賈凡尼現(xiàn)象在PCB化學(xué)鍍銀工藝中的原因分析與解決

賈凡尼現(xiàn)象或賈凡尼效應(yīng)是指兩種金屬由于存在電位差，通過(guò)介質(zhì)產(chǎn)生了電流，繼而產(chǎn)生了電化學(xué)反應(yīng)，致使電位高的陽(yáng)極被氧化的現(xiàn)象.本文中我們將各方面探討分析PCB化學(xué)鍍銀工藝中賈凡尼現(xiàn)象存在的原因和處理方法。

　　一、  化學(xué)銀及賈凡尼效應(yīng)原理
　　眾所周知，化學(xué)沉銀的反應(yīng)機(jī)理非常簡(jiǎn)單，即為簡(jiǎn)單的金屬置換反應(yīng)，其反應(yīng)過(guò)程可以表達(dá)為：
　　Ag＋＋e-=Ag E=0.799
　　Cu+++ 2e-=Cu E=0.340
　　2Ag＋＋Cu=2Ag+Cu++ E=0.459
　　正常情況下反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，可用下圖表示:

                  
　　化學(xué)銀層經(jīng)過(guò)一定厚度的沉積，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)銅面的保護(hù)，順利完成焊接保護(hù)的使命，但是往往事與愿違。沉銀過(guò)程中并非一帆風(fēng)順，我們都知道PCB 表面經(jīng)過(guò)油墨印刷后才進(jìn)行表面涂覆處理，而油墨印刷后PCB 的銅面將會(huì)呈現(xiàn)另外一種景象。可用下圖表示：

                   
　　阻焊制程中由于顯影的作用油墨或多或少的存在側(cè)蝕，因此加工出來(lái)的油墨往往呈現(xiàn)下圖的形態(tài)：

                      
　　這種形態(tài)的油墨結(jié)構(gòu)就提供了化銀所謂的“賈凡尼效應(yīng)”發(fā)生的良好環(huán)境。這種油墨的undercut 通常會(huì)形成狹小的裂縫，而裂縫中溶液無(wú)法交換，無(wú)法提供足夠的Ag 離子。但是在電解質(zhì)溶液中Cu 不斷的失去電子變成Cu 離子，而與此同時(shí)溶液中的Ag 離子又不斷的得到電子，沉積在裸露的銅面。直至溶液中Ag 離子得到電子與Cu 失去電子水平達(dá)到平衡，反應(yīng)才會(huì)終止。因此“賈凡尼”出現(xiàn)的位置表現(xiàn)為銀的厚度比正常位置厚。整個(gè)過(guò)程可用下圖表示：

                      
　　二、  賈凡尼效應(yīng)的影響因素分析
　　通過(guò)上面內(nèi)容介紹可以了解，“賈凡尼效應(yīng)”的產(chǎn)生實(shí)際上有兩個(gè)主要因素：一；置換反應(yīng)存在；二、局部的離子供應(yīng)不足；
　　關(guān)于置換反應(yīng)，化學(xué)沉銀、化學(xué)沉金等很多沉積本身都是此類(lèi)反應(yīng)，但是問(wèn)題的關(guān)鍵是反應(yīng)的程度。拿化學(xué)銀和化金來(lái)講，化學(xué)浸金的厚度一般在0.05～0.1um，而化學(xué)銀的厚度一般在0.15～0.5um 之間，因此化金沒(méi)有的問(wèn)題發(fā)生在化學(xué)銀工藝中。
　　而對(duì)于局部由于縫隙導(dǎo)致的離子供應(yīng)不足的問(wèn)題，筆者認(rèn)為綠油工藝中可能有兩個(gè)因素影響較大：一個(gè)因素是油墨的側(cè)蝕；另外的一個(gè)因素可能是油墨與銅層之間的結(jié)合力。對(duì)此可用下圖加以說(shuō)明：

                       
　　簡(jiǎn)單的說(shuō)影響“賈凡尼效應(yīng)的因素可總結(jié)為：化學(xué)銀厚度、油墨與銅結(jié)合力、油墨側(cè)蝕大小
　　1 試驗(yàn)部分
　　試驗(yàn)主要結(jié)合前面分析與實(shí)際過(guò)程中參數(shù)設(shè)計(jì)了DOE ，選定因子分別為：沉銀速度（決定銀厚）、阻焊前處理磨痕（決定結(jié)合力）、油墨型號(hào)、顯影速度、曝光級(jí)數(shù)（三者影響油墨側(cè)蝕）
　　DOE實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及結(jié)果

                                                       
　　注：1、沉銀速度為1.9m/min時(shí)，平均銀厚為0.30um，沉銀速度為1.3m/min時(shí)，平均銀厚為0.40um。
　　2、所有試驗(yàn)結(jié)果均符合華為標(biāo)準(zhǔn)線條深度的20％。
　　2 數(shù)據(jù)分析
　　應(yīng)用minitab分析，繪出主效應(yīng)圖如下：

                                                      
　　從主效應(yīng)圖中可以看出，在試驗(yàn)的5個(gè)因素中，沉銀速度是影響賈凡尼效應(yīng)最大的因素，曝光級(jí)數(shù)也對(duì)賈凡尼效應(yīng)有較大的影響，顯影速度、油墨型號(hào)和磨痕對(duì)賈凡尼效應(yīng)沒(méi)有顯著的影響。

　　三、  生產(chǎn)控制
　　基于以上分析和試驗(yàn)證明，我司正常的油墨工藝參數(shù)可滿(mǎn)足化學(xué)銀工藝中賈凡尼的要求。我公司應(yīng)從以下幾方面控制化學(xué)銀的賈凡尼效應(yīng)：
　　1、首件沉銀厚度控制（0.15-0.3）；
　　2、首件賈凡尼效應(yīng)確認(rèn)；
　　3、生產(chǎn)過(guò)程中沉銀厚度的抽檢，建立SPC控制；
　　4、生產(chǎn)過(guò)程中卡板問(wèn)題的預(yù)防。

　　四、  結(jié)束語(yǔ)
    一般來(lái)說(shuō)，在電路板的制造中通常使用的無(wú)鉛表面涂飾工藝有下列幾種：HASL 、OSP （有機(jī)可焊性保護(hù)涂飾材料）、化學(xué)鍍鎳/浸金、化學(xué)鍍鎳/ 化學(xué)鍍鈀/浸金、浸錫、浸銀，以及電鍍錫。較之其他幾種工藝化學(xué)浸銀又有它自身的優(yōu)點(diǎn)：化鎳浸金制程在PCB 制作上操作困難，成本昂貴。有機(jī)保焊劑在PCB 制作上操作簡(jiǎn)易，成本低廉，但是在裝配上受到限制?；瘜W(xué)浸銀可讓線路十分平整，適用于高密度線路，密腳距的SMT （表面貼裝），BGA （球腳陣列封裝）及晶片直接安裝?；瘜W(xué)浸銀操作簡(jiǎn)單，成本不高，維護(hù)少，使用相對(duì)小型設(shè)備可有高產(chǎn)能。基于這些優(yōu)點(diǎn)，化學(xué)銀被更多的應(yīng)用于PCB 的表面處理。