化學鎳金的工藝 Tags: 化學鎳金,印制電路板 , 積分 Counts:907 次 本文在簡單介紹印制板化學鍍鎳金工藝原理的基礎上，對化學鎳金之工藝流程、化學鎳金之工藝控制、化學鎳金之可焊性控制及工序常見問題分析進行了較為詳細的論述。在一個印制電路板的制造工藝流程中，產品最終之表面可焊性處理，對最終產品的裝配和使用起著至關重要的作用。綜觀當今國內外，針對印制電路板最終表面可焊性涂覆表面處理的方式，主要包括以下幾種：Electroless Nickel and Immersion Gold形電鍍銅的常見缺陷及故障排除。1前言 由于行業競爭的激烈,印制板的制造商不斷降低成本提高產品質量,追求零缺陷,以質優價廉取勝。而客戶對印制板的要求也沒有單純停留在對產品性能的可靠性上,同時對產品的外觀也提出了更嚴格的要求。而圖形電鍍銅作為化學沉銅的加厚層或其它涂覆層的底層，其質量與成品的關系可謂休戚相關“一榮俱榮，一損俱損”。所以圖形電鍍銅上的任何缺陷如鍍層粗糙、麻點針孔、凹坑、手印等的存在，嚴重影響成品的外觀，透過涂覆其上的阻礙或鉛錫鍍層或是鎳金層，都能清楚的顯露出來。 本文主要敘述圖形電鍍銅常見的系列故障及缺陷，并針對這些缺陷進行跟蹤調查、模擬實驗，找出產生缺陷的成因，制定切實的糾正措施，保證生產的正常進行。2缺陷特點及成因2.1 鍍層麻點 圖形電鍍銅上出現麻點，在板中間較為突出，退完鉛錫后銅面不平整，外觀欠佳。 刷板清潔處理后表面麻點仍然存在，但已基本磨平不如退完錫后明顯。此現象出現后首先想到電鍍銅溶液問題，因為出現故障的前一天（4月2日）剛對溶液進行活性炭處理，步驟如下： 1）在攪拌條下件下加入2升H2O2 2）充分攪拌后將溶液轉至一個備用槽中，加入4kg活性碳細粉，并加入空氣攪拌2小時，之后關閉攪拌，讓溶液沉降。 從調查中發現，生產線考慮到次日有快板，當晚將溶液從備用槽中轉回工作槽。未經過充分過濾沉降活性炭，而轉移溶液時未經循環過濾泵（慢）直接從工作槽的輸出管理返回（管道粗，快）。因為溶液轉回工作槽后已過下班時間，電鍍人員沒有小電流密度空鍍處理陽極。在4月3日按新開缸液加完光亮劑FDT-1就開始電鍍。 問題已經清楚，電鍍銅上有麻點，來源于電渡溶液里的活性炭顆粒或其它臟東西。因為調度安排工作急，電鍍人員未按照工藝文件的程序進行操作，溶液沒有充分循環過濾，導致溶液里的機械雜質影響鍍層質量。另一個因素是磷銅陽極清洗后，未通過電解處理直接工作，沒來得及在陽極表面生成一層黑色均勻的“磷膜”，導致Cu+大量積累，Cu+水解產生銅粉，致使鍍層粗糙麻點。金屬銅的溶解受控制步驟制約，Cu+不能迅速氧化成Cu2+。而陽極膜未形成，Cu-e.Cu2+ 的反應不斷以快的方式進行，造成Cu+的積累，而Cu+具有不穩定性，通過歧化反應：2Cu+.Cu2+Cu，所生成的 會在電鍍過程中以電泳的方式沉積于鍍層，影響鍍層的質量。陽極經過小電流電解處理后生成的陽極膜能有效控制Cu的溶解速度，使陽極電流效率接近陰極電流效率，鍍液中的銅離子保持平衡，阻止Cu+的產生，保持鍍液正常工作。 這次電鍍銅的缺陷也暴露出一些問題：操作人員有時因為時間、工時、生產量的關系而忽略生產程序，影響產品質量。所以生產操作要嚴格按照工藝文件執行，不能因為生產任務緊，周期短而違規操作。否則會因為質量問題而返工或者造成報廢，影響產品合格率，進而影響生產周期，降低信譽度。 故障排除：在找出原因后，更換圖形電鍍銅溶液的濾芯，加強過濾；另外準備了實驗板500mm500mm分別對6個電鍍槽位的陽極進行電解處理。這樣除了4月3日生產的快板有鍍層麻點的缺陷外，次日星產的印制板已經完全正常。2.2 鍍層發花(樹枝狀) 圖形電鍍銅的表面發花，特別是大面積鍍層上尤為明顯，似樹枝狀，有長有短。而電鍍面積小，待鍍面積為焊盤或細線條的板子在同一天電鍍后幾乎為零缺陷，所以剛開始出現鍍層發花的現象沒有引起足夠的重視，叛斷為偶然因素：板子的、基材問題，或是孔金屬化后圖形轉移前浮石粉刷板機的刷痕。后來隨著生產量的增加，板面發花的數量愈來愈多，特別是圖號為MON?_1的印制板，尺寸為265mm290mm,電鍍面積A面面積為2.35dm2,B面面積為4.48 dm2，整個板面幾乎有一半的面積需要圖形鍍銅，因此圖形電鍍發花的現象一覽無余，嚴重影響印制板外觀。大量缺陷的板子出現，分析特點找出原因并徹底排除故障不容緩。為此，我中心為了達到客戶滿意度，質量部門將這批鍍層有缺陷的板子全部截留：不論是大面積鍍層發花，還是線條上的細絲狀痕跡。 質量是企業的生命，我們技術部針對鍍層發花的、進行探究： 1）首先根據以往經驗，判斷為圖形電鍍前處理的弱腐蝕和預浸液時有大量的有機物。因為去油后噴淋水洗可能不充分，將去油液里的有機物帶入后面的工作槽選成二次污染，而有機物吸附在板面待鍍圖形上就會影響 在陰極上的吸附，從而影響鍍層外觀。據此將弱腐蝕和預浸液重新開缸，之后生產的印制缺陷有所減少，但是板面發花的現象并沒完全消失。看來，以往的經驗在這次的故障排除中并沒有完全生效，繼而把重點轉移：莫非去油液有問題？去油液老化、去油不凈造成？檢查其溫度、成分均屬正常范圍。為了盡快弄清楚產生缺陷的根源，通過霍爾槽試驗：用一塊小銅片，經過木炭機械刷洗后沖凈作為陰極電鍍，結果發現樣片高區上有枝狀鍍層，平整性差。因為樣片未經去油液，而是通過機械去油，仍然有枝狀花紋，可見去油液也不能成為這次故障的元兇。 2）但是霍爾槽試驗的結果為解決問題找到了突破口，重心重新轉移到圖形電鍍銅溶液上來：立即讓分析人員取樣分析其成份： Cu2+ 21.29g/l H2SO4 198.92g/l CL- 23mg/l 從分析結果來看，CL-偏低。但是最近一段時間CL-持續偏低，因為我中心實驗室采用比濁法分析CL-誤差大，而在短期內未找到更理想的分析方法時，采用配制10mg/l,20mg/l,30mg/l,40mg/l,50mg/l,60mg/l70mg/l,80mg/l,90mg/l,100mg/l氯離子標樣濃度，用于對比得出工作液的深度。但是采用這種方法，生產線CL-的含量仍然維持在3040mg/l的水平。為了防止添加CL-過量，生產線采用間隔一次補加一次的方式進行。難道是CL-偏低造成的鍍層枝狀不平整？進一步做霍爾槽試驗：逐漸補加CL-，隨著CL-濃度的增加，枝狀鍍層的范圍逐漸縮小，由原來的3/5降為1/5，當CL-補加15mg后只有高區略有條狀不平。接著再添加CL-含量到25mg，霍爾槽的電流密度突然從1A降到0.5A，取出陽極后，發現磷銅陽極片上布滿一層白色鈍化膜，可見CL-含量已經嚴重造成陽極鈍化；而陰極樣片的中低區正常，高區的電鍍質量欠佳。在此基礎上（補加15mgCL-后）又分別加入1ml、2ml光亮劑FDT-1，電鍍15分鐘取出樣片，發現加入2ml光亮劑FDT-1的霍爾槽樣片電鍍層光這平整。 3）在小實驗排除故障后，按照比例加入CL-和光亮劑FDT-1到工作槽，充分的空氣攪拌和循環過濾后，將兩塊350mm350mm尺寸裸銅板擦完板后經去油?水洗?弱腐蝕?水洗?浸酸?圖形電鍍銅，正常駐工序出來后圖形電鍍無任何缺陷。于是生產線繼續電鍍，隨后的一天電鍍出來的印制板已完全正常。 可見，造成鍍層發花的原因很多：去油液、弱腐蝕液、預浸液、圖形電鍍銅溶液中的氯離子濃度以及光亮劑FDT-1都影響著鍍層的質量。氯離子濃度分析的不準確性直接影響溶液的調整；而光亮劑FDT-1的添加標準“電流積分測量鍍槽的導電量”已不能使用，日常光亮劑FDT-1的添加主要結合霍爾槽試驗和當日工作量來調整。在氯離子和添加劑的協同作下才能得到理想的鍍層，楞此嚴格控制工藝參數是生產出合格品的關健，否則任何一項參數失控就會導致鍍層的缺陷。2.3 鍍層上的水圈痕跡 尺寸較大的印制板圖形電鍍銅上有大量水圈，特別在孔的周圍水圈更為突出。 1）這一現象首先把我們的思路引向水噴淋。因為圖形電鍍線的噴淋水路和孔金屬化線公用一套水路系統，個別噴淋管的電磁閥已失效，只能持續噴水，這樣兩條線同時工作而且需要同時噴淋時，水的壓力就會不足直接影響噴淋效果。為此，試驗兩面三刀極杠印制板，按照正常程序生產，只是在噴淋時外接一根水管加強水洗，圖形電鍍銅后水圈仍然存在。從缺陷特點分析，電鍍銅面上的缺陷和水滴的痕跡一致，應該是水洗耳恭聽的問題，可是，與圖形電鍍線的水洗耳恭聽沒有關系，難道是圖形轉移后顯影沖洗不凈造成的？ 2）追根溯源，查找圖形轉移的水路。原來是我中心新購旱災的一臺電勝曝光機采用的水循環制冷方式，其水路和顯影機的沖洗段用一條水路。曝光機和顯影機同時工作時，顯影機的沖洗段噴淋壓力小；而且板面尺寸大，特別是上噴淋的水噴到板面上容易淤積，不利于溶液的循環更新。這樣作為光致抗蝕劑的干膜或濕膜顯完影的殘流液沒有充分沖洗，經過干燥段后，其黏膜水印在隨后的修板工作中不易發現（不象殘膠有明顯藍膜）；圖形電鍍前處理不易清除，經過一小時的電鍍銅，其水印的痕跡清楚可辨，且有一定的深度，不容易打磨掉，影響板面外觀。 為了證實這一結論，將10塊460mm420mm圖號為Y005的印制板圖形轉移后顯影，5塊風干后直接送圖形電鍍線，另5塊顯影后未經干燥段而送清洗機清洗后送圖形電鍍線。經同樣的前處理和電鍍銅后比較：經過充分水洗的5塊印制板上未發現水圈，而顯影后直接送圖形電鍍線的5塊印制板可明顯的看見水圈。 3）幫障排除：改造曝光機的水路，使其與顯影機的水洗兵分兩路；另外在顯影機的水洗段后又加了上下各3排噴淋管。而且，將圖形電鍍線上失、去作用的噴淋管重新更換。在維修改造之后，圖形電鍍銅質量良好。2.4 鍍層粗糙 板子表面輕微的鍍層粗糙可通過刷板機機械摩擦去除，嚴重的表面不平整甚至孔里的粗糙造成孔小，影響焊接和電性能，只能報廢。 引起鍍層粗糙的原因比較容易查找，諸如陰極電流密度過大，添加劑不足，銅離子含量過低，圖形面積錯誤（過大）或圖形面積分布嚴重不均勻等。針對印制板的具體情況一一分析，不難找到鍍層粗糙的原由。譬如整批板子粗糙，應該核對溶液的成分、通過霍爾槽試驗判斷光亮劑是否不足還有電流表是否出現故障。如若個別板子出現鍍層粗糙，首先核對生產記錄：電鍍級別輸入是否正確、電流是否偏大、加工單上圖形面積是不是偏大還有機器故障（電流表不穩定造成電流突然增加），上述原由各種資料介紹的比較多，故障排除并不難，在此不再贅述。 值得注意的是有些印制板設計的原因，電鍍圖形分布嚴重不均勻，局部只有孤立的焊盤或幾根細線條，而其它部位圖形面積過大，或者A/B面面積相差大。這樣即使電鍍溶液良好，一切參數正常，也容易出現不合格品。有經驗可參考：1）電流減半時間加倍，但這樣會降低生產效率。2）采用陪鍍的方式，找一些邊角料搭配著一起電鍍，改善電流分布。3）對于A/B面面積相差大的可分別控制電流。2.5 滲鍍 圖形電鍍銅滲鍍造成線條不整齊，線間距減小，嚴重的甚至短路。 由于板面清潔不夠（有油污點或氧化）與抗蝕劑結合不良；或者貼膜輥子有凹坑、曝光機臟點、生產底片局部對比度差或粘上灰塵，都構成圖形電鍍滲鍍的隱患。所以貼膜前的刷板清潔處理工序不容忽視：包括酸洗段的硫酸（10%）及時更新，刷輥壓力合適，高壓水洗循環流動且清潔，烘干溫度適中，保證板面清潔干燥。另外，貼膜時根據板材厚度調整輥子的壓力，選擇合適的溫度、速度。生產底片的品質、曝光機的清潔保養以及凈化間的環境都要嚴格控制。預防滲鍍必須控制圖形轉移過程的生產操作、光致抗蝕劑的品質及各項工藝參數。電鍍操作時保證抗蝕劑完好，選擇合適的電流密度。這樣就能有效避免滲鍍現象。2.6 分層 圖形電鍍銅的另一缺陷為銅/銅分層，明顯的分層一目了然，鍍層結合力較差的用膠帶粘緊后用力扯起，膠帶上會隨之粘上結合不牢的鍍層。由于鍍層起泡分層結合力差，阻礙前刷板時局部脫落，造成短路的隱患，或者因為局部線條分層后形成凹面與其它圖形部分不平，印上阻礙后有顏色差異（凹面顏色深），這樣的缺陷都不能被用戶接受。造成鍍層分層的因素有很多，可能原因及故障處理如下表：（1）熱風整平；（2）有機可焊性保護劑；（3）化學沉鎳浸金；（4）化學鍍銀；（5）化學浸錫；（6）錫 / 鉛再流化處理；（7）電鍍鎳金；（8）化學沉鈀。 其中，熱風整平是自阻焊膜于裸銅板上進行制作之制造工藝（SMOBC）采用以來，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。 對一個裝配者來說，也許最重要的是容易進行元器件的集成。任何新印制電路板表面可焊性處理方式應當能擔當N次插拔之重任。除了集成容易之外，裝配者對待處理印制電路板的表面平坦性也非常敏感。與熱風整平制程所加工焊墊之較惡劣平坦度有關的漏印數量，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備、壓焊的印制板上應用著。但它需要“工藝導線”達到互連，受高密度印制板SMT安裝限制。90年代，由于化學鍍鎳/金技術的突破，加上印制板要求導線微細化、小孔徑化等，而化學鍍鎳/金，它具有鍍層平坦、接觸電阻低、可焊性好，且有一定耐磨等優點，特別適合打線（Wire Bonding）工藝的印制板，成為不可缺少的鍍層。但化學鍍鎳/金有工序多、返工困難、生產效率低、成本高、廢液難處理等缺點。 銅面有機防氧化膜處理技術，是采用一種銅面有機保焊劑在印制板表面形成之涂層與表面金屬銅產生絡合反應，形成有機物-金屬鍵，使銅面生成耐熱、可焊、抗氧化之保護層。目前，其在印制板表面涂層也占有一席之地，但此保護膜薄易劃傷，又不導電，且存在下道測試檢驗困難等缺點。 目前，隨著環境保護意識的增強，印制板也朝著三無產品（無鉛、無溴、無氯）的方向邁進，今后采用化學浸錫表面涂覆技術的廠家會越來越多，因其具有優良的多重焊接性、很高的表面平整度、較低的熱應力、簡易的制程、較好的操作安全性和較低的維護費。但其所形成之錫表面的耐低溫性（-55）尚待進一步證實。 隨著SMT技術之迅速發展，對印制板表面平整度的要求會越來越高，化學鍍鎳/金、銅面有機防氧化膜處理技術、化學浸錫技術的采用，今后所占比例將逐年提高。本文將著重介紹化學鍍鎳金技術。2、化學鍍鎳金工藝原理 化學鍍鎳金最早應用于五金電鍍的表面處理，后來以次磷酸鈉（NaH2PO2）為還原劑的酸性鍍液，逐漸運用于印制板業界。我國港臺地區起步較早，而大陸則較晚，于1996年前后才開始化學鍍鎳金的批量生產。2.1 化學鍍鎳金之催化原理 作為化學鎳的沉積，必須在催化狀態下，才能發生選擇性沉積。銅原子由于不具備化學鎳沉積的催化晶種的特性，所以需通過置換反應，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 化學鍍鎳原理 化學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 成了繼續推動反應進行的催化劑，只要溶液中的各種因素得到控制和補充，便可得到任意厚度的鎳鍍層。完成反應不需外加電源。以次磷酸鈉為還原劑的酸性化學鍍鎳的反應比較復雜，以下列四個反應加以說明：H2PO2 + H2O H + + HPO32 + 2 H Ni2+ + 2 H Ni + 2 H +H2PO2+ H H2O + OH + PH2PO2 + H2O H + + HPO32 + H2 由上可見，在催化條件下，化學反應產生鎳沉積的同時，不但伴隨著磷（P）的析出，而且產生氫氣（H2）的逸出。另外，化學鍍鎳層的厚度一般控制在45m，其作用同金手指電鍍鎳一樣，不但對銅面進行有效保護，防止銅的遷移，而且具備一定的硬度和耐磨性能，同時擁有良好的平整度。 在鍍件浸金保護后，不但可以取代拔插不頻繁的金手指用途（如電腦內存條），同時還可以避免金手指附近連接導電線處斜邊時所遺留之裸銅切口。2.3 浸金原理 鎳面上浸金是一種置換反應。當鎳浸入含Au（CN）2的溶液中，立即受到溶液的浸蝕拋出2個電子，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0.15m。其對鎳面具有良好的保護作用，而且具備很好的接觸導通性能。很多需按鍵接觸的電子器械（如手機、電子字典），都采用化學浸金來保護鎳面。 另外需指出，化學鍍鎳/金鍍層的焊接性能是由鎳層來體現的，金只是為了保護鎳的可焊性能而提供的。作為可焊鍍層金的厚度不能太高，否則會產生脆性和焊點不牢的故障，但金層太薄防護性能變壞3、化學鍍鎳金工藝流程 作為化學鍍鎳金流程，只要具備以下6個工作站就可滿足其生產要求： 除油（37min） 微蝕（12min） 預浸（0.51.5min） 活化（26min） 沉鎳（2030min） 浸金（711min）3.1 安美特（Atotech）公司的化學鍍鎳金Aurotech工藝流程 Aurotech 是安美特公司開發的化學鍍鎳/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域（一般是焊腳或連接盤的導通孔）進行選擇性鍍覆的化學法。Aurotech 工藝能在裸露的銅表面和金屬化孔內沉積均勻的化學鎳/金鍍層，即使是高厚徑比的小孔也如此。Aurotech 還特別用于超細線電路，通過邊緣和側壁的最佳覆蓋達到完全抗蝕保護，同熱風整平相比較，Aurotech 沒有特別高的溫度，印制板基材不會產生熱應力變形。此外，熱風整平對通孔拐角處的覆蓋較差，而化學鍍鎳/金卻很好。與有機可焊涂層相比