PCB表面涂（镀）覆层的应用效果与未来

在无阻档层表面的焊料焊接会影响焊接点可靠性和使用寿命

PCB的发展和应用实践表明，它发生故障主要是来自焊接点，特别是在较长期使用或连续应用的场合。在无阻档层（或铜）表面的焊料直接焊接的故障率要远大于在铜上有阻档层表面的焊料焊接场合！研究和观察表明：焊料直接焊接在无阻档层（或铜）表面的焊接界面存在着一个“暂稳态”的金属间互化物，或者说元组件的引脚与印制板焊接盘之间的连接，是通过界面的CuxSny的金属间互化物连接在一起的，而CuxSny金属间互化物是不稳定的结构，它是发生线路焊接故障的重要根源之一。

无阻档层的焊接层会形成金属间互化物

由于无阻挡层的表面涂（镀）层的熔融焊料是直接焊接在铜表面，从而会形成多种金属间互化物（IMC），如从铜表面起逐次形成CuxSny（例：Cu3Sn2、Cu4Sn3、Cu5Sn4、Cu6Sn5等）的金属间互化物。几乎所有的有机表面涂覆保护剂、金属涂覆的HASL（热风焊料整平）和部分镀覆层（如化学镀锡、银、薄金等），在高温焊接时，焊料是直接焊接在铜或CuxSny表面上，因此都会形成上述的多种金属间互化物。

金属间互化物是处在“暂稳态”之中

由于形成的CuxSny金属间互化物（IMC）是处在“暂稳态”之中，因此它们会受到环境和应用条件（如温度不同、时间长短和环境条件等）而发生组成和厚度变化，即CuxSny（如：

Cu3Sn2、Cu4Sn3、Cu5Sn4、Cu6Sn5等）的金属间互化物（IMC）中的各种IMC的比例是不稳定的而是处在变化之中。这些变化会带来结构与内应力等的改变，从而破坏了焊接点结构稳定性、并造成焊接故障。对于金－铜间的扩散层也是处在“暂稳态”之中，因为金－铜之间的扩散也是时间、温度等的函数，其扩散厚度尺寸和故障率是随着时间等因素而增加着，这种不稳定和变化也会带来结构与内应力等的改变，从而破坏了焊接点结构稳定性、并造成焊接故障。

金属间互化物是应用过程发生故障的重要根源之一

由于各种“暂稳态”的金属间互化物（IMC）性质（如焊接性能等）的不同，从Cu3Sn2互化物是不可焊的逐步到Cu6Sn5互化物变成可焊。但若Cu3Sn2互化物变得很厚而缺少Cu6Sn5互化物时，则这样的表面涂（镀）覆层是不可焊的。如在20世纪90年代，由于热风焊料整平（HASL）涂覆焊料厚度太薄（特别是≤2μm）时，发生过不可焊接性或虚焊等故障，因此规定热风焊料整平涂覆焊料厚度必须＞3μm（军用应＞5μm），同时，多次热风焊料整平涂覆是会明显增加不可焊的Cu3Sn2厚度，给焊接性能带来影响。各种涂（镀）覆层的焊接而形成“暂稳态”的金属间互化物（IMC）情况（见下表）。

形成“暂稳态”IMC的表面涂（镀）覆层特征和问题

总之，焊接界面处的“暂稳态”的CuxSny金属间互化物，除了即时发生不可焊接性或虚焊外，更大危害的是这种CuxSny金属间互化物（或金－铜间扩散层）是“暂稳态”的，它会随着应用场合和环境条件而变化组成引起导电故障，这种“暂稳态”往往是在三五年以后才出现加速，所以焊料焊接在铜表面（或HASL形成的CuxSny金属间互化物表面）是一种“隐患”，它不适用于长期使用和高可靠要求的领域。

焊料焊接在阻档层上将带来焊接点高的可靠性和长的使用寿命

由于金－铜界面之间互为扩散形成脆弱连接和焊料和铜界面会形成“暂稳态”的CuxSny金属间互化物（IMC）焊接层，这些都会影响着产品应用的高可靠性和长的使用寿命。为了消除或减少这些故障的发生，必须在铜与焊料之间采用阻档（隔离）层，它既能阻止金－铜原子互相扩散，又可防止产生“暂稳态”的CuxSny金属间互化物，同时它也可提供可焊性。这就是说，元组件的引脚与印制板焊接盘之间的连接是在阻档（隔离）层与焊料焊接在一起的，从而消除了金－铜互为扩散和铜－锡（来自焊料）间CuxSny的金属间互化物隐患问题。

以镍为“阻档层”的表面镀覆层

由于镍与铜等金属间是很难发生扩散和形成金属之间互化物（IMC）的，加上导电能力、成本等因素使镍被选为“阻档层”，从而实现使焊料焊接在“阻档层”镍表面，达到高可靠性和长寿命的目的，但是重要的是要掌握镍作为“阻档层”的主要特性和问题。

（1）镍“阻档层”的提出。

镍“阻档层”的提出是基于两大方面：①阻止铜－金之间原子扩散，早期在高可靠性领域（如飞机等）是采用镀厚金技术，焊料焊接在金层上，但实践应用和发生故障教训表明：由于焊接盘上铜与金之间引起持续扩散造成内应力变大而疏松、断裂或开路，因此提出和采用阻档（隔离）层的路径。由于金属镍的结构、特性和成本等因素而最早被选用为“阻档层”，用来阻档或隔离铜－金之间的扩散；②阻止铜与焊料的锡形成CuxSny的金属间互化物，由于CuxSny的金属间互化物是个变化的“暂稳态”的，存在着不可焊性、内应力和脆裂等问题。所以采用镍“阻档层”都可以达到上述两个方面的目的，从而达到提高焊接点的可靠性和使用寿命。

（2）镀镍的“阻档层”的主要特征。

金属镍是面心立方结晶结构，与铜、金相同结晶结构，但镍的熔点高的多且结构稳定（参见上表“金、铜和镍的某些物理性能”），所以镍与铜、金之间不会发生扩散作用，可选用为“阻档层”。其主要特征：①沉积的镍为片状结构，易于形成空隙，因此要增加厚度来减少空隙，必须≥3μm；②镍表面易于氧化，并能形成致密而牢固的氧化膜，影响焊接性能，必须采用防氧化措施。最早采用镀薄金方法，目的是填塞镍的空隙和覆盖表面防氧化，这也是镀镍－金的由来。

（3）镀镍“阻档层”的主要问题。

镀镍“阻档层”的主要问题有：①空隙率大，由于镀镍的结晶结构是片状的，易形成大的空隙率，为了减少空隙率，只好增加镍的沉积厚度，在目前，一般要≥3μm（军用等领域要≥5μm）；②易氧化而形成牢固致密的氧化膜，要有防氧化措施。因此，在镀镍时必须采用填隙和防氧化方法，过去多采用镀金来填隙和防氧化，目前已采用更好的镀钯方法。

镍－金为“阻档层”的表面镀覆层

从上述得知，镀镍“阻档层”需要填隙和防氧化的措施，本节介绍以沉金进行填隙和防氧化的特点和问题。

（1）沉金的作用。

在镀镍“隔离层”进行沉金主要起着三个作用：①挤走镍层中空隙的镀液并填塞（满）形成无空隙的镍层；②在镍层表面上沉积极薄的金层防止镍表面氧化，形成可焊性保护层，所以沉金的作用是对镀镍“阻档层”进行填隙和防氧化：③外表美观作用，显然它是次要的。

（2）镍－金“阻档层”的缺陷。

在制造镍一金“阻档层”过程中主要存在：①由于金原子半径（晶粒）大，填塞空隙致密性差，覆盖厚度要大，除了填塞空隙外，镀金厚度≥0．03μm；②沉金厚度不足（特别是≤0．03μm时），会导致镍层中填隙不足、镍表面覆盖不全，从而引起镍－金“阻档层”上形成“黑班”和焊接故障（焊点不牢或不全等）；③金－铜间扩散仍然可在填塞间和不全的空隙中进行，尽管机率不高但仍存在着隐患。

（3）沉金厚度的控制。

在焊料焊接时，薄金层被熔入焊料中而显露出镍表面，使焊料焊接在镍表面上，而镀金的厚度过大反而是有害的，因此沉金的厚度要控制：①从镍层中填塞空隙和镍表面覆盖的保证上，金的厚度应控制在≥0．03μm；②在焊接时，金会熔入焊料中，但焊接点中的金含量≥3％（重量比），从安全角度计算，金的厚度应控制在≤0．15μm，因此沉金的厚度最好是控制在0．03～0．15μm之间。

镍－钯－金为“隔离层”的表面镀覆层

由于钯的原子半径很小、熔点又高等性能（参见上表“金、铜和镍的某些物理性能”）决定了今后将用钯取代金的作用。

（1）沉钯的作用。

沉钯的作用优于沉金作用：①填塞镍层中的空隙并更致密；②覆盖镍表面防氧化更致密牢固，还可共同形成“阻档层”作用；③不与铜发生扩散作用和难熔于焊料里；④减少镍的沉积厚度（如镍的厚度可小到1μm）、使阻挡层更薄而致密，甚至不用镍打底而在铜上直接镀钯，这对于高频信号（阻抗控制）传输是非常有利的。

（2）沉钯的优势。

由于钯的粒径远小于金的粒径（大约为1／80，参见上表“金、铜和镍的某些物理性能”），在晶格中稳定，不会与铜发生扩散作用，因此镍层中填塞空隙和表面覆盖致密，钯又是很理想的阻档层、孔焊性好。同时，钯的熔点远高于金或铜，在焊料焊接时钯熔入焊料中仅为金的1／65。即使熔入焊料时也浮在焊料表面而保护焊料，不像金熔入焊料后会形成金－锡化合物并会影响焊接点可靠性，所以从目前看来，钯取代金在镍层中填塞空隙和表面覆盖是最佳的选择。在镍－钯为“阻档层”上再沉金的唯一目的是外表美观问题，因此沉金的厚度可尽量地薄了，因为它不影响焊接问题，此时的焊料焊接是在镍－钯层（与钯厚度有关，严格而言是在钯表面）上。

镍－钯为“阻档层”的表面镀覆层

从前面所述得知，由于钯的原子半径极小、熔点高，加上化学沉钯的结构非常稳定，既不会发生扩散又难于形成金属间互化物（IMC），既是填塞镍层孔隙理想材料，又是起保护镍表面和阻档层作用。但由于沉积在镍表面的钯呈灰白色，给人印象是不美观。目前已开发出光亮的化学镀镍－钯（同一镀液）表面镀覆层。但必须验证是镍－钯合金结构还是混合沉积结构，如果是后者，可能意味着光亮镍显露在表面并易氧化，这会影响可焊性等性能。

钯为“阻档层”的表面镀覆层

以钯为“阻档层”的表面镀覆层的主要优点（参见上表“金、铜和镍的某些物理性能”）：①钯熔点高、粒径小，形成的结晶结构极稳定，既难于与其它金属之间发生扩散作用，又不与铜和焊料等形成金属间互化物（IMC），因此可以形成稳定的“阻档层”作用；②钯的粒径很小，在沉积很薄的钯就可形成致密而牢固的覆盖层，其厚度在0．1μm左右就可以达到“阻档层”的表面镀覆层的目的；③钯是惰性金属，熔点很高并难熔于焊料中，可焊性又好，因此是很理想的“阻档层”。由于钯的这些突出优点，将决定着以钯为“阻档层”的表面镀覆层的发展未来。

表面涂（镀）覆层的选择

PCB表面涂（镀）覆层是印制板制造的重要组成部分，它关系到PCB的可焊性、可靠性和使用寿命，必须给以充分重视，特别是要根据应用情况和应用领域进行认真判断而加以选用。充分理解表面涂（镀）覆层的类型和应用效果以及概况（见下表），并按照应用要求和应用领域进行选用。

表面涂（镀）覆层的类型和应用效果

注：有机物涂覆层是指天然松香类、人工合成松香类和有机可焊性保护剂（OSP）等。

由于各种表面涂（镀）覆层的的特性和应用效果是不同的，因此要根据应用要求和应用领域来进行选用，不能以制造难度和成本上为依据。

一般原则：（1）对于民用工业、常规工业等，选用在无“阻档层”上焊接的表面涂（镀）覆层的类型的产品，如选用高温型的有机可焊性保护剂（T－OSP）等；

（2）对于高可靠性和长使用寿命和关键部门装备、设施、仪器等的应用领域，如医疗设备仪器、交通（高铁、汽车等）、国防军事装备、航空航天的装备仪器等重要领域，应选用在“阻档层”上焊接的表面镀覆层的类型的产品，至少要采用化学镀镍－金的表面镀覆层，当然最好是选用化学镀镍－钯－金、化学镀镍－钯或化学镀钯的表面镀覆层。