化学镍金的工艺.doc

化学镍金的工艺 Tags: 化学镍金,印制电路板 , 积分 Counts:907 次 本文在简单介绍印制板化学镀镍金工艺原理的基础上，对化学镍金之工艺流程、化学镍金之工艺控制、化学镍金之可焊性控制及工序常见问题分析进行了较为详细的论述。在一个印制电路板的制造工艺流程中，产品最终之表面可焊性处理，对最终产品的装配和使用起着至关重要的作用。综观当今国内外，针对印制电路板最终表面可焊性涂覆表面处理的方式，主要包括以下几种：Electroless Nickel and Immersion Gold形电镀铜的常见缺陷及故障排除。1前言 由于行业竞争的激烈,印制板的制造商不断降低成本提高产品质量,追求零缺陷,以质优价廉取胜。而客户对印制板的要求也没有单纯停留在对产品性能的可靠性上,同时对产品的外观也提出了更严格的要求。而图形电镀铜作为化学沉铜的加厚层或其它涂覆层的底层，其质量与成品的关系可谓休戚相关“一荣俱荣，一损俱损”。所以图形电镀铜上的任何缺陷如镀层粗糙、麻点针孔、凹坑、手印等的存在，严重影响成品的外观，透过涂覆其上的阻碍或铅锡镀层或是镍金层，都能清楚的显露出来。 本文主要叙述图形电镀铜常见的系列故障及缺陷，并针对这些缺陷进行跟踪调查、模拟实验，找出产生缺陷的成因，制定切实的纠正措施，保证生产的正常进行。2缺陷特点及成因2.1 镀层麻点 图形电镀铜上出现麻点，在板中间较为突出，退完铅锡后铜面不平整，外观欠佳。 刷板清洁处理后表面麻点仍然存在，但已基本磨平不如退完锡后明显。此现象出现后首先想到电镀铜溶液问题，因为出现故障的前一天（4月2日）刚对溶液进行活性炭处理，步骤如下： 1）在搅拌条下件下加入2升H2O2 2）充分搅拌后将溶液转至一个备用槽中，加入4kg活性碳细粉，并加入空气搅拌2小时，之后关闭搅拌，让溶液沉降。 从调查中发现，生产线考虑到次日有快板，当晚将溶液从备用槽中转回工作槽。未经过充分过滤沉降活性炭，而转移溶液时未经循环过滤泵（慢）直接从工作槽的输出管理返回（管道粗，快）。因为溶液转回工作槽后已过下班时间，电镀人员没有小电流密度空镀处理阳极。在4月3日按新开缸液加完光亮剂FDT-1就开始电镀。 问题已经清楚，电镀铜上有麻点，来源于电渡溶液里的活性炭颗粒或其它脏东西。因为调度安排工作急，电镀人员未按照工艺文件的程序进行操作，溶液没有充分循环过滤，导致溶液里的机械杂质影响镀层质量。另一个因素是磷铜阳极清洗后，未通过电解处理直接工作，没来得及在阳极表面生成一层黑色均匀的“磷膜”，导致Cu+大量积累，Cu+水解产生铜粉，致使镀层粗糙麻点。金属铜的溶解受控制步骤制约，Cu+不能迅速氧化成Cu2+。而阳极膜未形成，Cu-e.Cu2+ 的反应不断以快的方式进行，造成Cu+的积累，而Cu+具有不稳定性，通过歧化反应：2Cu+.Cu2+Cu，所生成的 会在电镀过程中以电泳的方式沉积于镀层，影响镀层的质量。阳极经过小电流电解处理后生成的阳极膜能有效控制Cu的溶解速度，使阳极电流效率接近阴极电流效率，镀液中的铜离子保持平衡，阻止Cu+的产生，保持镀液正常工作。 这次电镀铜的缺陷也暴露出一些问题：操作人员有时因为时间、工时、生产量的关系而忽略生产程序，影响产品质量。所以生产操作要严格按照工艺文件执行，不能因为生产任务紧，周期短而违规操作。否则会因为质量问题而返工或者造成报废，影响产品合格率，进而影响生产周期，降低信誉度。 故障排除：在找出原因后，更换图形电镀铜溶液的滤芯，加强过滤；另外准备了实验板500mm500mm分别对6个电镀槽位的阳极进行电解处理。这样除了4月3日生产的快板有镀层麻点的缺陷外，次日星产的印制板已经完全正常。2.2 镀层发花(树枝状) 图形电镀铜的表面发花，特别是大面积镀层上尤为明显，似树枝状，有长有短。而电镀面积小，待镀面积为焊盘或细线条的板子在同一天电镀后几乎为零缺陷，所以刚开始出现镀层发花的现象没有引起足够的重视，叛断为偶然因素：板子的、基材问题，或是孔金属化后图形转移前浮石粉刷板机的刷痕。后来随着生产量的增加，板面发花的数量愈来愈多，特别是图号为MON?_1的印制板，尺寸为265mm290mm,电镀面积A面面积为2.35dm2,B面面积为4.48 dm2，整个板面几乎有一半的面积需要图形镀铜，因此图形电镀发花的现象一览无余，严重影响印制板外观。大量缺陷的板子出现，分析特点找出原因并彻底排除故障不容缓。为此，我中心为了达到客户满意度，质量部门将这批镀层有缺陷的板子全部截留：不论是大面积镀层发花，还是线条上的细丝状痕迹。 质量是企业的生命，我们技术部针对镀层发花的、进行探究： 1）首先根据以往经验，判断为图形电镀前处理的弱腐蚀和预浸液时有大量的有机物。因为去油后喷淋水洗可能不充分，将去油液里的有机物带入后面的工作槽选成二次污染，而有机物吸附在板面待镀图形上就会影响 在阴极上的吸附，从而影响镀层外观。据此将弱腐蚀和预浸液重新开缸，之后生产的印制缺陷有所减少，但是板面发花的现象并没完全消失。看来，以往的经验在这次的故障排除中并没有完全生效，继而把重点转移：莫非去油液有问题？去油液老化、去油不净造成？检查其温度、成分均属正常范围。为了尽快弄清楚产生缺陷的根源，通过霍尔槽试验：用一块小铜片，经过木炭机械刷洗后冲净作为阴极电镀，结果发现样片高区上有枝状镀层，平整性差。因为样片未经去油液，而是通过机械去油，仍然有枝状花纹，可见去油液也不能成为这次故障的元凶。 2）但是霍尔槽试验的结果为解决问题找到了突破口，重心重新转移到图形电镀铜溶液上来：立即让分析人员取样分析其成份： Cu2+ 21.29g/l H2SO4 198.92g/l CL- 23mg/l 从分析结果来看，CL-偏低。但是最近一段时间CL-持续偏低，因为我中心实验室采用比浊法分析CL-误差大，而在短期内未找到更理想的分析方法时，采用配制10mg/l,20mg/l,30mg/l,40mg/l,50mg/l,60mg/l70mg/l,80mg/l,90mg/l,100mg/l氯离子标样浓度，用于对比得出工作液的深度。但是采用这种方法，生产线CL-的含量仍然维持在3040mg/l的水平。为了防止添加CL-过量，生产线采用间隔一次补加一次的方式进行。难道是CL-偏低造成的镀层枝状不平整？进一步做霍尔槽试验：逐渐补加CL-，随着CL-浓度的增加，枝状镀层的范围逐渐缩小，由原来的3/5降为1/5，当CL-补加15mg后只有高区略有条状不平。接着再添加CL-含量到25mg，霍尔槽的电流密度突然从1A降到0.5A，取出阳极后，发现磷铜阳极片上布满一层白色钝化膜，可见CL-含量已经严重造成阳极钝化；而阴极样片的中低区正常，高区的电镀质量欠佳。在此基础上（补加15mgCL-后）又分别加入1ml、2ml光亮剂FDT-1，电镀15分钟取出样片，发现加入2ml光亮剂FDT-1的霍尔槽样片电镀层光这平整。 3）在小实验排除故障后，按照比例加入CL-和光亮剂FDT-1到工作槽，充分的空气搅拌和循环过滤后，将两块350mm350mm尺寸裸铜板擦完板后经去油?水洗?弱腐蚀?水洗?浸酸?图形电镀铜，正常驻工序出来后图形电镀无任何缺陷。于是生产线继续电镀，随后的一天电镀出来的印制板已完全正常。 可见，造成镀层发花的原因很多：去油液、弱腐蚀液、预浸液、图形电镀铜溶液中的氯离子浓度以及光亮剂FDT-1都影响着镀层的质量。氯离子浓度分析的不准确性直接影响溶液的调整；而光亮剂FDT-1的添加标准“电流积分测量镀槽的导电量”已不能使用，日常光亮剂FDT-1的添加主要结合霍尔槽试验和当日工作量来调整。在氯离子和添加剂的协同作下才能得到理想的镀层，楞此严格控制工艺参数是生产出合格品的关健，否则任何一项参数失控就会导致镀层的缺陷。2.3 镀层上的水圈痕迹 尺寸较大的印制板图形电镀铜上有大量水圈，特别在孔的周围水圈更为突出。 1）这一现象首先把我们的思路引向水喷淋。因为图形电镀线的喷淋水路和孔金属化线公用一套水路系统，个别喷淋管的电磁阀已失效，只能持续喷水，这样两条线同时工作而且需要同时喷淋时，水的压力就会不足直接影响喷淋效果。为此，试验两面三刀极杠印制板，按照正常程序生产，只是在喷淋时外接一根水管加强水洗，图形电镀铜后水圈仍然存在。从缺陷特点分析，电镀铜面上的缺陷和水滴的痕迹一致，应该是水洗耳恭听的问题，可是，与图形电镀线的水洗耳恭听没有关系，难道是图形转移后显影冲洗不净造成的？ 2）追根溯源，查找图形转移的水路。原来是我中心新购旱灾的一台电胜曝光机采用的水循环制冷方式，其水路和显影机的冲洗段用一条水路。曝光机和显影机同时工作时，显影机的冲洗段喷淋压力小；而且板面尺寸大，特别是上喷淋的水喷到板面上容易淤积，不利于溶液的循环更新。这样作为光致抗蚀剂的干膜或湿膜显完影的残流液没有充分冲洗，经过干燥段后，其黏膜水印在随后的修板工作中不易发现（不象残胶有明显蓝膜）；图形电镀前处理不易清除，经过一小时的电镀铜，其水印的痕迹清楚可辨，且有一定的深度，不容易打磨掉，影响板面外观。 为了证实这一结论，将10块460mm420mm图号为Y005的印制板图形转移后显影，5块风干后直接送图形电镀线，另5块显影后未经干燥段而送清洗机清洗后送图形电镀线。经同样的前处理和电镀铜后比较：经过充分水洗的5块印制板上未发现水圈，而显影后直接送图形电镀线的5块印制板可明显的看见水圈。 3）帮障排除：改造曝光机的水路，使其与显影机的水洗兵分两路；另外在显影机的水洗段后又加了上下各3排喷淋管。而且，将图形电镀线上失、去作用的喷淋管重新更换。在维修改造之后，图形电镀铜质量良好。2.4 镀层粗糙 板子表面轻微的镀层粗糙可通过刷板机机械摩擦去除，严重的表面不平整甚至孔里的粗糙造成孔小，影响焊接和电性能，只能报废。 引起镀层粗糙的原因比较容易查找，诸如阴极电流密度过大，添加剂不足，铜离子含量过低，图形面积错误（过大）或图形面积分布严重不均匀等。针对印制板的具体情况一一分析，不难找到镀层粗糙的原由。譬如整批板子粗糙，应该核对溶液的成分、通过霍尔槽试验判断光亮剂是否不足还有电流表是否出现故障。如若个别板子出现镀层粗糙，首先核对生产记录：电镀级别输入是否正确、电流是否偏大、加工单上图形面积是不是偏大还有机器故障（电流表不稳定造成电流突然增加），上述原由各种资料介绍的比较多，故障排除并不难，在此不再赘述。 值得注意的是有些印制板设计的原因，电镀图形分布严重不均匀，局部只有孤立的焊盘或几根细线条，而其它部位图形面积过大，或者A/B面面积相差大。这样即使电镀溶液良好，一切参数正常，也容易出现不合格品。有经验可参考：1）电流减半时间加倍，但这样会降低生产效率。2）采用陪镀的方式，找一些边角料搭配着一起电镀，改善电流分布。3）对于A/B面面积相差大的可分别控制电流。2.5 渗镀 图形电镀铜渗镀造成线条不整齐，线间距减小，严重的甚至短路。 由于板面清洁不够（有油污点或氧化）与抗蚀剂结合不良；或者贴膜辊子有凹坑、曝光机脏点、生产底片局部对比度差或粘上灰尘，都构成图形电镀渗镀的隐患。所以贴膜前的刷板清洁处理工序不容忽视：包括酸洗段的硫酸（10%）及时更新，刷辊压力合适，高压水洗循环流动且清洁，烘干温度适中，保证板面清洁干燥。另外，贴膜时根据板材厚度调整辊子的压力，选择合适的温度、速度。生产底片的品质、曝光机的清洁保养以及净化间的环境都要严格控制。预防渗镀必须控制图形转移过程的生产操作、光致抗蚀剂的品质及各项工艺参数。电镀操作时保证抗蚀剂完好，选择合适的电流密度。这样就能有效避免渗镀现象。2.6 分层 图形电镀铜的另一缺陷为铜/铜分层，明显的分层一目了然，镀层结合力较差的用胶带粘紧后用力扯起，胶带上会随之粘上结合不牢的镀层。由于镀层起泡分层结合力差，阻碍前刷板时局部脱落，造成短路的隐患，或者因为局部线条分层后形成凹面与其它图形部分不平，印上阻碍后有颜色差异（凹面颜色深），这样的缺陷都不能被用户接受。造成镀层分层的因素有很多，可能原因及故障处理如下表：（1）热风整平；（2）有机可焊性保护剂；（3）化学沉镍浸金；（4）化学镀银；（5）化学浸锡；（6）锡 / 铅再流化处理；（7）电镀镍金；（8）化学沉钯。 其中，热风整平是自阻焊膜于裸铜板上进行制作之制造工艺（SMOBC）采用以来，迄今为止使用最为广泛的成品印制电路板最终表面可焊性涂覆处理方式。 对一个装配者来说，也许最重要的是容易进行元器件的集成。任何新印制电路板表面可焊性处理方式应当能担当N次插拔之重任。除了集成容易之外，装配者对待处理印制电路板的表面平坦性也非常敏感。与热风整平制程所加工焊垫之较恶劣平坦度有关的漏印数量，是改变此种表面可焊性涂覆处理方式的原因之一。 镀镍/金早在70年代就应用在印制板上。电镀镍/金特别是闪镀金、镀厚金、插头镀耐磨的Au-Co 、Au-Ni等合金至今仍一直在带按键通讯设备、压焊的印制板上应用着。但它需要“工艺导线”达到互连，受高密度印制板SMT安装限制。90年代，由于化学镀镍/金技术的突破，加上印制板要求导线微细化、小孔径化等，而化学镀镍/金，它具有镀层平坦、接触电阻低、可焊性好，且有一定耐磨等优点，特别适合打线（Wire Bonding）工艺的印制板，成为不可缺少的镀层。但化学镀镍/金有工序多、返工困难、生产效率低、成本高、废液难处理等缺点。 铜面有机防氧化膜处理技术，是采用一种铜面有机保焊剂在印制板表面形成之涂层与表面金属铜产生络合反应，形成有机物-金属键，使铜面生成耐热、可焊、抗氧化之保护层。目前，其在印制板表面涂层也占有一席之地，但此保护膜薄易划伤，又不导电，且存在下道测试检验困难等缺点。 目前，随着环境保护意识的增强，印制板也朝着三无产品（无铅、无溴、无氯）的方向迈进，今后采用化学浸锡表面涂覆技术的厂家会越来越多，因其具有优良的多重焊接性、很高的表面平整度、较低的热应力、简易的制程、较好的操作安全性和较低的维护费。但其所形成之锡表面的耐低温性（-55）尚待进一步证实。 随着SMT技术之迅速发展，对印制板表面平整度的要求会越来越高，化学镀镍/金、铜面有机防氧化膜处理技术、化学浸锡技术的采用，今后所占比例将逐年提高。本文将着重介绍化学镀镍金技术。2、化学镀镍金工艺原理 化学镀镍金最早应用于五金电镀的表面处理，后来以次磷酸钠（NaH2PO2）为还原剂的酸性镀液，逐渐运用于印制板业界。我国港台地区起步较早，而大陆则较晚，于1996年前后才开始化学镀镍金的批量生产。2.1 化学镀镍金之催化原理 作为化学镍的沉积，必须在催化状态下，才能发生选择性沉积。铜原子由于不具备化学镍沉积的催化晶种的特性，所以需通过置换反应，使铜面沉积所需要的催化晶种。（1）钯活化剂:Pd2+ + Cu Pd + Cu2+（2）钌活化剂:Ru2+ + Cu Ru + Cu2+2.2 化学镀镍原理 化学镀镍是借助次磷酸钠（NaH2PO2）在高温下（85100），使Ni2+ 在催化表面还原为金属，这种新生的Ni 成了继续推动反应进行的催化剂，只要溶液中的各种因素得到控制和补充，便可得到任意厚度的镍镀层。完成反应不需外加电源。以次磷酸钠为还原剂的酸性化学镀镍的反应比较复杂，以下列四个反应加以说明：H2PO2 + H2O H + + HPO32 + 2 H Ni2+ + 2 H Ni + 2 H +H2PO2+ H H2O + OH + PH2PO2 + H2O H + + HPO32 + H2 由上可见，在催化条件下，化学反应产生镍沉积的同时，不但伴随着磷（P）的析出，而且产生氢气（H2）的逸出。另外，化学镀镍层的厚度一般控制在45m，其作用同金手指电镀镍一样，不但对铜面进行有效保护，防止铜的迁移，而且具备一定的硬度和耐磨性能，同时拥有良好的平整度。 在镀件浸金保护后，不但可以取代拔插不频繁的金手指用途（如电脑内存条），同时还可以避免金手指附近连接导电线处斜边时所遗留之裸铜切口。2.3 浸金原理 镍面上浸金是一种置换反应。当镍浸入含Au（CN）2的溶液中，立即受到溶液的浸蚀抛出2个电子，并立即被Au（CN）2所捕获而迅速在镍上析出Au：2 Au（CN）2 + Ni 2 Au + Ni2+ + 4 CN 浸金层的厚度一般在0.030.1m之间，但最多不超过0.15m。其对镍面具有良好的保护作用，而且具备很好的接触导通性能。很多需按键接触的电子器械（如手机、电子字典），都采用化学浸金来保护镍面。 另外需指出，化学镀镍/金镀层的焊接性能是由镍层来体现的，金只是为了保护镍的可焊性能而提供的。作为可焊镀层金的厚度不能太高，否则会产生脆性和焊点不牢的故障，但金层太薄防护性能变坏3、化学镀镍金工艺流程 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： 除油（37min） 微蚀（12min） 预浸（0.51.5min） 活化（26min） 沉镍（2030min） 浸金（711min）3.1 安美特（Atotech）公司的化学镀镍金Aurotech工艺流程 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。Aurotech 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