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ENIGPROCESS 品質改善二課 2007 12 31 化學鎳金制程 內容大綱 1 表面處理概要2 化鎳金工藝及方法3 化鎳金反應圖解4 化镍金各流程作用及反應原理5 化鎳金重要項目之管理6 化鎳金品質異常改善 表面處理概要 目的 保護電路板裸露之銅面 依其裸露銅面之目的 選擇適當的表面處理達此需求 種類 噴錫 HASL 錫銅合金 焊接合金 化學鎳浸金 ENIG 錫鎳合金 焊接合金 有機保護膜 OSP 錫銅合金 焊接合金 化學錫 ISn 錫銅合金 焊接合金 化學銀 IAg 錫銅合金 焊接合金 化學镍金工藝及方法 镀镍 金早在70年代就应用在印制電路板上 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 90年代 化学镀镍 金技术開始應用 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 化鎳金歷史簡介 化鎳金目的 為MetalFinish之一種 其是在被催化的銅面上沉積兩層金屬的製程 利用金低接觸電阻及不易氧化的特性 對線路提供良好的傳導及保護 鎳層則是焊錫時之焊點並提供銅金中間緩衝層 避免銅和金互相的擴散或遷移 化鎳金特征 焊墊表面平坦適合焊接 墊面之接觸導通優異 具良好打線能力 高溫不氧化可做為散熱之表面 化鎳金的方法 化鎳金即是在被催化的銅面上沉積兩層金屬的製程 其中鎳層則是焊錫時之焊點並提供銅金中間緩衝層 避免銅和金互相的擴散或遷移 其反應無需通電 因而又稱 無電解鎳金 其方法采用龍門吊車掛架式浸鍍 如下圖 化鎳金反應圖解 活化 化镍金各流程作用及反應原理 水洗 酸浸 水洗 微蝕 預浸 水洗 活化 水洗 化學鎳 水洗 浸金 水洗 後處理 清洗烘乾 酸洗 水洗 清潔 工藝流程圖 前處理 刷磨 噴砂 1 前處理 刷磨 噴砂 前處理流程圖 刷磨 入料輸送 刷磨 2 中壓循環水洗 微蝕刻 循環水洗 酸洗處理 循環水洗 冷風吹 熱風吹 下料 刷磨 使用高目数的尼龙刷1000 1200目对板面进行轻刷 电流2 0 0 2A 微蝕刻 粗化銅面 增加表面積 去除板面氧化物 酸洗處理 使用80 120g l的硫酸 去除板面氧化物及微蝕殘留液 PUMICE 使用220目金剛砂對板面進行噴洒 噴壓2 0 0 2kg cm2 砂含量為8 15 作用 去除板面污垢及氧化物 粗化銅面 2 清潔 槽液成分 酸性清潔劑溫度控制 40 50 時間控制 3 5min附屬設備 需加熱 循環 震動 作用 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 反應原理 CuO 2H Cu H2O2Cu 4H 2Cu 2H2ORCOOHR H2O RCOOH R OH H OH 3 微蝕 槽液成分 硫酸 過硫酸鈉 SPS 溫度控制 30 35 時間控制 1 2min附屬設備 需加熱 冷卻 循環 震動 打氣 作用 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 反應原理 Na2S2O8 H2O Na2SO4 H2SO5H2SO5 H2O H2SO4 H2O2H2O2 Cu CuO H2OCuO H2SO4 CuSO4 H2O 4 酸洗 槽液成分 硫酸 CP級 溫度控制 RT時間控制 1 2min附屬設備 無 作用 去除微蚀生成的铜盐 避免預浸槽帶入太多的銅離子 繼而影響到活化槽的壽命 反應原理 CuO H2SO4 CuSO4 H2O 5 預浸 槽液成分 硫酸 鹽酸 CP級 溫度控制 RT時間控制 1 2min附屬設備 無 作用 維持活化槽酸度 使銅面在新鮮狀態下進入活化槽 反應原理 CuO H Cu H2O 5 活化 槽液成分 硫酸鈀 氯化鈀溫度控制 20 30 時間控制 0 5 1 5min附屬設備 需加熱 冷卻 循環 震動 作用 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 其形成过程为Pd与Cu的化学置换反应 反應原理 陽極 Cu Cu 2e E0 0 34V 陰極 Pd2 2e Pd E0 0 98V 總反應 Cu Pd2 Cu Pd 6 化學鎳 槽液成分 無電解鎳 還原劑 多種添加劑溫度控制 80 90 時間控制 20 30min附屬設備 需加熱 冷卻 循環 震動 自動補藥 作用 在經活化鈀處理后的銅面通過氧化還原反映鍍上一層鎳阻隔銅與金的原子遷移 陽極 H2PO2 H2O H HPO32 2e 陰極 1 Ni2 2e Ni2 2H 2e H23 H2PO2 e 2OH P總的反應 Ni2 H2PO22 H2O HPO32 H Ni 化學鎳的反應原理 7 化學金 槽液成分 氫化金鉀溫度控制 75 85 時間控制 5 15min附屬設備 需加熱 冷卻 循環 震動 作用 通過置換反應在鎳面沉積上一層薄金 保護鎳面防止鎳的鈍化而造成焊錫性問題 化學浸金的反應原理 镍面上浸金是一种置换反应 当镍浸入含Au CN 2 的液中 立即受到溶液的浸蚀抛出2个电子 并立即被Au CN 2 所捕获而迅速在镍面上析出Au 一個鎳原子溶解可獲得兩個金原子的沉積 又因金層上有許多疏孔 故表面雖已蓋滿了金層 但仍可讓疏孔的鎳面溶解而繼續鍍出金層 只是速度越來越慢而已 陽極 Ni Ni2 2e E0 0 25V 陰極 Au CN 2 e Au 2 CN E0 0 6V 總反應 2Au CN 2 Ni 2Au Ni2 4CN 化鎳金重要項目之管理 一 活化槽1 活化槽介紹 从置换的反应来看 钯与铜的反应速度会越来越慢 当钯将铜完全覆盖后 不考虑浸镀的疏孔性 置换反应会停止 但实际生产中 不可能也不必要将铜面彻底活化 将铜面完全覆盖 从成本上讲 这会使钯的消耗大幅上升 更重要的是 这样容易造成渗镀等严重品质问题 影响活化槽稳定性的主要因素除了药水系列不同之外 活化槽控制温度和钯离子浓度则是首要考虑的问题 温度越低 钯离子浓度越低 越有利于钯槽的控制 但不能太低 否则会影响活化效果 引起漏镀发生 温度在20 30度 钯离子在20 40PPM 2 活化硝槽目的及程序 硝槽目的 清除槽壁 過濾桶之鈀結晶 硝槽程序 1 將活化槽槽液排出 2 配置20 硝酸於槽內 在50 下啟動循環pump6小时以上 3 排出硝酸 加入DI水清洗槽壁 直到水洗PH達到5 0以上 電導率 15 s cm 一 活化槽 鎳槽簡介 鎳槽為316不繡鋼制作 316L不锈钢是含钼不锈钢种该钢种最大碳含量0 03 具有良好的耐腐蚀性 耐氯化物侵蚀性 耐氧化性 耐高溫性及良好的焊接性能 在槽壁四個角均裝有陰極棒 用微直流電壓對鎳槽進行保護 電壓控制在0 9 1 1V 電流控制在 2 0A 抑制鎳鍍上槽壁 利用自動添加系統使槽液各項成分穩定 有效控制濃度 鍍鎳液中各成分及作用 鎳鹽 硫酸鎳 鎳離子的主要來源 還原劑 提供鎳離子還原成金屬所需的電子 二 鎳槽 絡合劑 防止氫氧化鎳或亞磷酸鎳沉澱生成 同時可使結晶細致光亮 緩沖劑 穩定PH值 防止化學鍍鎳時析出的氫氣引起PH下降 穩定劑 防止镀液的自分解 加入量极少 若添加过量将会大大降低沉积速率 加速剂 提高鎳的沉积速度 润湿剂 降低表面张力 改善表面润湿状况 二 鎳槽 镍层中磷含量的影响 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Au层薄 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 二 鎳槽 鎳槽PH值的影响 从化学镍沉积的反应看出 在金属沉积的同时 伴随着单质磷的析出 而且随着PH值的升高 镍的沉积速度加快的同时 磷的析出速度减慢 结果则是镍磷合金的P含量降低 反之 随着PH值的降低 镍磷合金的P含量升高 沉镍中 磷的含量一般在7 11 之间变化 镍磷合金的抗蚀性能优于电镀镍 其硬度也比电镀镍高 在化鎳鍍液中当PH小于3时 化学镍沉积的反应就会停止 而当PH大于6时 镀液很容易产生NI OH 2沉淀 所以 一般情况下 PH值控制在4 5 5 2之间 由于镍沉积过程产生氢离子 每个镍原子沉积的同时释放4个氢离子 所以生产过程中PH的变化是很快的 必须不断添加碱性药液来维持PH值的平衡 二 鎳槽 镍槽液老化的影响 在化学镍沉积的同时 会产生亚磷酸盐的副产物 随着生产的进行 亚磷酸盐浓度会越来越高 于是反应速度受生成物浓度的长高而抑制 所以镍槽寿命未期与初期的沉积速度相差1 3则为正常现象 但此先天不足采用调整藥水浓度方式予以弥补 开缸初期镍离子浓度控制在4 6g l 随着MTO的增加镍离子浓度控制值随之提高 直至5 0G L停止 以维持析出速度及磷含量的稳定 一般槽液达4 5MTO时 应更换 二 鎳槽 關于鎳槽負載問題 所謂的負載即是指藥水需要一定面積的銅面板才可以達到所預期的反應狀態 這時的銅面積與藥水體積之比即為藥水負載 負載之計算公式 每pnl生產板之待鍍銅面積or拖缸板之銅面積 片數 槽體積 生產中負載量之控制 鎳槽的負載 裸銅面計 以0 2 0 5平方厘米 L为宜 负载太大会导致镍槽活性慢慢升高 甚至导致反应失控 负载太低会导致镍槽活性慢慢降低 造成漏镀问题 在批量生产过程中 负载尽可能保持一致 避免空槽或负载波动太大的现象 否则 控制镍槽活性的各参数范围就会变得很窄 很容易发生品质问题 二 鎳槽 当鎳镀液出现如下现象时 就不能生产了 1 气体不仅从镀件表面逸出 而且从整个镀液中放出 有甚至很剧烈 2 镀液中出现黑色沉淀物 3 在容器壁及镀件表面生成黑色镀层 4 镀液的颜色逐渐变浅 二 鎳槽 镍槽硝槽目的及程序 硝槽目的 1 利用硝酸的腐蝕性將槽壁及陰極棒之鎳去除掉 2 利用硝酸的強氧化性對槽壁進行處理 使槽壁生成鈍化膜 防止鎳在槽壁附著 硝槽程序 1 将化镍槽槽液排出 并以清水冲洗槽壁 2 于化镍槽内配置40 硝酸 并盖上塑料薄馍防止NO NO2等气体逸出 在50 下启动循环pump至少12小时 3 排出硝酸 用DI水清洗槽壁 直到PH值達到5 0 用吸尘器将槽底杂物吸干凈 4 加入2 氨水清洗循环半小时后排出 5 再加入DI水清洗循环15分钟后排出 用吸尘器将槽底杂物吸除 二 鎳槽 化学金槽的管理 成份 金盐为氰化金钾 含金量68 3 PH 5 1 6 1在开始反应的一两分钟内沉积速度很快 至后来只能透过金层的疏孔让镍溶出 而继续推动金层的沉积 因以镍的不断溶出 金槽内的镍含量不断增加 一旦超过5PPM以上时 不但外观不佳且附着力也不行 故金槽的寿命只能维持3 4MTO 三 金槽 三 金槽 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 AuSn3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 化鎳金品質異常改善 Ni槽pH值起伏太大 化鎳金品質異常改善 鎳與銅鍍層密著不良 a 檢討前製程與加強清潔劑 微蝕 磨刷或Pumice處理 化鎳金品質異常改善 鎳鍍層結構不良 a 檢討綠漆特性 類型 硬化條件及前處理流程 化鎳金品質異常改善 金與鎳鍍層密著不良 化鎳金品質異常改善 露銅 化