB比一般使用电镀铜方式导通双面线路之PCB在成本及复杂度都有明显降低。STH及PTH比较如表1所示。

由于是银胶贯孔板，所以板面上除了下游组装用铜PAD外，还有银PAD及银贯孔，这样在经过表面处理--OSP(Organic Solderability Preservatives)时铜银面极易受到微蚀液及OSP槽液的影响出现异常。目前笔者就遇到这样的问题，STH板在量产时经过OSP处理后，银面发暗，模拟客户端组装条件，使用IR-Reflow无铅曲线烘烤两次后银面出现发黑现象，此异常已造成客户端客诉，造成PCB工厂生活困难。

正常和发黑银面如图2和3所示：

二、Galvanic Effect说明

Galvanic Effect即指贾凡尼效应，此种效应一般在两种不同导通金属间且需有电解液存在的前提下才会发生。其主要影响是加快较活泼金属之咬蚀，在OSP制程还可能会造成铜面异色等现象。

贾凡尼效应不光和连接的物质活动性有关，而且和活泼金属及惰性金属间面积及距离等都有关系。金属活动性如图4，面积影响如图5说明。

从上图可以看出，在微蚀液中0价铜首先失掉1个电子成为1价铜，接着继续失掉1个电子由1价铜变为2价铜，最后金属铜变成2价离子态溶解于微蚀液中。因银为惰性金属且和铜相连，在微蚀液中会产生贾凡尼效应加速0价铜向正价离子态转化，所以铜面在微蚀液中除了微蚀液的正常咬蚀ER值外，由于有贾凡尼效应的存在会增加铜面ER值。

而贾凡尼效应对银面的影响主要表面为随着电子的加速转移，银面上的电荷会聚集造成银面能发生变化，且由于银胶贯孔存在在电容效应会积蓄能量，所以整个银铜回路能量发生变化。最终导致经过微蚀液处理且受贾凡尼效应影响之银面在护铜剂槽会更容易有一定程度的上膜，而这种上膜影响IR烘烤后直接表现为银面发黑。

如果将实验板银PAD和铜PAD相连之线路刮断的话，则避免了贾凡尼效应，银面经过护铜剂后IR烘烤则不会发黑。

当活泼金属(如铜)面积较大面惰性金属(如银)面积较小时，贾凡尼效应在阳极上的影响会比较小。

在成膜时，OSP中的咪唑化合物，如AL-KYLMIDAZOLE更容易影响受贾凡尼效应之铜面，所以银铜或银金共存之PCB，护铜剂在受贾几尼效应影响之铜面上的皮膜厚度会比正常铜面上皮膜厚度要厚。外观上就容易出现异常。针对STH板贾几尼效应影响可以图7方式说明。

三、OSP成膜原理简述

早期铜面抗氧化主要使用松香涂布，随着技术的发展及制程的需要。OSP药水应运而生，由于操作简便及成本低廉，OSP药水诞生后很快就得到了广泛的应用，目前依然是主要的表面处理方法。OSP药水主要生产厂商及型号如表2：

OSP药水主要成分分为BTA、AI和ABI，分别说明如下：

1、BTA(苯骈三氯唑)：BENZOTRIAZOLE

BTA是白色带淡黄无味的晶状细粉，在酸碱中都很安定，且不易发生氧化还原反应，能与金属形成安定化合物。

2、AI(烷基咪唑)：ALKYLIMIDAZOLE

OSP早期是以ALKYLIMIDAZOLE作为护铜剂而开始，由日本四国化学公司首先开发，于1985年申请专利，其后推出CLICOAT等，系由其衍生而来。

3、ABI(烷基苯咪唑)：ALKYLBENZIMIDZOLE

由日本三和公司开发，品名为CUCOATA，为一种耐湿型护铜剂。能与铜原子产生 错合物(COMPLEXCOMPOUND)，防止铜面氧化，与各类锡膏皆相容。对焊锡性有正面效果。

OSP成膜主要利用咪唑类化合物分子结构上苯环上的氮原子和1价铜离子结合生成OSP，过程如图8所示：

四、银面发黑阐述

如引言所述，STH版在经过OSP处理时银面会有发暗现象，在经过IR烘烤后银面发黑，发黑之前银面通过实验证明不影响PCB功能，只是会影响外观而已，而这种外观上的不良即使不影响产品功能客户也不愿意接受，容易造成客诉，影响PCB工厂之正常生产。

通过贾凡尼效应及OSP成膜原理说明，影响银面发黑的主要原因为微蚀段贾凡尼效应，其次为OSP药水在银面成膜，而银面上之皮膜会造成OSP后银面发暗，IR烘烤后导致发黑。

如何减轻甚至消除贾凡尼效应对银面影响，及如何避免OSP药水在银面成膜成为解决银面发黑异常之主要障碍。

五、银面发黑第一阶段解决过程

1、减轻贾凡尼效应影响

贾凡尼效应直接和使用之微蚀液有很大关系，一般OSP前处理会使用硫酸双氧水系列微蚀液。笔者就职公司OSP前处理也是使用这一系列微蚀液，这系列微蚀液由于ER值及铜离子管控较高，贾凡尼效应会比较明显。

一般H2SO4/H2O2系列微蚀液由于H2O2活性较高，咬蚀铜面速率比较快，而槽液中Cu2+含量高会加快贾凡尼效应。

微蚀液咬蚀铜面反应式：Cu+H2O2+H+→Cu2++H2O

上述反应速率高的话槽液中2价铜离子含量会升高，随之加速以下的反应：

Cu+Cu2+→Cu+ Cu+含量高加快贾凡尼效应

所以为降低贾凡尼效应，需要其它类型的微蚀液。

笔者最终选用了过硫酸氢钾系列微蚀液，因为其咬蚀量及铜离子管控均较低，但由于出色的咬蚀效果，即使ER较低上膜速率也没有受到影响反而得到了提升。硫酸双氧水系微蚀液和过硫酸氢钾系微蚀液咬蚀效果比较如图9:

由图9可以明显看出相同ER情况下，过硫酸氢钾系列处理铜面比硫酸双氧水系列处理铜面之粗糙度大，所以即使ER较低上膜速率也没有受到影响，同时由于微蚀液中铜离子含量较硫酸双氧水系列的低20～50g/L，所以贾凡尼效应得到有效改善。膜厚比如表3所示：

上述数据可以看出在同一条件下，过硫酸氢钾微蚀液比硫酸双氧水微蚀液成膜厚度高约30%

2、避免OSP药水在银面成膜

笔者就职公司使用的OSP药水一款为Shkoku Glicoat A，其为日本四国开发的优异的无铅OSP药水，使用在无铅领域有出色的耐热性及可焊性，但由于其为非选化药水不会选择性的在铜面成膜，银面上也会成膜，所以选择了同系列的选化药水Shkoku Glicoat A+，两者成膜量比较如表4所示：

由以上数据可以看出相同情况下，两种药水在铜面成膜量相当，但在银面成膜Glicoat A+只有0.011um。

经过上述药水更换，一段时间内银面发黑得到了有效控制，但随着使用时间的延长，药水活性尤其是Glicoat A+受到了影响。因为Glicoat A+在使用过程中槽液铜离子需要管控在100ppm以下，而实际使用中发现由于产量很大，使用一个月左右铜离子含量即接近100ppm，这样致使药水更换使用一段时间后银面又出现了发黑现象。

所以需要寻找其它更有效的方法来解决银面发黑现象，故进行第二阶段实验。

六、银面发黑第二阶段解决过程

考虑到主槽段OSP药水影响无法改变(通过进抵槽液方法成本太大)，所以焦点只能集中在微蚀段，针对微蚀段影响除更换药水外又进行了以下实验。

如本文第二点之说明：贾凡尼效应有微蚀液中除了加快铜面的ER外，对银面也有一定的影响，主要表现为随着电子的转移，银面上的电荷会聚集及银胶贯孔电容效应造成银表面能发生变化，而这种变化在经过OSP药水浸泡时更容易成膜。所以如何减轻这种变化成为问题的关键。

笔者设计如下实验：

①微蚀后水洗使用超音波水洗，试图通过超音波力量将经过微蚀处理之银面上的能量变化消除。

②微蚀后使用酸洗以达到如上同样的效果。

实验结果如表5：

以上两种方式结果均失败。至此微蚀段及微蚀后水洗均已实验，但结果仍NG。笔者失望之余想到了使用化学加机械的方法来解决此异常。

铜面处理方法不外乎以下三种：

化学法：即通过化学药水咬蚀在铜面制造出粗糙度，如果防焊前处理使用超粗化药水处理铜面增加铜面和油墨附着力，此种方法需要将微蚀管控在适当的范围内，故需要定期完善。

机械法：即通过各种材质的刷轮在铜面制造出粗糙度，常用的刷轮有尼龙金刚刷、不织布刷及陶瓷刷等。

Pumice法：即使用喷砂机利用金刚石打磨铜面制造出粗糙度，此种方法机械成本投入较高。

由于经过表面处理之PCB基本是已成型的产品，以上三种方法中考虑到机械法如使用不当最容易伤到防焊造成质量不良，所以首先采用Pumice法实验。一般OSP流程：脱脂→酸洗→微蚀→OSP→烘干。当然每家PCB工厂以上流程可能都会有差异，每段后面会有2～3槽水洗。更改流程：脱脂→酸洗→微蚀→Pumice→OSP→烘干。

使用以上流程实验时，银面不管IR烘烤后或烘烤后放置24小时都不会发黑，但由于Pumice处理银面时银厚度会有消耗，所以上膜烘烤后，银面虽然不发黑但会有色差。

至此使用化学加机械的方法已证明可以有效改善银面发黑异常，只是Pumice打击力量即ER值这一参数需要继续实验，以避免银面过多咬蚀造成银面异色。

后续将Pumice速度调整到3.0～.35m/min，ER约0.2um，结果银面异色得到 了一定程度上的改善。

实际使用中由于Pumice使用成本主要是金刚砂的更换成本较高，所以降低成本考虑实验其它的机械方式。首先其冲的即是实验刷磨法，但使用刷轮非尼龙金刚刷而是打磨力量更小的尼龙轻刷，刷磨电流控制在2.5～3.0A，结果铜银面效果均理想。

至此笔者遇到的银胶贯孔板在OSP制程银面发黑异常得到了有效的改善，改善的同时有效地利用了目前的设备，没有增加工厂的成本，此为问题解决最理想的结果。

七、实验结论

通过上述两个阶段的实验，可以确定STH板即银胶贯孔板银面发黑主要受到贾凡尼效应及OSP药水影响。为了降低这两个因素的影响更换了药水类型，在一定时其内可以较好的克服发黑异常，但随着药水使用时间的延长，发黑现象随之继续产生，通过第二阶段的实验结果最终确认化学加机械的方法可以有效克服银面发黑之异常。

结语：OSP制程是PCB最后一道湿制程，也是最重要的湿制程之一，其处理均是已成型OK的产品，基本上只要经过OSP处理，而后即会FQC检验，检验合格即可包装出货。如果OSP处理不好，轻则造成色差，上膜不均等不良而重工浪费人力物力；重则影响功能性或无法重工而报废，所以如何保证OSP一次良率成为各PCB厂需要关注的议题。希望本文能给业者处理类似异常提供参考。电镀网

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