印制电路板用化学镀镍金工艺探讨(二)

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3 化学镀镍金工艺流程1 G9 r! ?% k& ?; f& d1 Q1 M" u
  H" R4 P; i- p$ V. Z# }作为化学镀镍金流程，只要具备以下6个工作站就可满足其生产要求：+ c; a% U! G6 ~" p* T
除油（3~7min）→ 微蚀（1~2min）→ 预浸（0.5~1.5min）→ 活化（2~6min）→ 沉镍（20~30min）→ 浸金（7~11min）
/ c2 {& h  D8 S2 M% _! H* Y3.1 安美特（Atotech）公司的化学镀镍金Aurotech工艺流程4 i( Q2 W" w2 f
7 `% |- a2 U* A3 H" ^4 m4 E    Aurotech 是安美特公司开发的化学镀镍/金制程的商品名称。适用于制作阻焊膜之后的印制电路板的裸铜区域（一般是焊脚或连接盘的导通孔）进行选择性镀覆的化学法。+ Y3 k6 W1 }0 u% X; l" b" ~' u0 w
, ~$ ~5 M7 J! u& |, qAurotech 工艺能在裸露的铜表面和金属化孔内沉积均匀的化学镍/金镀层，即使是高厚径比的小孔也如此。Aurotech 还特别用于超细线电路，通过边缘和侧壁的最佳覆盖达到完全抗蚀保护，同热风整平相比较，Aurotech 没有特别高的温度，印制板基材不会产生热应力变形。此外，热风整平对通孔拐角处的覆盖较差，而化学镀镍/金却很好。
与有机可焊涂层相比较，除了熔焊性能之外，Aurotech 镀层还具有好的搭接焊、接触导通和散热功能。Aurotech 的工艺流程及操作参数见表1。% }' r! d! m1 J  {9 Q% B+ v+ w% o

9 n, U5 b2 T5 U, W表1  Aurotech 之工艺流程及操作参数
0 c" C- ^9 _1 k( E4 Z' ~2 \4 S( [/ w  工序号  工序名称   药品名称 配制浓度 PH值 温度 处理时间
: w- K# ]9 j$ b1 酸性清洁剂 CupraprosH2SO4（d=1.84） 100ml/L10ml/L <1 35~40°C 4~6￠
3级逆流水洗 自来水    3~4￠) v% a1 @# A1 E8 L# o
) h) X; }) y; T$ [2 微蚀 Na2S2O8H2SO4（d=1.84） 100g/L20ml/L <1 25~35°C 2~3￠9 |9 Z' }9 o1 n
) m. W+ t1 a& ^- e" W" L3级逆流水洗 自来水    3~4￠
9 U- b$ l% u7 h  ^3 预浸 H2SO4（d=1.84） 50ml/L <1 22~32°C 3~5￠
) T4 }& u, o9 d7 g  n活化 Aurotech-activatorH2SO4（d=1.84） 200ml/L50ml/L <1 23~25°C 1~2￠
3级逆流水洗 去离子水    3~4￠
9 f, b6 k2 f. H& @; n4 化学镀镍 Aurotech CNN Mod配制液Aurotech CNN A 补充剂浓NH3水 150ml/L60ml/L15~20ml/L 4.8~5.3 82~90°C 20~30￠
$ \) `1 w3 u* ]/ o: T化学镀镍 备用槽    . E1 @; \7 y) s
3级逆流水洗 去离子水    3~4￠6 g4 v. h2 Y* ~( i
5 化学浸金 Aurotech SF配制液Aurotech 起始液K[Au（CN）2]（Au68.3%） 238ml/L2ml/L3g/L 4.0~5.0 72~80°C 10~15￠
% V/ U) _8 o, Z' r2 T回收 去离子水    1~2￠
2级逆流水洗 去离子水    2~3￠, W5 w  y! |( C; F& P6 Q4 S  U
热水洗 去离子水    0.5~1￠% i: I) d# e+ J. t
1 P" k3 W, q2 m  y$ T烘干/ }2 f1 Y8 o/ z
( k. k6 ^5 P/ \: T- B" S     

4 化学镀镍/金之工艺控制, B: p4 W: ?* t
' V) M5 `$ r! k' E4.1 除油槽
. \8 D! m; Y6 ]5 V4 ^3 u一般情况下，印制板化学镀镍/金采用酸性除油剂来处理待加工印制板，其作用在于去除铜面之轻度油脂及氧化物，达到铜面清洁及增加润湿效果的目的。它应当具备不伤阻焊膜、低泡型及易水洗的特性。
4.2 微蚀槽% Z. o3 N* V; F; l. A$ E( k- C
微蚀的目的，在于清洁铜表面之氧化及前工序遗留残渣，保持铜面新鲜及增加化学镀镍层的密着性。常用的微蚀液为酸性过硫酸钠溶液，参见表1。
4.3 预浸槽
$ P% v$ J1 z; {4 r. c9 _/ e预浸槽在制程中没有特别的作用，只是维持活化槽的酸度以及使铜面在新鲜状态下（无氧化物），进入活化槽。3 a" [& x* b6 g% m
4.4 活化槽
* u6 X$ e! s0 Z活化的作用，是在铜面析出一层钯，作为化学镀镍起始反应之催化晶核。如前所述，其形成过程为Pd与Cu的化学置换反应。
; R( ~7 _) R: P8 o工艺控制需关心的问题有：钯槽稳定性问题、活化槽硝槽处理问题、增加后浸处理问题和活化后水洗问题。
6 g  T3 b; _9 X) R7 ^$ Q9 q. f6 s' m1 \4.5 化学镀镍槽# m; p# W! N$ W
# ~1 f) \# E; J5 H化学镀镍是通过在Pd的催化作用下，NaH2PO2水解生成原子态H，同时H原子在Pd催化条件下，将Ni2+还原为单质Ni而沉积在裸铜面上的过程。
工艺控制需关心的问题有：磷含量问题、溶液PH值控制问题、镍槽寿命控制问题、溶液活性与稳定剂关系问题、溶液负载量（Loading factor）问题、镀镍槽的配制问题、程式选择问题和槽内壁镍层之去除问题。2 x+ n, _( L# Q6 [$ U
4.6 化学浸金槽
# Q, ?) C/ `# U. v1）金槽之Au络合剂、PH值、SG、温度、浸渍时间要控制好。$ Y6 H  _( Z$ F# T- `
8 X3 r( k! S8 H7 n% o( U! h    在一般情况下，浸金槽的浸渍时间设定在7~11分钟，操作温度控制在80~90℃，可以根据客户的要求，通过调节温度来控制金厚。
7 a5 U3 l2 i8 }# _* N0 v3 s/ C    2）沉积速率与浸金厚度问题
/ |6 l- z! D9 M$ ~    以励乐公司“RONMERSE  SMT 药水”为例，其沉积速率一般控制在0.05μm/ 5min，使金层厚度最小为0.03μm，最大为0.12μm，此金层能防止镍底不被氧化。
) O- Z  Y2 e% ~( i3 c    3）使用寿命问题
' a- v" N3 ]( I+ R0 R# ?    由于化学浸金是一个置换式反应过程，随着金不断在镍底基上沉积，其反应速度逐渐下降，因而需注意浸金液的寿命，对于励乐公司“RONMERSE  SMT 药水”体系，大约在3MTO，超过它要及时进行更换。( o  D! v6 `; v, c4 e
    4）金回收处理问题
/ j4 T6 }" U' X/ f为了节省成本，金槽后需加装回收水洗，同时还能减轻对环境的污染。0 F# [4 l, U8 C( `7 i' i3 ~, }0 F3 S% w
; S6 E( A; s( `6 \: ]! m: X- V3 w' a7 W  \
5 化学镀镍/金可焊性控制
   5.1金层厚度对可焊性和腐蚀的影响
    在化学镀镍/金上，不管是施行锡膏熔焊或随后的波峰焊，由于金层很薄，在高温接触的一瞬间，金迅速与锡形成“界面合金共化物”（如AuSn、AuSn2 、AuSn 3等）而熔入锡中。故所形成的焊点，实际上是着落在镍表面上，并形成良好的Ni-Sn合金共化物Ni3Sn4，而表现固着强度。换言之，焊接是发生在镍面上，金层只是为了保护镍面，防止其钝化（氧化）。因此，若金层太厚，会使进入焊锡的金量增多，一旦超过3%，焊点将变脆性反而降低其粘接强度。
    据资料报导，当浸镀金层厚度达0.1μm时，没有或很少有选择性腐蚀；金层厚度达0.2μm时，镍层发生腐蚀；当金层厚度超过0.3μm时，镍层里发生强烈的不可控制的腐蚀。
  5.2镍层中磷含量的影响
- l- ]+ D) `0 z" x' K9 ^* r    化学镀镍层的品质决定于磷含量的大小。磷含量较高时，可焊性好，同时其抗蚀性也好，一般可控制在7~9%。当镍面镀金后，因Ni-Au层Au层薄、疏松、孔隙多，在潮湿的空气中，Ni为负极，Au为正极，由于电子迁移产生化学电池式腐蚀，又称焦凡尼式腐蚀，造成镍面氧化生锈。严重时，还会在第二次波峰焊之后发生潜伏在内的黑色镍锈，导致可焊性劣化与焊点强度不足。原因是Au面上的助焊剂或酸类物质通过孔隙渗入镍层。如果此时镍层中磷含量适当（最佳7%），情况会改善。
   5.3镍槽液老化的影响* o5 C$ M5 E' L3 U' \1 R
    镍槽反应副产物磷酸钠（根）造成槽液“老化”，污染溶液。镍层中磷含量也随之升高。老化的槽液中，阻焊膜渗出的有机物量增高，沉积速度减慢，镀层可焊性变坏。这就需要更换槽液，一般在金属追加量达4~5MTO时，应更换。6 G4 O. D) b8 w" ^" l. o
( p6 N4 I1 z. X/ `" @' C( e  5.4 PH值的影响
    过高的PH，使镀层中磷含量下降，镀层抗蚀性不良，焊接性变坏。对于安美特公司之Aurotech （酸性）镀镍/金体系，一般要求PH不超过5.3，必要时可通过稀硫酸降低PH。
" i) Y6 O$ ?& Q4 u/ {  5.5稳定剂的影响+ E% w. E; }+ V3 |2 v
2 k" ]: w5 K! [  l& D. w4 P$ H    稳定剂可阻止在阻焊Cu焊垫之间的基材上析出镍。但必须注意，太多时不但减低镍的沉积速度，还会危害到镍面的可焊性。  q9 N  h1 r5 c0 z
7 m; Q( B* V) R  x  5.6不适当加工工艺的影响0 x6 H% n' c" I2 J
    为了减少Ni/Au所受污染，烘烤型字符印刷应安排在Ni/Au工艺之前。光固型字符油墨不宜稀释，并且也应安排在Ni/Au工艺之前进行。
    做好Ni/Au之后，不宜返工，也不宜进行任何酸洗，因为这些做法都会使镍层埋伏下氧化的危险，危及可焊性和焊点强度。
   5.7两次焊接的影响
对低档卡板只做一次焊接，一般不会有问题。但如笔记型电脑的主板、手机或PC等高档板，一般需两次焊接。
第一次焊接后，助焊剂残余会浸蚀镍层。第二次焊接的高温会促使氧化甚至变黑，其固有强度变坏，无法通过振动试验。遇到这种情况，只能从槽液管理上入手进行改进，使镀镍层具有更好的抗蚀性能。% b. U. o) ?4 ?( G4 i! }! P, j' c& B

6 化学镀镍/金与其它表面镍金工艺
" n( H& y6 ~6 d2 V    化学镀镍/金除了通常所指之化学镀薄金外，应打金线等需求，又派生出化学厚金工艺；出于耐磨导电等性能要求，也派生出化学镀镍金后的电镀厚金工艺；针对HDI板BGA位拉力要求，也派生出选择性沉金工艺。  i! B& @7 |: C4 N1 Z
5 ~& ^4 M3 b% r- }0 }6 _! h, p# Y6.1 化学厚金工艺% k1 ~( f. @" v" k( d
1） 工艺流程
! {5 y1 R5 R: g- U    除油®水洗®微蚀®水洗®预浸®活化®水洗®沉镍®水洗®化学薄金®回收®水洗 ®化学厚金®回收®水洗®干板
2） 化学厚金之特点
    化学厚金是指在还原条件下，金离子被还原为金单质（还原剂同化学镀薄金），均匀沉积在化学薄金上面，在自催化作用下，达到所需要的厚度。% r3 S! |  v9 @( R8 V( u
    一般情况下，印制板化学厚金的金厚控制在20μin左右。某些情况下，也有超过30μin金厚的。1 B) b8 X  `- d8 w- M4 z
% P& E/ Q) R& @1 H" f4 L# f3）工艺控制: |- C$ x. S/ k3 Z% I* T
' l) r! }% J' e  u) }. D* d# D$ x    化学厚金最重要的是成本问题，所以，反应速度的控制尤为重要。络合剂、还原剂、稳定剂以及温度，是影响反应速度的重要因素。
9 x# [+ A8 d; j1 @! V6.2 沉金金手指电镀工艺
: p- T2 C  N/ [1）工艺流程7 z* e1 q3 f' L* {) g0 M9 ~
阻焊膜®沉镍金®干板®包胶纸®电镀金®去胶纸
0 ~5 J3 p5 V  S8 v- x" {! E其中，电镀金为如下工艺流程：
酸洗®水洗®刷磨®水洗®活化®水洗®镀金®回收®水洗®干板
/ h0 X( Q* W/ U  H# v+ ?/ F& M* K- I2）沉金金手指电镀的特点& h8 p2 \# ]1 I3 h: l7 \# D
    沉金金手指这种类型的板，在制作过程中，先将整板的露铜部分，包括金手指部分进行化学镀镍金。然后，单独将金手指按客户要求之厚度进行电镀金。
3 K- n- I' z) J: z/ y这种工艺流程简单，性能可靠，既能满足客户元件粘贴要求，又能满足插接性能。
3）工艺控制
    包蓝胶纸时，一定要防止药水渗漏，避免金药水污染。此外，电镀厚金前，一定要将被镀表面磨刷干净，否则会引起分层。刷磨时，不可吝啬沉金层的浪费，刷磨效果越好，电镀金层的结合力越牢固。
9 l1 Q* s3 W* `5 T$ }5 C" j' B6 H6.3 选择性沉金工艺4 ~. q; j: I5 j2 ^5 }
8 |/ p5 C! a. S% z1 d1）工艺流程* X1 L% V) i- L+ s
5 ~* p, @0 e8 h, `8 g" y( H1 O阻焊膜®干菲林®曝光®显影®干板®沉镍金®褪菲林®干板®有机保焊涂敷3 E" U6 j& R2 g% B4 E3 X1 G. o/ h
8 T, b5 p6 l/ Y2）选择性沉金的特点9 y$ g5 {3 r: n& A+ Z' Y2 O
    选择性沉金既具有元件粘贴平整的特点，又具有良好的装配焊接性能。同时，针对HDI板BGA位等小型Pad位采用有机保焊涂覆（如Cu106），避免因Pad位太小而造成镍金拉力不足的缺点。而且，选择性沉金的成本低于整板沉金，是一种很有发展潜力的工艺。
3）工艺控制$ U5 y8 O9 V# P, ^  z
1 |( _1 g1 X4 h干菲林是专用于沉镍金的类型，它不但应具有耐高温药液能力，且须具备良好的掩孔能力。由于沉镍金疏孔的局限性，其表面对微蚀药水非常敏感，极易造成镍层腐蚀。所以，在有机保焊涂覆制程中，微蚀率应在保证铜面清洁的前提下，控制的越低越好。能够采用贴红胶纸的制板，最好能象喷锡板那样，贴红胶纸加以保护。

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