浅谈沉镍金工艺.doc

一，引言自1997年以来，化学镍金工艺在国内得到迅速推广，这得益于化学镍金工艺本身所带来种种优点。由于化学镍金板镍金层的分散性好、有良好的焊接及多次焊接性能、良好的打线（Bonding,TS Bond或U Bond）性能、能兼容各种助焊剂，同时又是一种极好的铜面保护层。因此，与热风整平、有机保焊膜（OSP）等PCB表面处理工艺相比，化学镍金镀层可满足更多种组装要求，具有可焊接、可接触导通、可打线、可散热等功能，同时其板面平整、SMD焊盘平坦，适合于细密线路、细小焊盘的锡膏熔焊，能较好地用于COB及BGA的制作。化学镍金板可用于并能满足到移动电话、寻呼机、计算机、笔记型电脑、IC卡、电子字典等诸多电子工业。而随着这些行业持久、迅猛的发展，化学镍金工艺亦将得到更多的应用与发展机会。化学镍金工艺，准确的说法应为化镍浸金工艺（Electro-less Nickel and Immersion Gold Pro-cess,即ENIG）,但现在在业界有多种叫法，除”化学镍金”、”化镍浸金”外，尚有”无电镍金”、”沉镍金”。国内PCB行业多用”沉镍金”一词来谈论这一工艺，因而在本文中，我们也将用”沉镍金”来表述化镍浸金。二，沉镍金原理概述沉镍金工艺的原理，实际上反而从”化镍浸金”一词中能够较容易地被我们所理解。即其中镍层的生成是自催化型的氧化-还原反应，在镀层的形成过程中，无需外加电流，只靠高温（880C左右）槽液中还原剂的作用，即可在已活化的铜表面反应析出镍镀层，而金镀层的生成，则是典型的置换反应。当PCB板进入金槽时，由于镍的活性较金大，因而发生置换反应，镍镀层表面逐渐被金所覆盖。以下简单介绍一个沉镍金的反应过程：1， 沉镍的化学反应：关于沉镍的反应机理，曾有多篇文章提及。其过程基本上用一个反应式即可表达：在上述各反应式中，可看到一个自催化氧化-还原反应的典型模式。而在上述各反应中，需要注意的是反应，从中我们可看到有单体磷的生成，在沉镍过程中，此单体磷亦会一并沉于镍层中，因而，事实上的沉镍层，是磷镍构成。正常情况下，磷的含量应在8-12之间，磷含量的多少对PCB板的焊接性能极具影响。由此，还会引出另外一个关于测量的问题，在目前的大多数PCB厂家及其客户处，金、镍层厚度的测定，普遍采用X-ray镀层测厚仪，但当购买仪器时，仪器制造商所提供的镍标准片均为纯镍片（除非特别指定），用这样的标准片校核之后，再来测沉镍金板，则所测得的镍厚与实际镍厚有一明显偏差，一般的，实际厚度应为X-ray机测得厚度的1.15至1.20倍，我们曾多次通过金相切片的方式证实此点。2， 沉金的化学反应此置换反应的机理较简单，用下式即可表述：从这个反应式亦可大致想见沉镍后的板在金缸中的反应情形：在镍层表面逐渐被金所覆盖的过程中（包括疏孔）,上述反应会越来越慢直至终此。因而沉金层能够做到的厚度是有限的，大致在0.15m左右。三，沉镍金实际生产应用为顺应市场的变化需求，我公司于97年引入了沉镍金线，其基本流程如下：上板 除油 二级水洗 微蚀 二级水洗 预浸 活化 二级DI水洗 沉镍 镍回收 二级DI水洗 沉金 金回收 DI水洗 热DI水洗 烘干 下板。基于上述流程，再结合我们实际生产经验，我们认为：合理的流程、设备设计、对预防和减少某些工艺问题非常重要，而相关工序工艺、生产用水等方面的控制亦至关紧要。1， 缸体排布在新设计沉镍金线或将旧生产线改造成沉镍金线时，如何根据生产流程优化缸位排布显得极其重要。如果设计得当 ，可避免许多难以预料的工艺问题。因此，绝对应当事先多花功夫去研究哪一种缸体排布或怎样的一个行车程序是最合理的、所带来的生产问题可能减到最小。例如：沉镍金板可焊性不良的问题，除了板面污染外，镍面钝化是很主要的一个成因，要防止镍面钝化，就必须考虑到沉镍、沉金之间的控制，包括行车时间长短、滴水时间长短（这些是板在空气中的停留时间）；水洗（尤其是DI水洗）及空气搅拌的大小。因此，镍缸与金缸之间的距离不能相距太远。此外，活化缸不宜太靠近镍缸，否则，药水的交叉污染（行车移动时的飞巴滴液、镍缸的热蒸气滴液等）会使缸寿命变短及严重影响生产板品质。2， 镍缸设计镍缸是整条生产线的心脏部分，镍缸设计的好坏，直接影响到生产能否正常进行，这是因为镍缸在整个流程中是最难控制的。现在，常用的用于制作镍缸缸体的材料有两种：一种是PP；另一种是316不锈钢。对于PP缸，一般需在缸内壁套上表面光滑的PNN，且在缸壁内镶不锈钢板，以增加强度。这种缸，生产初期一般较为理想，但生产至约2个MTO（Metal Turn Over）或由于产量不足而经常出现升温、降温的情况时，会有较多的镍渣产生，当镍渣的数量达到某一程度后，会超过镍缸所能承受的负荷，镍渣在镍缸中产生自催化剧烈反应，造成反应失控（俗称反缸），导致生产不能正常进行。此时，解决的方法是：停止生产，把药水过滤到另外一个槽内，除掉镍渣，方可继续生产。因此，在用PP缸时，一般每2个MTO需倒一次缸，这不仅影响产能，也容易浪费药液。而使用316不锈钢材料制作的镍缸，通过外加电压，抑制渣的形成，从而保证正常稳定的生产。其具体做法是：在镍缸缸壁上接一根或几根导线使整个缸体作为阳极，而在镍缸药水中放置一定数量的316不锈钢棒作为阴极，然后再加上一稳压电源，电压大小应保持在0.8-1.2V之间（镍缸事先需用50体积比的HNO3浸泡，把316不锈钢缸缸壁钝化，形成一较大电阻）。当镍渣沉积到一定程度，缸壁的电阻会慢慢变小，在0.8-1.2V的恒定电压下，电流会逐渐增大，根据实际生产经验，当在0.9V的恒定电压下，电流至1.8-2.0A时，缸内反应就会变得剧烈，有”反缸”的危险，此时，需把药水温度迅速降至700C以下，把药水过滤到另一个缸，一般地，如无特殊情况，一个镍缸可生产到5个MTO，电流才升至1.8-2.0A.因此，与PP缸相比较，不锈钢缸可节省保养镍缸的时间，延长药水的使用寿命，降低生产成本。此外，还有一种镍缸的设计较特别，它在镍缸的底部安上转动凸轮，使得镍缸可上下振动，这对赶走附在板面或孔中的氢气泡是一种好方法，尤其在制作1.0mm以上厚度、含小孔（0.35mm）的大拼板时，对改善孔内漏镀很有帮助。镍缸尚有一不为人关注的问题，就是加热器的漏电现象，因镍缸需高温生产，故缸中（或其子缸中）会有多根加热器。因此，须特别注意加热器是否漏电，一旦发生漏电现象（尤其是间歇性漏电），则生产出来的板五花八门。往往花费许多精力也查不出个所以然，我们知道有数间工厂都发生过此类问题，所以每次生产前、生产中最好检查一下这种情况。在镍缸的设计过程中，最好药水供应商也能参与过来，因目前沉镍金药水基本分为两大体系：即盐酸体系和硫酸体系。这二种体系对镍缸的要求是不同的（如盐酸体系需打气、硫酸体系则不需）。因此，各工厂可根据自己的运行系统和经验，意向性地确认好选用的药水体系后，再与药水供应商、设备供应商一起讨论镍缸的设计为好。镍缸的循环过滤泵的选择也是一件令人头痛的事，我们经过多次改进，最终选择直立式耐高温、耐强碱、强碱泵。3， 挂具设计挂具在设计中容易被忽视，但在生产中又显得十分重要，其一般有两种设计方案，一种为狗骨架设计，另一种为挂篮设计。两种挂具各有优势。生产中可根据生产板的特点而择优选择。狗骨架挂板时，上部通过板子板边上预留的两个孔把板子串在不锈钢条上，每块板之间用PP条隔开，下面用绳子串起来，并用胶把板子分隔开来，狗骨架的设计优点在于：滴水干净，缸与缸的交叉污染小，挂具保养简单及占用空间小。但上板操作较为复杂。而挂篮的设计则有利于操作，它表面包一层Teflon，且通过梳齿把板子分隔开并定位。由于挂篮四周有固定铜条，在缸内摇摆效果佳，有利于赶走小孔内的气泡，且对于大拼板时的薄板（0.5mm以下）生产有利，不易出现叠板现象，但挂篮保养复杂，缸与缸之间交叉污染较大，需用较大水流量清洗，一般来讲，对于大拼板板子的生产，采用挂篮设计较为有利。4， DI水的使用沉镍金生产过程中，”清洗生产”的要领十分重要，因沉镍金制程相当敏感、抗污染程度低，因此，生产中所使用的各种化学试剂如硫酸、过硫酸钠等都应是CP级以上的。DI水的使用更是必不可少，所有的药水槽必须用DI水开缸、补充液位。同时，清洗药水槽时最后也应该用DI水循环清洗二次。在镍缸、金缸前后均应至少各有一道DI水洗。并且对DI水的品质亦须经常监测，尤其要注意其中的CI一含量。此外，在沉镍金之后的工序中，对沉镍金板也须格外保护，一定要使用DI水来洗板。同时注意在清洗或烘干过铜板、喷锡板后，再用同一部机器进行沉镍金板生产时，务必将机器清洗干净。否则，残存的Cu2+、Sn会对沉镍金板产生严重影响。四，沉镍金生产中的一些问题和解决方法由于沉镍金制程敏感，沉镍金板有多种用途，且表观要求极严。因此，沉镍金板生产中所遇到的问题五花八门，绝对可以写成一本书。因为一种现象可能有几种原因，做十几个试验才能确定真正成因是经常的事。所幸在生益电子有限公司，经过最初两、三个月的摸索，制程即已完全受控。近几年的大批量生产过程一直稳定在一个极高的水准上，广受客户好评。沉镍金板生产过程中常见的一些问题及解决方法可用下表1表示：在生产中，须特别注意前工序（W/F）与沉镍金工序的工艺配合。目前，仍有部分厂家认为，沉镍金板所用的W/F应特别选定，要求其耐化学冲击能力强。但事实上，经我们研究，目前常用的一些W/F品牌如Tamura DSR-2200 C-7BSX、Tamura DSR-2200K-31D、Taiyo PSR 4000 Z-26、LeaRonal OPSR-5600GM等，都可以找到一个合适的参数来生产沉镍金板，即使经历最严格的测试也毫无问题。W/F工序尤须注意显影及阻焊油墨塞孔这两点，前者对沉镍金板表观大有影响，而后者更直接牵涉到漏镀现象（见参考文献1）。这里顺便提一下字符的制作，一般都认为，字符应在沉镍金前制作完毕，以防金面受到污染（台湾的白蓉生先生也持这一观点，见参考文献2,但根据我们的经验，字符应该在沉镍金后制作，因为字符油墨可能会受到沉镍金药水的攻击而改变结构，就我们所用的白字油墨而言，即会发生这种现象，我们曾用谱图证明这一点。这种现象所表现出来的情况是：字符在生产厂家没有问题，表观亦无异常，但在客户处经回流焊或波峰焊后，则字符（尤其是字符块）会变成粉红色，从而遭致客户投拆和退货。一 沉镍金常见问题及解决方法问题描述 原因 解决方法 可焊性差 1， 金厚太厚或太薄 2， 沉金后受多次热冲击 3， 最终水洗不干净 4， 镍缸生产超过6个MTO 1， 调整金缸参数，使厚度在0.05-0.15m范围内。 2， 出货前用酸及DI水清洗 3， 更换水洗缸 4， 保持4-5个MTO生产量 镍厚不足 1， pH太低 2， 温度太低 3， 拖缸板不足够 4， 镍缸生产超过6个MTO 1， 调高pH值 2， 调高温度 3， 用0.5dm2/L光板拖缸20-30min 4， 更换镍缸 金厚不足 1， 镍层磷含量高 2， 金缸温度太低 3， 金缸pH值太高 4， 开新缸时起始剂不足够 1， 提高Ni缸活性 2， 提高温度 3， 降低pH值 4， 适当加入起始剂 Ni/Cu结合力差 1， 前处理效果差 2， 一次加入的镍成份太高 1， 检查微蚀量及更换除油缸 2，用0.5 dm2/L光板拖缸20-30min Au/Ni结合力差 1， 金层腐蚀 2， 金缸、镍缸之间的水洗pH值大于8 3， 镍面钝化 1， 升高金缸pH值 2， 检查水的质量 3， 控制镀镍后沉金前的打气及停留时间 渗镀 1，