贾凡尼现象在PCB化学镀银工艺中的原因分析与解决

贾凡尼现象或贾凡尼效应是指两种金属由于存在电位差，通过介质产生了电流，继而产生了电化学反应，致使电位高的阳极被氧化的现象.本文中我们将各方面探讨分析PCB化学镀银工艺中贾凡尼现象存在的原因和处理方法。

　　一、  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：

                      
　　二、  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
　　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）
　　DOE实验的设计及结果

                                                       
　　注：1、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。
　　2、所有试验结果均符合华为标准线条深度的20％。
　　2 数据分析
　　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。

　　三、  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：
　　1、首件沉银厚度控制（0.15-0.3）；
　　2、首件贾凡尼效应确认；
　　3、生产过程中沉银厚度的抽检，建立SPC控制；
　　4、生产过程中卡板问题的预防。

　　四、  结束语
    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。