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有两个处理金属表面的方法，在裸露的痕迹及垫片上，当用热循环进行测试时，可以影响PWB可靠性结果。通过延长或缩短周期，表面处理会有一个直接的影响。在表面处理要求高温热偏移来降低互连或材料，反过来又导致周期故障的地方会产生一个间接的影响。这两种情况下的可靠性变化可能受到重大影响。

在大多数情况下，表面处理用以保护铜轨迹，提供一个易于焊接的表面。表面处理，如有机表面防护（OSP），银和锡在扩展和收缩热循环导致故障的性能都很好。然而，有些在装配和最终使用环境中可能有着深远的影响。表面处理还可能产生其它不是直接与热循环导致故障的可靠性影响。

例如锡处理，由于它随着时间的推移，产生锡晶须，可能导致相邻的导线短路的性能而臭名昭著。有些表面处理可随时间的推移而降解，最终退化或降低焊接性能，不对电路产生保护，对装配造成麻烦。本专栏将仅限于表面处理及其通过热循环测试对可靠性直接和间接的影响。

在装配和最终使用环境中，对PWB可靠性影响最大的表面处理是含镍层。镍是一个基本的金属，使用在镍/金，化学镍/金（ENIG），镍/钯/金（ENiPiG）中。至少有两个制造原因使我们需要在表面处理中用到镍/金。镍提供了一个屏障，以防止铜和金的扩散，这是一个更强大的表面保护，如物理接触的消耗。

在热循环可靠性测试中，镍是一把双刃剑。镍通常延迟故障周期，但偶尔，镍也会显著降低周期，导致故障。通常镍作为一个防止裂纹延伸到互连圆柱的屏障。裂纹从玻璃纤维开始，然后延伸到铜，但是如果遇到镍，裂纹就会被有效地终止。定义电阻上升10%即为故障。裂纹可能继续在铜和镍之间向上或向下延伸，但这不会达到10%的电阻标准。看来，镍可以作为一个防止裂缝的有效屏障。镍必须完整地覆盖PTH，才能有一个积极的作用。实际上，镍防止裂纹延伸产生故障这样的情况被成为“镍保护”。见图1。

图1，特写“镍保护”防止裂纹延伸导致故障。

图2，镍保护动画图像。点击这里看动画。

我们称镍为一把双刃剑，是因为关于可靠性，镍会有两种表现：镍可能会增加或减少的周期导致故障。镍如果应用很差的话会降低周期导致故障。在三个条件下镍可能减少热循环导致故障：镍层的表面缺陷可能在镍上产生一个薄弱环节，该疵点会诱发裂纹，并加速铜柱裂纹。裂纹经常从镍表面疵点向内，向电介质传播。镍中的疵点可能是由泡沫、外来杂质，和镍不匀。这种类型的故障已被证明减少周期20％。本专栏的目的就是讨论“镍加速”。

图3，特写镜头展示了“镍加速”如何降低周期导致故障。

图4，镍加速动画图像。点击这里看动画。

偶尔运用阻焊作为化学镀镍应用的保护层。如果PTH的桶形是打开的饿，没有阻焊膜，镍通常会扮演一个保护PTH防止故障的角色。如果阻焊是涵盖PTH的，那么镍不能镀到PTH桶形上，不能提供额外的保护，也不会加速故障。万一PTH中的某个地方未被镀镍，那么就会产生镍加速。

镍在无铅应用中具有一个独特的故障模式，很少能被观察到，但是一旦发现会感到非常惊人。观察在已经被定为无铅装配热偏移的样品中的粗糙PTH桶形很普遍。洞壁通常是与波浪形的凹槽相似的波纹。看来，热膨胀会把镍拉长，然后收缩折叠。铜似乎是符合并遵循镍的轮廓。在同一样品中的无镍孔不会有与镍相关的桶褶皱。

镍由于Z轴膨胀，可以拉伸到一个故障点，它似乎会以一个可以被描述为破裂的方式产生故障。当镀镍PTH暴露在高温热偏移下时，这种情况就可能发生，特别是无铅加工温度。似乎，HDI应用中，在具有较高的环氧树脂含量高，和较高层数的地方，施加大量热膨胀，就像镍可能被拉长到一个镍断裂或破裂的点。破裂的镍可能断裂伸长到一定程度，在某些情况下，镍边缘锋利，像一把刀子的边缘。经冷却，桶形的压缩和一个镍的边缘可能会相互制约，镍可能深入铜0.0001”到0.0002”。这种重叠镍折叠，虽然罕见，但是当在微片段中被发现时，非常令人不安。

图5，镍折叠。

另一个表面处理在PWB可靠性方面的间接影响：应用需要一个或更多热偏移的表面处理在测试之前可靠性退化。热风焊料平整（HASL）和回流制程是在装配之前引入热偏移的两个主要的方法。尽管HASL已被证明是裸露铜上喷锡焊料的很好的工具，但是无铅工艺的出现带来了PWB必须承受的巨大压力。无铅温度产生的额外的热偏移开始降解电介质，特别是环氧系统。这些热偏移观光，如果过于剧烈，可能会降解互连，破坏材料，出现裂纹（一个网状的细裂纹），黏着故障或脱落。

应该指出的是，在极端情况下，无铅HASL可能诱发铜裂纹，如果焊料填充填满裂纹的话，可以被修复。焊料对于在焊料液相线温度以上的热偏移修复铜裂纹是有效的。虽然损害不会表现为电阻的上升，在焊料液相线温度以下的热循环测试（典型的测试温度是150°C或更低）会产生焊料的裂纹，然后产生故障。

图6，有回流焊接的桶裂纹。

观察到的另一个情况是铜溶解。在无铅温度下铜可能会被焊料溶解。这样减少了铜厚度，特别是在PTH的关节和铜裂纹处。桶裂缝的两边应该像拼图游戏中的碎块一样拼接起来。

请注意，图6中的裂纹外边缘不是镜像的两个图形。裂纹的外缘似乎表现出某种程度的铜溶解。我们还没有看到由于铜溶解导致铜层变薄而显着降低热循环导致的故障。

Paul Reid是PWB Interconnect Solutions的程序调解员。您可以通过发送邮件到paul.reid@pwbcorp.com和他取得联系。