芯耀
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本文主要介绍PCB 化学沉银表面处理工艺的贾凡尼效应的产生原因及生产控制方法。首先介绍了贾凡尼效应产生的必然性，然后对几个主要影响因素进行试验分析，最终得出控制贾凡尼效应的方法。
关键词：贾凡尼效应、侧蚀
1. 前言
由于RoHS( 减少有害物质)的法规限制了PCB 制造和板子组装中铅、镉、汞和六价铬化合物的使用迫使电路板的生产厂家从使用热风整平焊接转向使用无铅替代品。
一般来说，在电路板的制造中通常使用的无铅表面涂饰工艺有下列几种：HASL 、OSP （有机可焊性保护涂饰材料）、化学镀镍/浸金、化学镀镍/ 化学镀钯/浸金、浸锡、浸银，以及电镀锡。较之其他几种工艺化学浸银又有它自身的优点：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。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。基于这些优点，化学银被更多的应用于PCB 的表面处理。
2. 化学银及贾凡尼效应原理
众所周知，化学沉银的反应机理非常简单，即为简单的金属置换反应，其反应过程可以表达为：
Ag＋＋e—=Ag E=0.799
Cu+++ 2e—=Cu E=0.340
2Ag＋＋Cu=2Ag+Cu++ E=0.459
正常情况下反应自发进行，可用下图表示:
化学银层经过一定厚度的沉积，就可以实现对铜面的保护，顺利完成焊接保护的使命，但是往往事与愿违。沉银过程中并非一帆风顺，我们都知道PCB 表面经过油墨印刷后才进行表面涂覆处理，而油墨印刷后PCB 的铜面将会呈现另外一种景象。可用下图表示：
阻焊制程中由于显影的作用油墨或多或少的存在侧蚀，因此加工出来的油墨往往呈现下图的形态：
这种形态的油墨结构就提供了化银所谓的“贾凡尼效应”发生的良好环境。这种油墨的undercut 通常会形成狭小的裂缝，而裂缝中溶液无法交换，无法提供足够的Ag 离子。但是在电解质溶液中Cu 不断的失去电子变成Cu 离子，而与此同时溶液中的Ag 离子又不断的得到电子，沉积在裸露的铜面。直至溶液中Ag 离子得到电子与Cu 失去电子水平达到平衡，反应才会终止。因此“贾凡尼”出现的位置表现为银的厚度比正常位置厚。整个过程可用下图表示：
3. 贾凡尼效应的影响因素分析
通过上面内容介绍可以了解，“贾凡尼效应”的产生实际上有两个主要因素：一；置换反应存在；二、局部的离子供应不足；
关于置换反应，化学沉银、化学沉金等很多沉积本身都是此类反应，但是问题的关键是反应的程度。拿化学银和化金来讲，化学浸金的厚度一般在0.05～0.1um，而化学银的厚度一般在0.15～0.5um 之间，因此化金没有的问题发生在化学银工艺中。
而对于局部由于缝隙导致的离子供应不足的问题，笔者认为绿油工艺中可能有两个因素影响较大：一个因素是油墨的侧蚀；另外的一个因素可能是油墨与铜层之间的结合力。对此可用下图加以说明：
简单的说影响“贾凡尼效应的因素可总结为：化学银厚度、油墨与铜结合力、油墨侧蚀大小
3.1 试验部分
试验主要结合前面分析与实际过程中参数设计了DOE ，选定因子分别为：沉银速度（决定银厚）、阻焊前处理磨痕（决定结合力）、油墨型号、显影速度、曝光级数（三者影响油墨侧蚀）
3.1.1 DOE实验的设计及结果
注：a、沉银速度为1.9m/min时，平均银厚为0.30um，沉银速度为1.3m/min时，平均银厚为0.40um。
b、所有试验结果均符合华为标准线条深度的20％。
3.2 数据分析
3.2.1应用minitab分析，绘出主效应图如下：
从主效应图中可以看出，在试验的5个因素中，沉银速度是影响贾凡尼效应最大的因素，曝光级数也对贾凡尼效应有较大的影响，显影速度、油墨型号和磨痕对贾凡尼效应没有显著的影响。
4.生产控制
基于以上分析和试验证明，我司正常的油墨工艺参数可满足化学银工艺中贾凡尼的要求。我公司应从以下几方面控制化学银的贾凡尼效应：
4.1、首件沉银厚度控制（0.15-0.3）；
4.2、首件贾凡尼效应确认；
4.3、生产过程中沉银厚度的抽检，建立SPC控制；
4.4、生产过程中卡板问题的预防。
5.结论
沉银厚度作为化学沉银的重要指标必须严格控制，而且有资料证明沉银厚度在以上即可以实现对铜面的保护功能，因此建议化学沉银的银厚度控制最好不超过0.3um；
不同的油墨有不同的参数要求，笔者建议若采用化学银工艺，不同油墨应对其不同参数下的侧蚀进行比较。选择侧蚀较优的参数加工。
6.生产经验
以一个完整槽液寿命周期的生产经验为例，在9 周的时间里，700 L 的沉银槽共处理板面积12,200 m2，单位耗量为17.5 m2/L。其中包括7000 m2 的“厚银板”（0.225 – 0.3 μm）和5,200 m2 的“薄银板”（0.15 – 0.2 μm）。在尺寸为2 mm x 2 mm 的焊盘上的平均银层厚度为0.203 μm。在槽液寿命的前期及后期，分别测试沉银层的厚度、外观、结合力、贾凡尼效应、IR 回流处理（260 °C/2 次）后的抗蚀性、湿老化（85 °C/85% RH，12 小时）后和干烘（155 °C，4 小时）后的抗蚀性以及可焊性，结果都满足客户的要求。另外在整个槽液寿命周期里的日常品质测试结果，包括干烘后的可焊性和抗蚀性以及离子污染度等，也均表明品质稳定可靠。
沉银工艺是基于溶液中的银离子和印刷电路板上金属铜之间的置换反应。由于沉银速率是取决于银离子的还原速度[2]，因而沉银速率随银离子浓度、溶液搅拌以及温度的增加而增加。对不同银厚度的要求可以很容易通过改变线速度（沉银槽中的停留时间）和槽液温度获得。此置换反应的结果是需要不断的补充银离子，同时铜离子含量在银溶液中逐渐增加。所以铜离子含量也是影响溶液寿命的一个因素。
如图2 所示，银的添加量随产量直线增加。平均来说，1 m2的印刷电路板消耗0.53 g 的银。也就是0.53 g/m2。根据已知的平均沉银厚度0.203 μm，可计算出印刷电路板表面有效沉银面积为13%。基于置换反应原理，铜离子的“理论”积聚率为0.156 g/m2，如圖中虚线所示。然而，实际的铜离子积聚率逐渐偏离“理论积聚率”并在1.6 g/L 達到稳定状态。这是因为铜离子不断的被印制电路板从沉银槽带出。随着铜离子浓度的不断增加，铜离子的带出量和置换反应产生的量最终会达到平衡。这最终平衡状态的铜离子浓度随着生产线的设备而异。一般而言，2 g/L 的铜负载力足以应付正常的生产。
沉银工艺的一个独特的现象是银厚随焊盘尺寸的增加而减少。由于沉银性能直接受厚度的影响，对厚度的要求因每个沉银工艺而异。IPC-4553 规定了尺寸为1.5 mm x 1.5 mm 焊盘为测试沉银厚度的标准焊盘尺寸[4]。如图3 所示，当焊盘面积从1 mm2 （1 mm x 1 mm的焊盘）增加到25 mm2 （5 mm x 5 mm 的焊盘）时，平均银厚逐渐从0.23 μm 降到0.16μm。大焊盘和小焊盘的沉银厚度差异约为30%，这个差异比通常在其它沉银工艺里观察到的要小，这也意味着当小焊盘上的银厚符合要求时，这样的差异仍可确保大焊盘上的银厚及性能。
7.贾凡尼效应
铜线路“贾凡尼效应”的机理与“缝隙”腐蚀机理类似[5]。在正常条件下，铜既是阳极也是阴极，这样，铜的氧化和银离子的还原同时进行，在铜面上形成均匀的镀银层。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，阻焊膜下面缝隙里的铜就变成牺牲阳极，为暴露在外的铜焊盘上发生的银离子还原反应提供电子（如图4 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的表面积及镀银层厚度增加而增加。
在正常生产条件下(即2.5 分钟、0.25 μm)，贾凡尼效应发生的情况如图5 中的扫描电子显微镜照片所示。在阻焊膜剥离前，可以看到铜焊盘完全被银覆盖，甚至在阻焊膜侧蚀下的铜线上也同样被银层覆盖。阻焊膜剥离后，在左边和中间的样品中，铜线路上看不出任何贾凡尼效应，但在右图中可看到轻微的咬蚀。需要注意的是咬蚀不是发生在阻焊膜侧蚀下面，而是发生在阻焊膜/铜分界面之后的区域里。如果将停留时间特意加倍至5 分钟以形成0.48 μm 厚的镀银层，那么贾凡尼效应会变得更强。如图6 所示，阻焊膜下面铜线路上形成宽约为20 μm、深为10 μm 的咬蚀凹槽。
因此，发生贾凡尼效应的风险可以通过以下方法防止或减少：（1）选择一个腐蚀性较小的沉银工艺（有适当的pH）而且不需要通过提高银厚来满足抗蚀性的要求；（2）控制微蚀在要求的微蚀量内；（3）在设计中避免大的铜面和细小铜线路连接；（4）通过优化前处理、成像、固化、显影工艺以及使用抗化学阻焊膜来提高阻焊膜与铜表面的结合力。
