前處理對(duì)化學(xué)沉鎳金金面外觀影響的研究

鄧 銀 張勝濤

（重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400030）

蘇新虹 陳 臣

（珠海方正印刷電路板發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519173）

金 軼 何 為

（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）

1 引言

化學(xué)沉鎳金為印制電路板（PCB）的一種表面涂覆工藝，通過在銅面沉積鎳金層，以保護(hù)銅面及提高可焊性。一般而言，化學(xué)沉鎳金工藝要求形成的鍍層較薄，鎳層厚度為3 μm ～ 8 μm，金層厚度為0.05 μm ～ 0.2 μm。銅面形貌或輪廓?jiǎng)荼貢?huì)影響到金面的外觀[1]，所以化學(xué)沉鎳金制程中銅面的前處理方式是決定金面外觀品質(zhì)的關(guān)鍵。化學(xué)沉鎳金制程中前處理的目的，一方面是除掉銅面油污、氧化、殘留藥水、水跡及異物等，提高銅面的清潔度；另一方面則是粗化銅面，增強(qiáng)化鎳層與銅面的附著力以及提高工藝過程中干膜與銅面的結(jié)合力。

隨著PCB制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，客戶不僅對(duì)PCB的性能要求越來越高，同時(shí)對(duì)于PCB的外觀也提出了更加嚴(yán)格的要求。例如，針對(duì)采用化學(xué)沉鎳金工藝的PCB，要求其金面外觀無粗糙、異色、發(fā)白等不良現(xiàn)象。因此，本文通過SEM照片及表面粗糙度比較各種前處理方式對(duì)銅面的處理效果，并針對(duì)防焊制程后的PCB采用各種組合前處理方式處理之后進(jìn)行化學(xué)沉鎳金，對(duì)比金面外觀品質(zhì)及微觀形貌，從而選取最好的全板化學(xué)沉鎳金前處理方式。

前處理方式多種多樣，本文主要介紹以下幾種：

尼龍刷磨刷，滾輪依靠壓力直接接觸銅面與銅面發(fā)生機(jī)械摩擦，粗化銅表面，除去較厚的氧化層，但容易使薄板拉長、卷曲，造成定向劃痕及耕地式溝槽，影響干膜附著力，產(chǎn)生滲鍍等問題。

火山灰磨刷，先以低壓使火山灰（懸濁液）噴至銅面再以尼龍刷磨刷。利用磨料切削銅面，提高銅面粗糙度，使銅面具有均勻的富峰粗化表面[1]。但易形成嚴(yán)重的銅面劃痕，對(duì)線路沖擊大，易造成斷線。

噴砂，以高壓方式將金剛砂（主要成分Al2O3顆粒）懸濁液噴射到銅面，達(dá)到粗化銅面，除去輕度氧化層及附在銅面上的異物的目的。

化學(xué)微蝕，利用酸性微蝕液與銅面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，去除銅面氧化層并咬蝕微量銅，獲得均勻的粗化銅面，提升表面活性能，但對(duì)于銅面有嚴(yán)重氧化及銅面有殘留異物的較難去除[2][3]。較常用的為雙氧水＋硫酸微蝕體系和過硫酸鈉（SPS）＋硫酸微蝕體系，本文中采用SPS＋硫酸微蝕體系。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料及儀器

材料：電鍍銅制程后的PCB測試板、防焊制程后的PCB測試板。

儀器：掃描電子顯微鏡（SEM，S-3400N），臺(tái)階測試儀（Alpha-step IQ surface pro fi ler）。

2.2 主要試驗(yàn)方法及試驗(yàn)參數(shù)

2.2.1 單一前處理粗化測試

采用垂直電鍍銅后的4組PCB測試板，分別進(jìn)行4種前處理，前處理方式依次編號(hào)為：（1）尼龍刷磨刷、（2）火山灰磨刷、（3）噴砂、（4）微蝕。通過掃描電子顯微鏡（SEM，S-3400N）及臺(tái)階測試儀對(duì)樣品進(jìn)行測試分析。

2.2.2 組合前處理

采用組合前處理方式可以互補(bǔ)單一前處理優(yōu)缺點(diǎn)，以獲得更好的銅面粗化效果。防焊制程的前處理為火山灰磨刷，測試中選擇防焊制程后的8組PCB測試板，設(shè)計(jì)如下8種前處理方式，依次編號(hào)為：（1）無、（2）尼龍刷磨刷、（3）噴砂、（4）微蝕、（5）尼龍刷磨刷＋噴砂、（6）尼龍刷磨刷＋微蝕、（7）噴砂＋微蝕、（8）尼龍刷磨刷＋噴砂＋微蝕。

通過臺(tái)階測試儀測量處理后銅面粗糙度，同時(shí)利用掃描電子顯微鏡分析前處理后銅面形貌。在化學(xué)沉鎳金流程后用目鏡檢測，并用掃描電子顯微鏡分析金面形貌。

化學(xué)沉鎳金流程：PCB測試板→前處理→酸性清洗→微蝕→酸洗→預(yù)浸→鈀活化→化學(xué)鍍鎳（20 min）→置換鍍金（8 min）→后處理。

2.2.3 前處理?xiàng)l件參數(shù)

噴砂：金剛砂濃度17%，線速2.5 m/min，壓力0.18 MPa（1.8 kgf/cm2）。

微蝕：SPS濃度72.47 g/L，Cu2+濃度10.6 g/L ，H2SO4濃度1.97%，線速4.0 m/min，上噴壓力0.2 MPa，下噴壓力0.18 MPa，溫度38 ℃。

尼龍刷磨刷：尼龍刷（1200目），線速3.2 m/min，電流1.0 A。

火山灰磨刷：線速2.8 m/min，電流2.1 A，火山灰濃度25%，刷幅8 mm ～ 12 mm。

3 結(jié)果及討論

3.1 單一前處理工藝對(duì)比

本文通過樣品微觀形貌及表面粗糙度來分析比較各種前處理的優(yōu)劣。

3.1.1 微觀形貌

電鍍銅制程后的PCB測試板經(jīng)過單一前處理后銅面SEM照片如圖1所示。圖1-①尼龍刷磨刷后銅面粗化均勻性最差，呈定向溝槽式劃痕。圖1-②火山灰磨刷后銅面粗化均勻性次之，呈現(xiàn)不規(guī)則犁狀峰。圖1-③噴砂和圖1-④微蝕處理后銅面均勻性相對(duì)較好，各方向呈現(xiàn)一致的細(xì)峰表面。

圖1 不同前處理后銅面 (×3000倍)

3.1.2 表面粗糙度

平均粗糙度（Roughness Average，Ra）是指在待測表面取樣長度（L）中，針對(duì)中線（Mean Line）所出現(xiàn)的棱線起伏，計(jì)算其絕對(duì)值的算術(shù)平均數(shù)稱為Ra，此值在PCB業(yè)界較常被用于表征表面粗糙度[4]。本試驗(yàn)測量中選擇L＝1 mm，每個(gè)樣品在X、Y方向（設(shè)定前處理線滾輪傳輸方向?yàn)閄，與之垂直方向?yàn)閅）各測量5點(diǎn)Ra并計(jì)算平均值作為該方向的表面粗糙度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 單一前處理后銅面粗糙度

用X與Y方向粗糙度差值大小比較表面粗糙度的均勻性，差值越大表明兩個(gè)方向的粗糙度差異越大，表面粗化均勻性越差。與SEM圖片結(jié)果一致，①尼龍刷磨刷X與Y方向粗糙度差異最大，表面粗化均勻性最差，②火山灰磨刷次之，③噴砂與④微蝕的粗化均勻性相對(duì)較好。

3.2 組合前處理工藝對(duì)比

3.2.1 微觀形貌

各種組合前處理后銅面微觀SEM照片如圖3所示，微觀形貌的描述見表1。

3.2.2 表面粗糙度

圖4 組合前處理后銅面粗糙度

由于SEM圖片無法量化表面粗化均勻性，則需根據(jù)粗糙度測試結(jié)果來進(jìn)一步確定。由圖4與圖2相比可知，經(jīng)過混合表面處理之后銅面粗糙度的均勻性比單一前處理好。圖4中Y與X的差值大小表明，混合前處理后銅面粗化均勻性與SEM圖片結(jié)果基本一致，由好到差樣品編號(hào)依次是：④、⑦、⑧、⑤、①、③、⑥、②。

3.3 金面外觀狀況及微觀形貌

3.3.1 金面外觀狀況

針對(duì)防焊制程后的PCB測試板采用組合前處理之后化學(xué)沉鎳金，再用15X目鏡目檢后所得金面外觀狀況如表2所示。

表2 金面外觀狀況

從金面外觀狀況可知，不進(jìn)行前處理的PCB銅面，因可能殘存防焊油墨或膠跡等導(dǎo)致化金后出現(xiàn)金面露銅現(xiàn)象，這種外觀不良對(duì)可焊性會(huì)造成不利影響。采用微蝕或噴砂＋微蝕前處理之后制得金面外觀合格；經(jīng)過噴砂、尼龍刷磨刷＋噴砂、尼龍刷磨刷＋噴砂＋微蝕前處理制得的金面存在輕微的粗糙和異色，但仍然在允收范圍內(nèi)；采用尼龍刷磨刷或者尼龍刷磨刷＋微蝕前處理制得的金面出現(xiàn)嚴(yán)重粗糙異色，因此不能采用這兩種前處理方法。

3.3.2 金面微觀形貌

金面SEM如圖5所示，圖中所示金面SEM圖片從結(jié)晶緊密性、均勻性、平整性方面來看，圖5-③、5-④、5-⑦金面結(jié)晶細(xì)密均勻且平整性好。圖5-①結(jié)晶平整性好，但結(jié)晶顆粒較大且不緊密。圖5-②、5-⑤、5-⑥、5-⑧結(jié)晶大小不均勻且平整性差，主要是由于尼龍刷刷磨處理銅面導(dǎo)致其粗化均勻性差。但其中圖5-⑧銅面在尼龍刷磨刷后又經(jīng)過粗化效果較均勻的噴砂及微蝕前處理，結(jié)晶均勻性略有改善，且結(jié)晶較緊密。

綜合金面外觀狀況及微觀形貌結(jié)果表明，微蝕或噴砂＋微蝕的前處理方式利于制備外觀較好的金面。從成本及流程長短角度考慮，微蝕最好。但是微蝕清除銅面異物能力較差，為了減少金面露銅等其他外觀不良發(fā)生，最好的化金前處理工藝應(yīng)為噴砂＋微蝕。

4 結(jié)論

（1）銅面處理效果對(duì)金面外觀影響很大，銅面清潔度及粗糙度均勻性越好，金面外觀品質(zhì)越好。銅面粗化處理均勻性不好易導(dǎo)致金面粗糙或異色。

（2）單一前處理中，噴砂和微蝕處理銅面的粗化均勻性較好，尼龍刷磨刷和火山灰磨刷處理銅面的粗化均勻性較差。

（3）對(duì)防焊制程后的PCB，微蝕前處理和噴砂＋微蝕組合前處理利于制得外觀良好的金面?？筛鶕?jù)前制程制作的銅面清潔情況，選擇微蝕和者噴砂＋微蝕分別制作首件，根據(jù)首件制作結(jié)果確定制程中應(yīng)選擇的前處理方式。

（4）由于噴砂及微蝕都只能清除輕度污染，磨刷能去除嚴(yán)重污染，因此對(duì)于來料銅面藥水殘留及粗糙異物嚴(yán)重，可考慮磨刷＋噴砂＋微蝕工藝，其外觀雖然不是最好但是滿足基本要求。需要注意的是要控制好電流、線速、壓力等磨刷參數(shù)。

[1]任敏.磨刷＋微蝕阻焊劑涂覆前處理方法的控制[C].2003中國電子制造技術(shù)論壇會(huì).

[2]張芹, 沈衛(wèi)軍等.幾種前處理方式之介紹[C].2005春季國際PCB技術(shù)信息論壇.

[3]圖形轉(zhuǎn)移前處理方式對(duì)精細(xì)線路制作的影響[C].2003秋季國際PCB技術(shù)信息論壇.

[4]白蓉生.表面粗糙度Surface Texture[J].印制電路資訊,專家論壇（Enterprise reporting）2003(4):42-50.