可焊性的影响因素.doc

化学镀镍金层可焊性的影响因素(长春工业大学化工学院 130012)史筱超 崔艳娜 贺岩峰(复旦大学化学系200433)郁祖湛摘要 我们将国内外报道化学镀镍金的部分最新研究成果，同我们实验室的实践相结合，对造成化学镀镍金可焊性差的多种因素作一简要介绍。本文总结了影响化学镀镍金可焊性的复杂因素如：前处理的影响、化学镀镍过程的影响、浸金的影响、浸金后水洗的影响、焊料的影响。关键词 化学镀镍 浸金可焊性Factors Influencing the Solderability of Electro Less Nickeland Immersion Gold LayerShi Xiaochao Cui Yanna He Yanfeng Yu ZuzhanAbstract Based on the domestic and foreign reports，we combine part ofthe newest research achievements withour laboratory practiceFactors influencing the solder ability ofelectro less nickel and immersion gold layer were brieflyintroducedThis paper servers as a summary review of the complex factors such as the prepare，the process of electroless nickel，im ersion gold，the rinse after im ersion gold，the soldeKey words electro less nickel immersion gold solderabilit引言化学镀镍浸金过程有时简称化学镀镍金(Electroless Nickel and Immersion Gold；ENIG)。自1 996年以来，在国内外得到迅速推广，这得益于ENIG工艺本身所具有的种种优点。化学镀镍金板镍金层的分散性好，有良好的焊接及可多次焊接性能、能兼容各种助焊剂，同时又是一种极好的铜面保护层。因此，它与热风整平、有机可焊性保焊膜等PCB表面处理工艺相比，化学镀镍金镀层可满足更多种组装要求，并且其板面平整、SMD焊盘平坦，适合于细密线路。化学镀镍金印制板可广泛用于移动电话、计算机、笔记本电脑、电子词典等诸多电子产品。此工艺属于无铅可焊性镀层。据TMRC调查指出，ENIG在1996年只占PCB表面处理的2，而到2000年时已增长到141】。随着这些行业持久、迅猛的发展，ENIG工艺将会得到更多的应用和发展机会。但是，ENIG工艺应用于印制板时经常受到黑盘、个别焊点不牢、发生脆裂、可焊性差的困扰。并且有时只有当器件焊接到电路板上之后，才能发现这种现象，这给工业生产造成了损失。这种状况已引起了科研人员的广泛关注，并进行了多方面试验研究。本文将就报导的部分最新研究成果结合我们实验室的实践，对造成ENIG可焊性差的多种因素作一简要介绍。1 前处理对可焊性的影响11 微蚀过程的影响根据George Mila化学镍层的表面形态有直接的影响，从而间接影响到可焊性。微蚀液的浓度、温度和停留时间，都应严格控制。避免产品微蚀后因在空气中停留时间过长而氧化，对钯的活化造成不良后果。12 活化过程的影响尽管钌已经成为一种有效的活化剂，但常用的还是钯活化剂。钯活化剂可活化铜印制电路板，以确保沉积上一层完整的、均匀的钯催化剂层，然后在其表面直接镀 化学镀镍层。如有些区域未被活化，则沉积不上钯催化剂，也就镀不上镍层，影响最终可焊性。2 化学镀镍过程的影响化学镀镍沉积在金属表面，形成均匀的镀层。镀镍层具有结晶细致(有时是非晶态结构)、表面平整、厚度分布均匀等特点。化学镀镍金工艺中，焊接性能是通过镍层来体现的，金层主要为了保护镍层防止氧化。因此，化学镀镍过程对随后的可焊性具有十分重要的影响，所以研究工作亦较多。21 镍磷层磷含量的影响磷含量是一个十分重要的参数，在防止过腐蚀，确保形成良好的镀金层起到十分重要的作用。磷含量由pH值、还原剂、稳定剂和镀液使用寿命(MTO)等因素决定。磷含量对化学镀镍层的沉积结构和抗腐蚀性有直接影响。当磷含量低于7，形成微晶结构，镍磷层的抗腐蚀性差； 当磷含量高于7，形成非晶态、无定形结构，提高了抗腐蚀性： 当磷含量由7 增加到12 时，增加了其本身的惰性，镀层的抗腐蚀性也随之增加【2。但磷含量过高时可焊性反而降低。一般使用中磷化学镀镍液，认为磷含量控制在79较好。为保持镀层中较恒定的磷含量，镀液成分有时应随不同MTO作稍微调整。22 pH值和温度的影响ENIG一般均采用酸性镀液，过高的pH值，会使镀层中磷含量降低，镀层抗腐蚀性下降，焊接性能变坏。一般控制在5053之间，但具体情况要根据不同供应商提供的药水说明书而定。pH值和温度也影响镍磷层晶粒的尺寸和粗糙度(从而决定着镍磷层在浸金过程中腐蚀的程度)，影响可焊性。2 3 镍磷层晶体结构的影响通常沉积的颗粒越小，镀层的致密性越好，越有利于提高化学镀镍层的抗腐蚀性。在化学镀金时，镍磷层颗粒的大小和形状是影响镍磷层腐蚀程度的重要因素。镍磷层的均匀性，尤为重要。任何物理的缺陷或不规则的表面状态，都可能引发局部的过腐蚀现象，增加化学镀镍层产生黑盘的可能性【2。24 化学镀镍沉积速度的影响我们认为，化学镀镍的沉积速度对镍磷层的结构及形成的表面状态，有直接影响。通过调节温度和pH值， 降低沉积速度， 提高镍磷层的致密性，避免边界处晶粒间产生缝隙， 来减少浸金时镍磷层产生过腐蚀的可能性。化学镀镍的镀速，一般建议控制在10umh15umh。25 化学镀镍液中稳定剂的影响化学镀镍液中稳定剂的作用是维持化学镀镍液的稳定，抑制镍的自发还原析出。同时，它们有利于形成均匀的镀层，提高产品的边缘覆盖率。当稳定剂含量偏低时，化学镀镍液的稳定性降低，镀液易分解，析出金属镍。含有铅离子和有机化合物的稳定剂，能够进入沉积的化学镀镍层中，容易引起黑盘【3。因此，建议尽可能采用稳定剂浓度低的镀液。26 化学镀镍液使用周期的影响在化学镍沉积的同时， 会在化学镀镍槽中产生反应副产物亚磷酸根，造成化学镀镍液“老化”，污染溶液。同时，镍磷层中磷含量会随之增加。老化的镀液中，有机物累积量增大，沉积速度变慢，使镀层中有机物夹杂多，造成可焊性变差。通常在金属追加量达(45)MTO时，应及时更换【4。28 其它因素的影响281 补加量和装载量对镍槽的影响当化学镀镍液中添加剂的消耗或补加超过正常水平的10，会引起镀液的不稳定，影响可焊性。因此，运用自动补加镍装置， 能够帮助减少这类问题。通过不断少量补加，使化学镀镍液维持正常的工作范围【1。化学镀镍槽在操作温度下，长时间空转，部分添加剂会分解。因为没有补加，镀镍槽内组分不平衡，会引起一系列的问题，如黑盘、边界效应等。同时，装载量太小，消耗少，没有补加，也使镀液不稳定，使镀层不均匀，同样会在镀层上产生上述的问题。这些问题， 都可能影响最终可焊性。282 搅拌对镍槽的影响搅拌不但减少了化学镀镍时产品表面产生的气泡，而且增加了稳定剂扩散到产品表面的速率。因此，搅拌的速率也必须同稳定剂的浓度相匹配2】。283 产品从镀镍槽中取出后停留时间的影响RwMKwok研究发现【5，当电路板从镀镍槽中移出之后，残留的镀液在电路板表面仍继续反应，此时镀液组分的浓度、pH值和温度都不可控，影响可焊性。图1 不同停留时间。对镍磷层的腐蚀程度。图1中(a)停留时间是2s3s：(b)停留时间是1min；(c)停留时间是2min；(d)停留时间是4min。由此可知，通过缩短产品从镀镍槽到下一个冲洗水槽的时间，来消除过腐蚀现象，提高可焊性。3 浸金对可焊性的影响浸金是一种置换反应。反应持续进行直到金完全覆盖化学镀镍层为止。金层阻止镍磷层被氧化，保证镍磷层良好的可焊性，并能提高焊料的润湿性。因此，浸金层厚度，只要能使镀金层起到保护镍磷层的作用即可。这层金的厚度一般控制在0025um01um为宜。同时，在浸金过程中，对镍磷层的过腐蚀，也是导致可焊性差的重要原因之一。31 浸金温度和浓度的影响操作温度和金离子浓度是控制沉积速率和镀金层均匀性的主要影响因素。浸金反应的速率和镀金层的均匀性，对提高可焊性有重要影响。温度过高，镀金层不均匀，并过腐蚀镍层 I，造成局部镍层磷含量相对偏高；相反，温度过低，溶液会停止反应。金盐浓度过低，会降低反应速率，形成不均匀的镀层，增强了对镍磷层的腐蚀。理论上讲，镍和金的电极电位相差很大，镍可以置换出溶液中的金。当镍磷层表面置换上金层后， 由于金层表面多孔隙， 其孔隙下的镍仍可继续置换，但反应速度会减慢直至镍全部被覆盖为止。然而，实际经验告诉我们，如果沉积速度很低，反应将会持续进行。这样随着浸金时间的延长，增加了镍磷层局部过腐蚀的机率，降低了可焊性。32 浸金沉积速度的影响浸金的沉积速度由pH值、温度和金的浓度决定。浸金的沉积速度过快，金层相对疏松，致密性差，镍离子容易穿过金层孔隙到表面上，此时金层没有起到很好保护镍磷层的作用；浸金的沉积速度过慢，要使金层厚度达到01pm，需延长镀金的时间，增加了镍磷层过腐蚀的概率。我们认为浸金速度控制在(035045)umh，为宜。，33 pH值和厚度的影响众所周知，适当提高浸金液的pH值可有效消除黑盘的产生，或使之最小化。pH值越低，它对化学镀镍层的腐蚀越快，也越容易形成黑盘。图2中(a)为浸金液的pH=4 3时，化学镀镍层的表面形态，在焊点的边缘出现过腐蚀现象；(b)为浸金液的pH=48时，化学镀镍层的表面形态，此时未发现过腐蚀现象。同时，镀金液的pH值也决定着金层的厚度。图3和图4一起说明了金层厚度与腐蚀率之间的关系。由图3可知， 当pH=43时，金层的厚度达到最大值0178tm；当pH值在4448之间时，金层厚度恒定在0089pm左右。由图4可知， 当pH=43时，腐蚀率达到最大值； 当pH= 45时，腐蚀率达到最小值，然后随着pH值增加到46时，腐蚀率趋于恒定。这些数据说明了，浸金时镍磷层里发生腐蚀，过厚的金层会产生高的腐蚀率I 。作为可焊镀层金的厚度不能太厚或太薄(其防护性能会较差)。这样，其对镍磷层才具有良好的保护作用， 实现优良的焊接性能。4 浸金后水洗对可焊性的影响镀金之后，任何残留物，包括有机的和无机的，残留在金层表面都会影响最终的可焊性。所以，镀金后的清洗工作也很重要。应该用热的去离子水彻底清洗表面， 再吹干。在某些特殊情况下，通过用弱酸洗、去离子水洗、干燥，会得到更好的效果 。5 焊料对可焊性的影响随着人们对无铅焊料的需求越来越高， 当前较普遍选用的无铅(SnAgCu)合金系可提供出色的可焊性。但是经过高温和长时间的热循环过程，也会出现焊点不牢的现象。由于焊接时，产生的化合物N Sn 在镍(磷)层上最初形成平整的针状表面形态。这层化合物能够减少焊料与镍(磷)层之间的反应，成为一种很好的扩散阻挡层。但是，熔化的锡很容易通过Ni Sn 的孔隙到达Ni Sn 与镍(磷)层的接触面，形成Ni，SnP，引起Ni Sn 的破裂， 造成可焊性差9。当比较Sn35AgCu与Sn30AgCu两种焊料对最终可焊性的影响时，研究发现I0， 可焊性差的焊点只发生在Sn35AgCu焊点处，在这里Ni Sn 化合物破裂，并且Ni SnP层变厚。所以，无铅Sn30AgCu焊料明显优于Sn35AgCu焊料，这说明焊料成分至为重要。此外，焊点的几何形状和尺寸大小也影响着最终的可焊性】。6 结语随着电子设备线路设计日趋复杂，焊料无铅化要求的日益严格，促使ENIG的研究和应用越来越受到重视并取得了新的进展，这无疑将进一步有效的解决可焊性不良的问题。与此同时，ENIG工艺在如何彻底消除黑盘，废液的再生和处理，以及化学镀镍层和浸金层厚度匹配等方面还存在着许多问题，有待业界同仁的不懈努力。对于ENIG工艺可焊性的影响因素，进一步深入研究仍是改善ENIG工艺的重要课题。按工艺流程， 从原材料到ENIG的生产线，每一步都可能影响产品最终的可焊性。良好的工艺流程控制，对于减少ENIG制造业中可焊性差的问题，是十分重要的。参考文献【l】Mike WElectro less Nickel Immersion Gold and Black PadJCircuiTree，20011：10-16【2】Milad G，Martin JElectro less NickelImmersion GoldSolder ability and Solder Joint Reliability as Functions ofProcess ControlJ、CircuiTree200010：56-623】Andreas T，Galvanotechnik U，Gmuend SInfluencing the solder ability ofchemical nickelim ersion goldJProduktionvon Leiterplatten und Systemen，20057(1) 58-6l【4】杨维生化学镀镍金在印制电路板制造中的应用J化工新型材料，200230(2)：26【5】KwokRW M，Chan KCM，BayesM WDevelopmentofan electro less nickel immersion gold process for PBC finafinishesJCircuit World，200430(3)37-42【6】Martin GFactors influencing the formation ofblack pad”in electro less nicke1immersion gold solder able finishesaprocessing perspectiveJ，Circuit World，2002、28(3)36-39【7】Sargent A，Koad J，Collura J，Corrosion Resistance ofENIG：An Improved Immersion Gold Process【J】CircuiTree，200312：70-76【8】Meng C K，Selvamuniandy T S，Gurumurthy CDiscoloration related failure mechanism and its root cause inelectro less nickel immersion gold(ENIG)pad metallurgical surface finishJProceedings