化学镍金工艺中漏金影响因素探讨

  本文关键词：化学镍钯金表面处理工艺研究，由笔耕文化传播整理发布。

　　摘要 本文主要介绍了化学沉镍金工艺中漏金（也即漏沉金）问题，对其成因及影响因素进行了分析，

　　并提出了相应的改善对策。通过对改善措施的实施和产品性能测试，以验证其有效性及确保产品
　　可靠性良好。
　　关键词 化学镍金； 漏金； 镍面污染；焊接不良
　　一、 前言
　　近年来，在电子产品追求轻、薄、短、小、高频化和数字化等因素的推动下，电路板的要求不再只是更小的孔、更细密的线路、更平坦的焊垫，而且要求电路板的最终表面处理要能够提供良好的可焊性、可打线，并维持低接触电阻等功能[1]。由于化学镍金（Electroless Nickel and Immersion Gold; ENIG）具有镀层平整、均匀、可焊性良好等优点，已成为PCB行业中最重要的表面处理方式，自上世纪90年代至今，其应用越来越广泛。
　　化学镍金工艺中，易出现各类品质异常，如渗镀、镍足、漏镀、色差等，最主要的问题是黑盘问题。因此，有化学沉金药水商推出了一种新的焊盘最终表面涂饰处理工艺化学镀镍化学镀钯与浸金，简称化学镍钯金（Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold;ENEPIG），它是在焊盘铜面上先后沉积镍、钯和金，镀层厚度一般为镍2.00μm～5.00μm、钯0.10μm～0.20μm和金0.03μm～0.05μm。ENEPIG工艺的出现可完全规避化学镍金黑盘造成的失效风险，亦可大大降低ENIG+OSP的综合成本（比此低8～10%），金厚可控制最低约0.015μm[2-4]。但是，随着精细线路的出现，PCB的设计越来越趋于“极限化”，新的品质异常也将逐渐出现，其中漏金问题即是其中一例，它不同于普通的漏镀或跳镀（Skip Plating），如图1所示。
　　普通漏镀一般是由于铜面氧化严重、活化不足、前处理不良、镍槽温度偏低、药水失调或负载不足等原因引起，其改善主要从以上方面着手。而本文中所讲述的漏金问题是不同于普通的漏镀，其表现为漏镀处有镍无金，且镍厚度与正常处一样。当然，从严格意义上来讲，其也属于漏镀的一类，本文将就其产生的原因进行分析，通过几组试验来验证其影响因素，并最终给出相应的解决方法。
　　二、 原因分析
　　1 金缸置换反应机理
　　金缸主要成分有氰化金钾KAu(CN)2、有机酸和螯合剂，氰化金钾主要提供Au(CN)2-错离子来源，在镍面置换出金层（离子化趋势Ni>Au）；有机酸主要是防止镍表面产生钝态并与溶出的Ni2+结合成错离子；螯合剂主要是抑制金属污染物（减少游离态Ni2+、Cu2+等）。其反应如图2所示：
　　金缸主要成分的管控和温度的控制都至关重要，这些都会直接影响到沉金的效果，如金厚度、致密性、镍层腐蚀和沉积速度等。因此，对于金缸的参数管控应该引起高度重视，这也关系到漏金现象的出现，漏金问题的改善很大程度上也依赖于这些参数的控制。
　　2 漏金原因
　　针对漏金的原因我先通过鱼骨图对其进行分析，如图3所示：
　　根据相关资料和业界技术人员的经验总结[5-6]，我们分析漏金原因可能有以下几个：
　　（1）来料板面有异物污染，前处理未能处理干净。
　　（2）沉镍后进金缸的时间太长或镍缸后面水洗太脏导致镍层钝化无法上金。
　　（3）金缸震动器故障或震动力度不够，或金缸药水参数存在异常（例如：温度太低、PH值太低、金含量低等）
　　（4）金缸受选化、阻焊等油墨等有机物料污染，造成阻镀现象发生。
　　三、 实验部分
　　为验证我们对漏金原因分析的准确性，通过DOE（正交设计）试验设计，我们进行了多组实验，具体情况如下文所述：
　　1 实验流程
　　来料→水平线前处理→上板→除油→微蚀→预浸→活化→后浸酸→化学镍→化学金→金回收→下板
　　2 实验参数
　　实验参数如表1所示：
　　2 实验设计及结果
　　我们设计了以下几组实验：
　　（1）正常水平线前处理和正常沉镍金；
　　（2）微蚀后再过水平线前处理，然后正常沉镍金线；
　　（3）金缸更换大功率震动器；
　　（4）加大化镍后水洗更换频率（由1次/天更改为1次/班）；
　　（5）金缸生产面积达8000平米以上与新开金缸后对比
　　通过以上几组实验的结果对比，我们不难发现化镍后水洗更换、新开金缸后这两种情况下出现漏金的比例很小或是没有。第二组实验则证明漏金不是因为来料板面有异物污染造成的，这也与实际检测的镍厚满足要求相符。因此，我们认为：化镍后水洗的维护和金缸污染、金浓度的控制是改善漏金问题的关键所在，具体实验结果可参见表2：
　　据有关资料显示：绿油、白油、红油、黑油、蓝油、干膜等有机材料在沉金金缸会出现不同程度的“溶出”现象，进而对金缸造成污染，影响板子的沉金效果（出现甩金、黑pad、不上金等问题）。其中蓝油、选化黑油和红油等几种油墨对其污染尤为严重，因此要谨防长时间或大批量生产该类油墨的板子而出现品质问题。而我司出现的几款漏金问题的型号（如1479、1552、1475、1310等）均具有几个特点：a. 阻焊油墨为蓝色、红色居多；b. 有大面积选化（图4中a所示）；c. 有半塞孔（单面开窗），且在生产中有掉油问题出现（图4中b所示）。
　　另外，由于阻焊、选化、树脂塞孔油墨等在金缸的溶出，会造成金缸污染加剧，为减轻其对金缸的污染，除了从油墨材料的选择、前工序参数的优化加以控制外，还需要对金缸的维护予以加强。如金缸过滤的滤芯更换频率、金含量的控制以及金缸药水的更换周期等，之前的维护频率或控制参数针对普通类型的板可能还不会造成不良影响，但是对于以上提到的特殊类型的板就必须加以管控。
　　在检查中我们还发现，由于化镍后水洗的流量控制较小、更换周期过长，在缸壁会造成粘稠状物质出现（图5所示），而这些粘稠状物质极易附着在已化镍的镍层表面，在金缸时会出现“阻镀”问题。金缸里金浓度的控制不易过低，，过低会引起镍腐蚀、黑盘问题的出现，也可能会导致漏金问题的出现。我们还发现，每次更换新金缸后出现漏金的几率很小或没有，而当金缸生产面积达到8000平米以上时，出现漏金的几率则大大增加。 　　四、 结论
　　通过以上实验及对上述改善措施的实施，我们使漏金问题得到了有效改善。因此，可得出以下实验结论，并提出相应的改善措施：
　　（1）阻焊、选化、塞孔树脂油墨等在金缸大量“溶出”造成药液污染是导致漏金问题出现的最主要原因。为改善此问题，我们须从物料选择和前工序工艺参数优化等方面着手，如选择性能良好的油墨、对阻焊、文字等曝光、烤板参数进行调整等。
　　（2）化镍后水洗槽的流量、温度和更换频率等进行有效管控或调整，有助于漏金问题的改善。建议在该水洗槽内增加一只500w的加热管，可适当加大水洗流量，水洗更换频率由1次/天更改为1次/班，每月进行一次酸碱洗，防止槽内生菌或出现粘稠物质等。
　　（3）金缸金浓度的控制不易过低，金缸药液更换频率须根据实际生产板的特点来定。由于金含量控制过低，也会造成金缸螯合剂的偏低，因为螯合剂添加是根据金盐的添加量和次数来定的。而螯合剂偏低就会造成金缸的抗污染能力下降，使出现漏金的几率增加。对于生产蓝油、红油和大面积选化类型的板，要适当缩短金缸药液的更换周期，以保证金缸药液的受污染度控制在一定的范围内，不会出现漏金问题。
　　参考文献：
　　[1]周政明 化学浸金制程ENIG 电路板湿制程全书（台湾）[M]. TPCA 2006年出版 p187.
　　[2]Biunno Nick. "A Root Cause Failure Mechanism for Solder Joint Integrity of Electroless
　　Nickel/Immersion Gold Surface Finish." IPC Printed Circuits Expo''99, March 14-18,1999,Long
　　Beach,CA,p.S18-5-8.
　　[3]戚斌斌 李雄辉 谢添华 李志东 化学镍金工艺中的镍足控制方法研究[J]. 印制电路信息 2011第222期
　　（增刊） 第196-197页.
　　[4]纪成光 陈立宇 袁继旺 王燕梅 化学镍钯金表面处理工艺研究 电子工艺技术[J].2011年第2期.
　　[5]卫桂芳 化学镍金漏镀渗金的原因和措施[J]. 表面涂覆 2004年第5期.
　　[6]白蓉生 化学浸金量产之管理与解困 电路板湿制程全书（台湾）[M]. TPCA 2006年出版 p323-335.

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