第五代移動通信（5G）技術(shù)已邁入商用化進(jìn)程，光模塊作為光電信號的轉(zhuǎn)換器，是5G網(wǎng)絡(luò)物理層的基礎(chǔ)構(gòu)成單元，也是光設(shè)備與光纖連接的核心器件，被廣泛應(yīng)用于無線及傳輸?shù)仍O(shè)備。高速光模塊PCB作為光通信模塊封裝的電路載體，其上的板邊插頭或稱印制插頭，作為插拔連接部件，在光電信號的傳輸過程中起著至關(guān)重要的作用。

圖1 常見的高速光模塊PCB板外觀

隨著產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境越來越復(fù)雜，金手指部分長期裸露在外部環(huán)境中，因此，部分應(yīng)用端客戶針對光模塊PCB產(chǎn)品除了要求印制插頭表面鍍層有良好的耐磨性之外，還要求具有較好的耐腐蝕性，以確保產(chǎn)品在使用過程中有良好的可靠性。

為了滿足這些品質(zhì)要求，插頭的表面處理方式一般選用電鍍銅鎳金（厚金）、化學(xué)鎳金+電厚金、化學(xué)鎳鈀金等工藝。但是，在光模塊PCB產(chǎn)品的整個生產(chǎn)過程和服役周期中，影響板邊插頭耐腐蝕性能的因素較多，導(dǎo)致在應(yīng)用過程中腐蝕失效時有發(fā)生。大量研究表明，在鹽霧、硝酸蒸汽、SO2氣體、稀硫酸等環(huán)境條件下，金鍍層表面微孔隙是導(dǎo)致其耐腐蝕性能下降的主要原因。

圖2 板邊插頭腐蝕失效典型外觀

腐蝕機(jī)理及失效模式

光模塊PCB板邊插頭一般用金（Au）層作電接觸材料，Au不易與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能有效抵抗外界環(huán)境中有害物質(zhì)的侵蝕，但是當(dāng)金手指的Au面存在微孔、晶格缺陷、縫隙、漏鍍等缺陷時，Ni層或Cu層的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，會與滲入的腐蝕性介質(zhì)接觸，發(fā)生腐蝕失效。因此，金手指的腐蝕主要是指Au層底部的金屬Ni和Cu鍍層與周圍腐蝕性介質(zhì)（酸性氣體、鹽霧、含硫氣體等）之間發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的破壞，其腐蝕機(jī)理主要包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩個方面。

金屬Ni或Cu鍍層（陽極）與Au（陰極）形成原電池反應(yīng)，由于Au與Ni的電位差要大于Au與Cu的電位差，電極電位相差較大，原電池腐蝕動力越大，所以一般Cu鍍層的腐蝕程度較Ni層更嚴(yán)重。板邊插頭腐蝕位置垂直切片截面代表性形貌如圖3所示。

圖3 板邊插頭腐蝕位置截面代表性形貌

對大量光模塊PCB板邊插頭腐蝕失效樣品進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，根據(jù)腐蝕點(diǎn)的分布情況，可將腐蝕模式主要分為4種：尖端磨損腐蝕、表面腐蝕、末端腐蝕和側(cè)壁腐蝕，如圖4所示。

圖4 金手指的常見腐蝕失效模式

腐蝕失效原因分析

1 尖端磨損腐蝕失效

一般板邊插頭表面的Au層厚度為0.8~3.0μm，有較好的耐磨性能。當(dāng)光模塊PCB產(chǎn)品經(jīng)多次插拔后，連接器插座中的彈片會在板邊插頭表面造成插拔接觸的痕跡，如圖5（a）所示。由于板邊插頭尖端位置是呈90°的直角，在插拔過程中，尖端位置受到的機(jī)械應(yīng)力較集中，會更容易出現(xiàn)磨損，如圖5（b）所示，這導(dǎo)致金層的致密性下降，對鎳銅鍍層的保護(hù)性不足，最終發(fā)生腐蝕失效。

圖5 板邊插頭尖端插拔磨損形貌

另外，在插頭的插拔過程中，從外界環(huán)境帶入的雜質(zhì)顆粒附著在金面或插座的彈片上，也會增加板邊插頭的磨損程度，增大腐蝕失效風(fēng)險。

2 表面腐蝕失效

板邊插頭表面腐蝕現(xiàn)象如圖6（a）所示，其主要原因為表面金層厚度不足或金面存在漏鍍（圖6b）、劃傷（圖6c）、晶格異常（圖6d）等缺陷，無法有效保護(hù)Ni層和Cu層，造成腐蝕介質(zhì)滲入到金手指鍍層內(nèi)部，發(fā)生局部的點(diǎn)狀腐蝕。這些影響因素往往與PCB制程的表面處理工藝類型和生產(chǎn)操作控制相關(guān)。

圖6 板邊插頭表面腐蝕外觀及金面缺陷形貌

3 末端腐蝕失效

板邊插頭的末端一般直接與導(dǎo)線相連，由阻焊油墨覆蓋，當(dāng)油墨本身存在裂縫、孔洞等缺陷或是與底部線路間結(jié)合較差存在縫隙時，腐蝕介質(zhì)從縫隙處滲入，與阻焊底部的線路直接接觸。由于阻焊底部的線路表面一般為電鍍薄鎳金或化學(xué)鎳金層，Au層厚度較薄，一般為0.025~0.15μm，較難有效抵抗硝酸蒸汽、MFG（工業(yè)氣體腐蝕）和硫化蒸汽等嚴(yán)苛條件下腐蝕性介質(zhì)的滲透腐蝕，最終造成板邊插頭末端的油墨底部鍍層被腐蝕，如圖7（a）和圖7（b）所示，阻焊底部線路腐蝕位置垂直切片如圖7（c）所示。

圖7 板邊插頭末端腐蝕外觀及垂直切片形貌

4 側(cè)壁腐蝕失效

金手指有側(cè)壁不包覆鎳金和包覆鎳金兩類常見的工藝，這兩種鍍覆工藝制作的板邊插頭側(cè)壁的垂直切片圖分別如圖8（a）和圖8（b）所示。金手指側(cè)壁不包覆鎳金的光模塊PCB常用于溫和且穩(wěn)定的環(huán)境中，具備較好的耐磨性能，但耐高鹽、強(qiáng)酸堿等復(fù)雜環(huán)境的性能稍弱，在鹽霧試驗、硝酸蒸汽、工業(yè)氣體腐蝕試驗和硫化實驗中，側(cè)壁裸露的Ni層、Cu層會直接與腐蝕性介質(zhì)接觸，發(fā)生不同程度的腐蝕失效。側(cè)壁包覆鎳金的金手指采用引線電鍍工藝，在側(cè)壁Cu層上蓋覆有一層均勻的鎳金層，因此具備較好的耐腐蝕性能，但當(dāng)側(cè)壁金鍍層質(zhì)量存在缺陷或側(cè)壁鍍層與基材結(jié)合位置致密性較差時，如圖8（c）所示，底部的Ni、Cu層會與滲入的腐蝕性介質(zhì)接觸，發(fā)生局部的點(diǎn)狀腐蝕，如圖8（d）所示；另外，當(dāng)金手指位置的PCB基材存在裂紋、銅箔起泡、金手指底部坑裂等缺陷時，也會導(dǎo)致底部位置的鎳銅層與腐蝕介質(zhì)接觸，造成腐蝕失效，如圖8（e）和圖8（f）所示。

圖8 板邊插頭側(cè)壁外觀及垂直切片形貌

改善措施

通過分析板邊插頭常見腐蝕失效的產(chǎn)生原因可知，在無法改變外部腐蝕介質(zhì)類型及溫濕度等環(huán)境條件下，無論是化學(xué)腐蝕還是電化學(xué)腐蝕，必須避免活潑金屬Ni和Cu鍍層與腐蝕性介質(zhì)直接接觸，因此，主要的改善方向就是優(yōu)化生產(chǎn)工藝和加強(qiáng)生產(chǎn)管控措施，提高板邊插頭表面Au鍍層的致密性，消除鍍層孔隙，降低發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和微原電池反應(yīng)的風(fēng)險，減緩腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

1 適當(dāng)增加鍍金層的厚度

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報道可知，鍍層厚度與鍍層孔隙成反比，鍍層厚度越厚，孔隙越少；相反鍍層越薄、孔隙越多。根據(jù)MFG 3A級測試方法，對比兩種相同生產(chǎn)工藝但不同金厚的板邊插頭，發(fā)現(xiàn)Au厚1.27μm的金手指出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，而Au厚1.5μm的耐腐蝕性較好，如圖9所示。因此，在工藝可控和成本允許的情況下，適當(dāng)增加鍍金層的厚度，降低金層孔隙率，可有效改善板邊插頭的耐腐蝕性能。

圖9 不同金厚板板邊插頭MFG測試結(jié)果對比

2 適當(dāng)增加鍍銅層的厚度

在插拔過程中，板邊插頭尖端受到較大的機(jī)械應(yīng)力，研究發(fā)現(xiàn)，在電鍍薄鎳金（圖鍍銅鎳金）流程中，先加鍍一層5~8μm厚度的薄Cu層，由于薄Cu層有四面包裹的作用，可改善板邊插頭尖端和側(cè)壁的平整度，將尖端位置的90°直角（如圖10a）優(yōu)化為弧形的鈍角（如圖10b），優(yōu)化了線型，使板邊插頭尖端更平滑，可明顯減弱插拔過程中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低尖端位置金層被磨損的風(fēng)險，從而改善板邊插頭的耐腐蝕性能。

圖10 加鍍薄銅對金手指尖端線型的改善效果

3 使用低粗糙度的銅箔

PCB在蝕刻線路圖形后，基材表面會呈現(xiàn)出與銅箔毛面銅牙對應(yīng)的“蜂窩狀”凹痕，銅箔毛面的粗糙度越大，基材表面對應(yīng)的凹痕越粗糙度越大。而基材表面的粗糙度過大，會導(dǎo)致金手指側(cè)壁的鎳金鍍層與基材結(jié)合處的致密性不足，嚴(yán)重時會產(chǎn)生微小縫隙，腐蝕性介質(zhì)透過裂縫滲入，與鎳銅層發(fā)生反應(yīng)，造成腐蝕失效。

常用的普通銅箔銅牙長度為4~7μm，在基材表面形成的凹痕粗糙度較大，如圖11（a）所示。采用銅牙長度為1.2~2.3μm的低粗糙度RTF銅箔，可減少基材凹痕，如圖11（b）所示，提升金手指側(cè)壁鍍層與基材結(jié)合處的致密性，有效阻擋腐蝕性介質(zhì)的滲入，從而提高板邊插頭側(cè)壁的耐腐蝕性能。

圖11 不同銅箔對應(yīng)的基材表面粗糙度

4 使用封孔劑

從金手指的腐蝕失效現(xiàn)象和機(jī)理可知，腐蝕性介質(zhì)會透過金層表面的微小孔隙，對底部的Ni層和Cu層造成腐蝕。有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，使用封孔劑對金手指表面進(jìn)行滲透交換清洗、逐層螯合鈍化、表面氫健成膜等一系列的處理，在金層表面形成一層10~20nm左右的保護(hù)膜，來改善鍍層表面孔隙，可有效提升金手指的耐腐蝕性能。目前常用的有六價鉻化合物鈍化劑、油相封孔劑和水相封孔劑技術(shù)，其中水相封孔劑綜合性能最好，而且安全環(huán)保，在電鍍領(lǐng)域中應(yīng)用較廣泛。

結(jié)論

光模塊PCB金手指鍍層的共性腐蝕模式主要包括尖端磨損腐蝕、表面腐蝕、末端腐蝕和側(cè)壁腐蝕這4種。可通過適當(dāng)增加鍍Au層厚度、加鍍5~8μm的薄Cu層、采用低粗糙度銅箔或封孔劑等措施，提高板邊插頭表面Au鍍層的致密性或隔斷腐蝕介質(zhì)的滲入，降低腐蝕性介質(zhì)與Ni層和Cu層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和原電池反應(yīng)的風(fēng)險，從而減少腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。