印制電路板用化學(xué)鍍鎳金工藝探討

1、印制電路板用化學(xué)鍍鎳金工藝探討【來(lái)源:PCB信息網(wǎng)】【作者:】【時(shí)間: 2006-6-29 9:49:56】【點(diǎn)擊: 1253】摘要  本文在簡(jiǎn)單介紹印制板化學(xué)鍍鎳金工藝原理的基礎(chǔ)上，對(duì)化學(xué)鎳金之工藝流程、化學(xué)鎳金之工藝控制、化學(xué)鎳金之可焊性控制及工序常見問(wèn)題分析進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述。關(guān)鍵詞  印制電路板，化學(xué)鎳金，工藝 1、前言    在一個(gè)印制電路板的制造工藝流程中，產(chǎn)品最終之表面可焊性處理，對(duì)最終產(chǎn)品的裝配和使用起著至關(guān)重要的作用。綜觀當(dāng)今國(guó)內(nèi)外，針對(duì)印制電路板最終表面可焊性涂覆表面處理的方式，主要包括以下幾

2、種：Electroless Nickel and Immersion Gold（1）熱風(fēng)整平；（2）有機(jī)可焊性保護(hù)劑；（3）化學(xué)沉鎳浸金；（4）化學(xué)鍍銀；（5）化學(xué)浸錫；（6）錫 / 鉛再流化處理；（7）電鍍鎳金；（8）化學(xué)沉鈀。    其中，熱風(fēng)整平是自阻焊膜于裸銅板上進(jìn)行制作之制造工藝（SMOBC）采用以來(lái)，迄今為止使用最為廣泛的成品印制電路板最終表面可焊性涂覆處理方式。    對(duì)一個(gè)裝配者來(lái)說(shuō)，也許最重要的是容易進(jìn)行元器件的集成。任何新印制電路板表面可焊性處理方式應(yīng)當(dāng)能擔(dān)當(dāng)N次插拔之重任。除了集成容易之外，裝

3、配者對(duì)待處理印制電路板的表面平坦性也非常敏感。與熱風(fēng)整平制程所加工焊墊之較惡劣平坦度有關(guān)的漏印數(shù)量，是改變此種表面可焊性涂覆處理方式的原因之一。    鍍鎳/金早在70年代就應(yīng)用在印制板上。電鍍鎳/金特別是閃鍍金、鍍厚金、插頭鍍耐磨的Au-Co 、Au-Ni等合金至今仍一直在帶按鍵通訊設(shè)備、壓焊的印制板上應(yīng)用著。但它需要“工藝導(dǎo)線”達(dá)到互連，受高密度印制板SMT安裝限制。90年代，由于化學(xué)鍍鎳/金技術(shù)的突破，加上印制板要求導(dǎo)線微細(xì)化、小孔徑化等，而化學(xué)鍍鎳/金，它具有鍍層平坦、接觸電阻低、可焊性好，且有一定耐磨等優(yōu)點(diǎn)，特別適合打線（Wire Bondin

4、g）工藝的印制板，成為不可缺少的鍍層。但化學(xué)鍍鎳/金有工序多、返工困難、生產(chǎn)效率低、成本高、廢液難處理等缺點(diǎn)。    銅面有機(jī)防氧化膜處理技術(shù)，是采用一種銅面有機(jī)保焊劑在印制板表面形成之涂層與表面金屬銅產(chǎn)生絡(luò)合反應(yīng)，形成有機(jī)物-金屬鍵，使銅面生成耐熱、可焊、抗氧化之保護(hù)層。目前，其在印制板表面涂層也占有一席之地，但此保護(hù)膜薄易劃傷，又不導(dǎo)電，且存在下道測(cè)試檢驗(yàn)困難等缺點(diǎn)。    目前，隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，印制板也朝著三無(wú)產(chǎn)品（無(wú)鉛、無(wú)溴、無(wú)氯）的方向邁進(jìn)，今后采用化學(xué)浸錫表面涂覆技術(shù)的廠家會(huì)越來(lái)越多，因其具有優(yōu)

5、良的多重焊接性、很高的表面平整度、較低的熱應(yīng)力、簡(jiǎn)易的制程、較好的操作安全性和較低的維護(hù)費(fèi)。但其所形成之錫表面的耐低溫性（-55）尚待進(jìn)一步證實(shí)。    隨著SMT技術(shù)之迅速發(fā)展，對(duì)印制板表面平整度的要求會(huì)越來(lái)越高，化學(xué)鍍鎳/金、銅面有機(jī)防氧化膜處理技術(shù)、化學(xué)浸錫技術(shù)的采用，今后所占比例將逐年提高。本文將著重介紹化學(xué)鍍鎳金技術(shù)。2、化學(xué)鍍鎳金工藝原理    化學(xué)鍍鎳金最早應(yīng)用于五金電鍍的表面處理，后來(lái)以次磷酸鈉（NaH2PO2）為還原劑的酸性鍍液，逐漸運(yùn)用于印制板業(yè)界。我國(guó)港臺(tái)地區(qū)起步較早，而大陸則較晚，于1996

6、年前后才開始化學(xué)鍍鎳金的批量生產(chǎn)。2.1 化學(xué)鍍鎳金之催化原理    作為化學(xué)鎳的沉積，必須在催化狀態(tài)下，才能發(fā)生選擇性沉積。銅原子由于不具備化學(xué)鎳沉積的催化晶種的特性，所以需通過(guò)置換反應(yīng)，使銅面沉積所需要的催化晶種。（1）鈀活化劑:Pd2+ + Cu Pd + Cu2+（2）釕活化劑:Ru2+ + Cu Ru + Cu2+2.2 化學(xué)鍍鎳原理    化學(xué)鍍鎳是借助次磷酸鈉（NaH2PO2）在高溫下（85100），使Ni2+ 在催化表面還原為金屬，這種新生的Ni 成了繼續(xù)推動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行的催化劑，只要溶液中的各種因素得

7、到控制和補(bǔ)充，便可得到任意厚度的鎳鍍層。完成反應(yīng)不需外加電源。以次磷酸鈉為還原劑的酸性化學(xué)鍍鎳的反應(yīng)比較復(fù)雜，以下列四個(gè)反應(yīng)加以說(shuō)明：H2PO2 + H2O H +  + HPO32 + 2 H                                N

8、i2+ + 2 H Ni + 2 H +H2PO2+ H H2O + OH + PH2PO2 + H2O H +  + HPO32 + H2    由上可見，在催化條件下，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生鎳沉積的同時(shí)，不但伴隨著磷（P）的析出，而且產(chǎn)生氫氣（H2）的逸出。另外，化學(xué)鍍鎳層的厚度一般控制在45m，其作用同金手指電鍍鎳一樣，不但對(duì)銅面進(jìn)行有效保護(hù)，防止銅的遷移，而且具備一定的硬度和耐磨性能，同時(shí)擁有良好的平整度。         在鍍件浸金保護(hù)后，不但可以取代拔插

9、不頻繁的金手指用途（如電腦內(nèi)存條），同時(shí)還可以避免金手指附近連接導(dǎo)電線處斜邊時(shí)所遺留之裸銅切口。2.3 浸金原理    鎳面上浸金是一種置換反應(yīng)。當(dāng)鎳浸入含Au（CN）2的溶液中，立即受到溶液的浸蝕拋出2個(gè)電子，并立即被Au（CN）2所捕獲而迅速在鎳上析出Au：2 Au（CN）2  +  Ni   2 Au + Ni2+  + 4 CN     浸金層的厚度一般在0.030.1m之間，但最多不超過(guò)0.15m。其對(duì)鎳面具有良好的保護(hù)作用，

10、而且具備很好的接觸導(dǎo)通性能。很多需按鍵接觸的電子器械（如手機(jī)、電子字典），都采用化學(xué)浸金來(lái)保護(hù)鎳面。    另外需指出，化學(xué)鍍鎳/金鍍層的焊接性能是由鎳層來(lái)體現(xiàn)的，金只是為了保護(hù)鎳的可焊性能而提供的。作為可焊鍍層金的厚度不能太高，否則會(huì)產(chǎn)生脆性和焊點(diǎn)不牢的故障，但金層太薄防護(hù)性能變壞3、化學(xué)鍍鎳金工藝流程    作為化學(xué)鍍鎳金流程，只要具備以下6個(gè)工作站就可滿足其生產(chǎn)要求：    除油（37min） 微蝕（12min） 預(yù)浸（0.51.5min） 活化（26min） 沉鎳（2

11、030min） 浸金（711min）3.1 安美特（Atotech）公司的化學(xué)鍍鎳金Aurotech工藝流程    Aurotech 是安美特公司開發(fā)的化學(xué)鍍鎳/金制程的商品名稱。適用于制作阻焊膜之后的印制電路板的裸銅區(qū)域（一般是焊腳或連接盤的導(dǎo)通孔）進(jìn)行選擇性鍍覆的化學(xué)法。Aurotech 工藝能在裸露的銅表面和金屬化孔內(nèi)沉積均勻的化學(xué)鎳/金鍍層，即使是高厚徑比的小孔也如此。Aurotech 還特別用于超細(xì)線電路，通過(guò)邊緣和側(cè)壁的最佳覆蓋達(dá)到完全抗蝕保護(hù)，同熱風(fēng)整平相比較，Aurotech 沒(méi)有特別高的溫度，印制板基材不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力變形。此外，熱風(fēng)整平

12、對(duì)通孔拐角處的覆蓋較差，而化學(xué)鍍鎳/金卻很好。與有機(jī)可焊涂層相比較，除了熔焊性能之外，Aurotech 鍍層還具有好的搭接焊、接觸導(dǎo)通和散熱功能。Aurotech 的工藝流程及操作參數(shù)見表1。表1  Aurotech 之工藝流程及操作參數(shù)  工序號(hào)  工序名稱   藥品名稱 配制濃度 PH值 溫度 處理時(shí)間1 酸性清潔劑 CupraprosH2SO4（d=1.84） 100ml/L10ml/L <1 3540°C 46¢3級(jí)逆流水洗 自來(lái)水    3

13、4¢2 微蝕 Na2S2O8H2SO4（d=1.84） 100g/L20ml/L <1 2535°C 23¢3級(jí)逆流水洗 自來(lái)水    34¢3 預(yù)浸 H2SO4（d=1.84） 50ml/L <1 2232°C 35¢活化 Aurotech-activatorH2SO4（d=1.84） 200ml/L50ml/L <1 2325°C 12¢3級(jí)逆流水洗 去離子水    34¢4 化學(xué)鍍鎳 Aurotech

14、CNN Mod配制液Aurotech CNN A 補(bǔ)充劑濃NH3水 150ml/L60ml/L1520ml/L 4.85.3 8290°C 2030¢化學(xué)鍍鎳 備用槽    3級(jí)逆流水洗 去離子水    34¢5 化學(xué)浸金 Aurotech SF配制液Aurotech 起始液KAu（CN）2（Au68.3%） 238ml/L2ml/L3g/L 4.05.0 7280°C 1015¢回收 去離子水    12¢2級(jí)逆流

15、水洗 去離子水    23¢熱水洗 去離子水    0.51¢烘干     4、化學(xué)鍍鎳/金之工藝控制4.1 除油槽    一般情況下，印制板化學(xué)鍍鎳/金采用酸性除油劑來(lái)處理待加工印制板，其作用在于去除銅面之輕度油脂及氧化物，達(dá)到銅面清潔及增加潤(rùn)濕效果的目的。它應(yīng)當(dāng)具備不傷阻焊膜、低泡型及易水洗的特性。4.2 微蝕槽    微蝕的目的，在于清潔銅表面之氧化及前工序遺留殘?jiān)?，保?/p>

16、銅面新鮮及增加化學(xué)鍍鎳層的密著性。常用的微蝕液為酸性過(guò)硫酸鈉溶液，參見表1。4.3 預(yù)浸槽    預(yù)浸槽在制程中沒(méi)有特別的作用，只是維持活化槽的酸度以及使銅面在新鮮狀態(tài)下（無(wú)氧化物），進(jìn)入活化槽。4.4 活化槽    活化的作用，是在銅面析出一層鈀，作為化學(xué)鍍鎳起始反應(yīng)之催化晶核。如前所述，其形成過(guò)程為Pd與Cu的化學(xué)置換反應(yīng)。工藝控制需關(guān)心的問(wèn)題有：鈀槽穩(wěn)定性問(wèn)題、活化槽硝槽處理問(wèn)題、增加后浸處理問(wèn)題和活化后水洗問(wèn)題。4.5 化學(xué)鍍鎳槽    化學(xué)鍍鎳是通過(guò)在Pd的催化作用

17、下，NaH2PO2水解生成原子態(tài)H，同時(shí)H原子在Pd催化條件下，將Ni2+還原為單質(zhì)Ni而沉積在裸銅面上的過(guò)程。工藝控制需關(guān)心的問(wèn)題有：磷含量問(wèn)題、溶液PH值控制問(wèn)題、鎳槽壽命控制問(wèn)題、溶液活性與穩(wěn)定劑關(guān)系問(wèn)題、溶液負(fù)載量（Loading factor）問(wèn)題、鍍鎳槽的配制問(wèn)題、程式選擇問(wèn)題和槽內(nèi)壁鎳層之去除問(wèn)題。4.6 化學(xué)浸金槽1）金槽之Au絡(luò)合劑、PH值、SG、溫度、浸漬時(shí)間要控制好。    在一般情況下，浸金槽的浸漬時(shí)間設(shè)定在711分鐘，操作溫度控制在8090，可以根據(jù)客戶的要求，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度來(lái)控制金厚。2）沉積速率與浸金厚度問(wèn)題 

18、60;  以勵(lì)樂(lè)公司“RONMERSE  SMT 藥水”為例，其沉積速率一般控制在0.05m/ 5min，使金層厚度最小為0.03m，最大為0.12m，此金層能防止鎳底不被氧化。3）使用壽命問(wèn)題    由于化學(xué)浸金是一個(gè)置換式反應(yīng)過(guò)程，隨著金不斷在鎳底基上沉積，其反應(yīng)速度逐漸下降，因而需注意浸金液的壽命，對(duì)于勵(lì)樂(lè)公司“RONMERSE  SMT 藥水”體系，大約在3MTO，超過(guò)它要及時(shí)進(jìn)行更換。4）金回收處理問(wèn)題    為了節(jié)省成本，金槽后需加裝回收水洗，

19、同時(shí)還能減輕對(duì)環(huán)境的污染。5、化學(xué)鍍鎳/金可焊性控制5.1金層厚度對(duì)可焊性和腐蝕的影響    在化學(xué)鍍鎳/金上，不管是施行錫膏熔焊或隨后的波峰焊，由于金層很薄，在高溫接觸的一瞬間，金迅速與錫形成“界面合金共化物”（如AuSn、AuSn2 、AuSn 3等）而熔入錫中。故所形成的焊點(diǎn)，實(shí)際上是著落在鎳表面上，并形成良好的Ni-Sn合金共化物Ni3Sn4，而表現(xiàn)固著強(qiáng)度。換言之，焊接是發(fā)生在鎳面上，金層只是為了保護(hù)鎳面，防止其鈍化（氧化）。因此，若金層太厚，會(huì)使進(jìn)入焊錫的金量增多，一旦超過(guò)3%，焊點(diǎn)將變脆性反而降低其粘接強(qiáng)度。  

20、0; 據(jù)資料報(bào)導(dǎo)，當(dāng)浸鍍金層厚度達(dá)0.1m時(shí)，沒(méi)有或很少有選擇性腐蝕；金層厚度達(dá)0.2m時(shí)，鎳層發(fā)生腐蝕；當(dāng)金層厚度超過(guò)0.3m時(shí)，鎳層里發(fā)生強(qiáng)烈的不可控制的腐蝕。5.2鎳層中磷含量的影響    化學(xué)鍍鎳層的品質(zhì)決定于磷含量的大小。磷含量較高時(shí)，可焊性好，同時(shí)其抗蝕性也好，一般可控制在79%。當(dāng)鎳面鍍金后，因Ni-Au層Au層薄、疏松、孔隙多，在潮濕的空氣中，Ni為負(fù)極，Au為正極，由于電子遷移產(chǎn)生化學(xué)電池式腐蝕，又稱焦凡尼式腐蝕，造成鎳面氧化生銹。嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)在第二次波峰焊之后發(fā)生潛伏在內(nèi)的黑色鎳銹，導(dǎo)致可焊性劣化與焊點(diǎn)強(qiáng)度不足。原因是Au面

21、上的助焊劑或酸類物質(zhì)通過(guò)孔隙滲入鎳層。如果此時(shí)鎳層中磷含量適當(dāng)（最佳7%），情況會(huì)改善。5.3鎳槽液老化的影響    鎳槽反應(yīng)副產(chǎn)物磷酸鈉（根）造成槽液“老化”，污染溶液。鎳層中磷含量也隨之升高。老化的槽液中，阻焊膜滲出的有機(jī)物量增高，沉積速度減慢，鍍層可焊性變壞。這就需要更換槽液，一般在金屬追加量達(dá)45MTO時(shí)，應(yīng)更換。5.4 PH值的影響    過(guò)高的PH，使鍍層中磷含量下降，鍍層抗蝕性不良，焊接性變壞。對(duì)于安美特公司之Aurotech （酸性）鍍鎳/金體系，一般要求PH不超過(guò)5.3，必要時(shí)可通過(guò)稀硫酸降低PH

22、。5.5穩(wěn)定劑的影響    穩(wěn)定劑可阻止在阻焊Cu焊墊之間的基材上析出鎳。但必須注意，太多時(shí)不但減低鎳的沉積速度，還會(huì)危害到鎳面的可焊性。5.6不適當(dāng)加工工藝的影響    為了減少Ni/Au所受污染，烘烤型字符印刷應(yīng)安排在Ni/Au工藝之前。光固型字符油墨不宜稀釋，并且也應(yīng)安排在Ni/Au工藝之前進(jìn)行。做好Ni/Au之后，不宜返工，也不宜進(jìn)行任何酸洗，因?yàn)檫@些做法都會(huì)使鎳層埋伏下氧化的危險(xiǎn)，危及可焊性和焊點(diǎn)強(qiáng)度。5.7兩次焊接的影響    對(duì)低檔卡板只做一次焊接，一般不會(huì)有問(wèn)

23、題。但如筆記型電腦的主板、手機(jī)或PC等高檔板，一般需兩次焊接。第一次焊接后，助焊劑殘余會(huì)浸蝕鎳層。第二次焊接的高溫會(huì)促使氧化甚至變黑，其固有強(qiáng)度變壞，無(wú)法通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)。遇到這種情況，只能從槽液管理上入手進(jìn)行改進(jìn)，使鍍鎳層具有更好的抗蝕性能。6、化學(xué)鍍鎳/金與其它表面鎳金工藝    化學(xué)鍍鎳/金除了通常所指之化學(xué)鍍薄金外，應(yīng)打金線等需求，又派生出化學(xué)厚金工藝；出于耐磨導(dǎo)電等性能要求，也派生出化學(xué)鍍鎳金后的電鍍厚金工藝；針對(duì)HDI板BGA位拉力要求，也派生出選擇性沉金工藝。6.1 化學(xué)厚金工藝1）工藝流程    除油水

24、洗微蝕水洗預(yù)浸活化水洗沉鎳水洗化學(xué)薄金回收水洗 化學(xué)厚金回收水洗干板2） 化學(xué)厚金之特點(diǎn)    化學(xué)厚金是指在還原條件下，金離子被還原為金單質(zhì)（還原劑同化學(xué)鍍薄金），均勻沉積在化學(xué)薄金上面，在自催化作用下，達(dá)到所需要的厚度。一般情況下，印制板化學(xué)厚金的金厚控制在20in左右。某些情況下，也有超過(guò)30in金厚的。3）工藝控制    化學(xué)厚金最重要的是成本問(wèn)題，所以，反應(yīng)速度的控制尤為重要。絡(luò)合劑、還原劑、穩(wěn)定劑以及溫度，是影響反應(yīng)速度的重要因素。6.2 沉金金手指電鍍工藝1）工藝流程阻焊膜沉鎳金干板包膠紙電鍍金去膠紙

25、其中，電鍍金為如下工藝流程：酸洗水洗刷磨水洗活化水洗鍍金回收水洗干板2）沉金金手指電鍍的特點(diǎn)    沉金金手指這種類型的板，在制作過(guò)程中，先將整板的露銅部分，包括金手指部分進(jìn)行化學(xué)鍍鎳金。然后，單獨(dú)將金手指按客戶要求之厚度進(jìn)行電鍍金。這種工藝流程簡(jiǎn)單，性能可靠，既能滿足客戶元件粘貼要求，又能滿足插接性能。3）工藝控制    包藍(lán)膠紙時(shí)，一定要防止藥水滲漏，避免金藥水污染。此外，電鍍厚金前，一定要將被鍍表面磨刷干凈，否則會(huì)引起分層。刷磨時(shí)，不可吝嗇沉金層的浪費(fèi)，刷磨效果越好，電鍍金層的結(jié)合力越牢固。6.3 選擇性沉金工藝1）工藝流程阻焊膜干菲林曝光顯影干板沉鎳金褪菲林干板有機(jī)保焊涂敷2）選擇性沉金的特點(diǎn)    選擇性沉金既具有元件粘貼平整的特點(diǎn)，又具有良好的裝配焊接性能。同時(shí)，針對(duì)HDI板BGA位等小型Pad位采用有機(jī)保焊涂覆（如Cu106），避免因Pad位太小而造成鎳金拉力不足的缺點(diǎn)。而且，選擇性沉金的成本低于整板沉金，是一種很有發(fā)展?jié)摿?/p>