薄金板可靠性研究及金厚控制

曾 紅 楊邵波 胡 曦

（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

薄金板可靠性研究及金厚控制

曾 紅 楊邵波 胡 曦

（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

針對(duì)沉金工藝的PCB板，研究了板面金厚分布的規(guī)律，同時(shí)研究了金厚0.03 μm產(chǎn)品的可靠性，進(jìn)而對(duì)金厚的0.03μm板的金厚通過(guò)統(tǒng)計(jì)控制方法計(jì)算設(shè)定控制限進(jìn)行控制，已達(dá)到成本控制的目的。

薄金；金厚分布；可靠性；控制限

1 前言

近年來(lái)，隨著全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的進(jìn)一步擴(kuò)大，成本控制已經(jīng)成為全球制造行業(yè)的主要課題。國(guó)內(nèi)各大制造企業(yè)也紛紛開(kāi)始從物料成本、人工成本、管理成本、物流成本等多方面入手入手進(jìn)行成本控制。對(duì)于大多數(shù)制造企業(yè)，物料成本仍然是其支出的主要項(xiàng)目。在電子組裝行業(yè)，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始通過(guò)降低對(duì)各項(xiàng)基礎(chǔ)物料的要求，來(lái)嚴(yán)格控制采購(gòu)成本，如對(duì)PCB表面處理鍍層厚度降低要求。本文主要針對(duì)化學(xué)鍍鎳金工藝中溫度對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程及鍍金品質(zhì)的影響，以期找到合適的解決方案。

2 研究背景

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)PCB市場(chǎng)受到經(jīng)濟(jì)危機(jī)的極大沖擊，訂單的萎縮使公司內(nèi)部面臨的成本壓力進(jìn)一步加大。物料成本的節(jié)省是PCB制程中成本節(jié)省的關(guān)鍵，而在PCB的生產(chǎn)物料中，沉金工序所用的金鹽無(wú)疑是最為貴重的物料，在此情況下，研究對(duì)金鹽成本的節(jié)省對(duì)降低整個(gè)PCB生產(chǎn)的物料成本消耗具有重大的意義。

3 研究目的

公司7月份接到某客戶大批量手機(jī)板訂單，表面處理方式為沉金。該板沉金工序成本占總制作成本的25%。在沉金的制作過(guò)程中，主要成本消耗為金鹽的消耗，而金鹽的消耗則主要取決于沉金板金厚的控制。此手機(jī)板客戶要求的金厚為0.03 μm，而我們?nèi)粘Ｖ谱髦?，出于?duì)可靠性的保證，一直以0.05 μm作為公司金厚控制的下限。目前，出于成本節(jié)省的目的，我們需要對(duì)0.03 μm金厚的可靠性及穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，以在保證品質(zhì)的前提下進(jìn)行成本節(jié)省。鑒于目前沉金工序沒(méi)有0.03 μm金厚規(guī)范的生產(chǎn)程序及控制方法，我們需先對(duì)目前0.05 μm金厚的制作及測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估以作為參考。

4 薄金板可靠性研究

4.1 化學(xué)沉金原理

化學(xué)沉金分置換型和還原型兩類。置換金也叫浸金，是利用金和鎳的電位差（金標(biāo)準(zhǔn)電極電位為E0(Au+＋e＝Au)＝＋1.691V，鎳標(biāo)準(zhǔn)電極電位為E0(Ni2+＋2e＝Ni)＝－0.25V），使鎳將金從鍍液中置換到鎳層表面的過(guò)程，厚度0.1 μm左右；還原型化學(xué)鍍金，又稱自催化鍍，含有還原劑，可以沉積出較厚（1 μm左右）的鍍金層?；瘜W(xué)鍍金液組成一般包括：金鹽、配位劑、還原劑、穩(wěn)定劑，此外還有一些鍍層表面改善劑、表面活性劑等。為保證可焊性及延展性，鍍金后應(yīng)充分水洗，并完全干燥，特別是孔內(nèi)須完全干燥。此外，化學(xué)鍍鎳與浸金之間的轉(zhuǎn)移時(shí)間要盡量短，否則會(huì)使鎳層鈍化，導(dǎo)致浸金不均勻及結(jié)合力差

化學(xué)鍍金工序及操作參數(shù)如表1所示：

表1 操作參數(shù)

當(dāng)金缸Cu2+＞5×10-6，又或補(bǔ)加金達(dá)5MTO時(shí)，更換溶液。

4.2 沉金板板面金厚分布數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4.2.1 不同尺寸的焊盤在不同區(qū)域的分布研究

實(shí)施方案：在對(duì)沉金板進(jìn)行金厚測(cè)量時(shí)，我們通常選取（2 mm×2 mm）～（4 mm×4 mm）尺寸的焊盤進(jìn)行測(cè)量，但在實(shí)際生產(chǎn)中由于板的設(shè)計(jì)不同、板面的區(qū)域不同等因素，沉金板板面的金厚都會(huì)受到一定影響。本次選取批量生產(chǎn)的手機(jī)板A型號(hào)，在一定生產(chǎn)參數(shù)的情況下，隨機(jī)抽取一塊板，以九宮格分區(qū)域分析每塊板上不同區(qū)域、不同焊盤的金厚分布情況。根據(jù)金厚分布均勻性情況判斷（2 mm×2 mm）～（4 mm×4 mm）的焊盤是否有代表性。

金厚測(cè)試數(shù)據(jù)分布如圖1、圖2所示：

圖1 板1各焊盤金厚分布情況

圖2 板2各焊盤金厚分布情況

分析：（1）從以上統(tǒng)計(jì)可發(fā)現(xiàn)，2 mm×2 mm焊盤與φ3 mm不在導(dǎo)通孔邊的焊盤在同一塊板不同的區(qū)域金厚中，均值與極差均最??；

（2）焊盤內(nèi)有導(dǎo)通孔以及與導(dǎo)通孔相鄰的焊盤在同一塊板不同的區(qū)域金厚中，極差最大；

（3）1 mm×1 mm焊盤在同一塊板同一區(qū)域與其他尺寸焊盤相比，平均金厚最厚。其本身在同一塊板不同的區(qū)域金厚中，極差也較大。

結(jié)論：（2 mm×2 mm）～（4 mm×4 mm），且設(shè)計(jì)不在孔邊的焊盤在同一塊板不同的區(qū)域金厚中，均值與極差均最小，最適合用來(lái)作為金厚測(cè)試評(píng)價(jià)的焊盤。

4.2.2 （2×2）mm焊盤在連續(xù)生產(chǎn)中不同掛板位置&不同面（C/S、S/S）之間的差異研究

實(shí)施方案：選取B型號(hào)板，在一定生產(chǎn)參數(shù)的情況下，取連續(xù)生產(chǎn)的4巴板的最外面、中間位置的兩塊板，每塊板取板角→板中間→板角對(duì)角線上的三個(gè)2 mm×2 mm尺寸焊盤，進(jìn)行金厚測(cè)試。根據(jù)金厚分布均勻性情況判斷2 mm×2 mm的焊盤不同掛板位置以及不同面（C/S、S/S）之間的差異情況（注：掛板時(shí)C/S面朝外，S/S面朝內(nèi)）。

不同掛板位置以及不同面整理數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖3所示：

圖3 不同掛板位置以及不同面金厚數(shù)據(jù)

（1）掛板最外一塊金厚在均值和極差上與中間一塊差異不大；

（2）掛板最外一塊及中間一塊板的C/S面與S/S面間金厚差異也不大；

結(jié)論：2 mm×2 mm焊盤在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中金厚穩(wěn)定，不同掛板位置以及不同面（C/S、S/S）之間的無(wú)明顯差異。

4.2.3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)沉金板板面金厚分布規(guī)律的研究，得到沉金板板面（2 mm×2 mm）～（4 mm×4 mm），且設(shè)計(jì)不在孔邊的焊盤在同一塊板不同的區(qū)域金厚中，均值與極差均最小，最適合用來(lái)作為金厚測(cè)試評(píng)價(jià)的焊盤，不同掛板位置以及不同面（C/S、S/S）之間的無(wú)明顯差異。

4.3 0.03 μm金厚的可靠性評(píng)估

（1）可靠性評(píng)估計(jì)劃

（2）測(cè)試樣板準(zhǔn)備

表2 測(cè)試樣板信息

表3 可靠性測(cè)試計(jì)劃

表4 0.05μm金厚板生產(chǎn)參數(shù)及金厚測(cè)試結(jié)果

表5 0.03μm金厚板生產(chǎn)參數(shù)及金厚測(cè)試結(jié)果

4.3.1.2 可靠性測(cè)試計(jì)劃

4.3.2 測(cè)試板制作

生產(chǎn)參數(shù)及金厚測(cè)試結(jié)果如下表所示：

金厚數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表6所示：

表6 金厚數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

說(shuō)明：（1）按以上生產(chǎn)條件，0.05 μm金厚要求測(cè)試板標(biāo)準(zhǔn)PAD金厚為0.061 μm，大金面PAD為0.055 μm；0.03 μm金厚要求測(cè)試板標(biāo)準(zhǔn)PAD金厚為0.032 μm，大金面PAD為0.029 μm，超出下限。

（2）從表觀上看，0.03 μm金厚板金色明顯要比0.05 μm金厚板金色白。

4.3.3 可靠性評(píng)估結(jié)果

4.3.3.1 孔隙率測(cè)試

測(cè)試方法：硝酸氣體腐蝕法

評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：金面0.05 mm ～ 0.25 mm黑斑不超過(guò)3個(gè)，其中最大的一個(gè)黑斑不超過(guò)0.375 mm。

孔隙率測(cè)試結(jié)果如表7所示：

表7 孔隙率測(cè)試結(jié)果

小結(jié)：（1）孔隙率測(cè)試中，只有0.05 μm金厚沉金新板符合要求；

（2）在各種不同測(cè)試條件下，0.05 μm金厚板各種狀態(tài)孔隙率測(cè)試結(jié)果均優(yōu)于0.03 μm金厚板；

（3）金厚相同情況下，無(wú)論0.03 μm金厚還是0.05 μm金厚，各種條件下ENIG+OSP板測(cè)試結(jié)果比沉金板稍好，但不明顯；

（4）在各種不同測(cè)試條件下，0.05 μm金厚產(chǎn)品耐老化性能優(yōu)于0.03 μm。

4.3.3.2 Ni腐蝕/P含量測(cè)試

評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：鎳腐蝕長(zhǎng)度≤1/4鎳層厚度，7%≤P%≤10%

鎳腐蝕/P含量測(cè)試結(jié)果如表8所示：

表8 鎳腐蝕/P含量測(cè)試結(jié)果

小結(jié)：新板、老化后的沉金及ENIG+OSP板均無(wú)鎳腐蝕情況，P含量達(dá)標(biāo)。

4.3.3.3 可焊性測(cè)試

（1）漂錫法測(cè)試可焊性

測(cè)試條件：錫爐溫度為235 ℃，漂錫時(shí)間3.5 s

評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：所有焊盤均上錫，焊盤上錫面積≥95%，可焊性測(cè)試結(jié)果如表9所示：

小結(jié)：新板、老化后的沉金及ENIG+OSP板漂錫測(cè)試結(jié)果良好，可焊性均合格。

（2）潤(rùn)濕稱量?jī)x或沾錫天平（Wetting Balance）測(cè)試

測(cè)試條件：測(cè)試焊盤大小2 mm×4 mm，溫度設(shè)定無(wú)鉛255 ℃ ± 5 ℃，Wetting Balance測(cè)試儀型號(hào)SAT-500，設(shè)定參數(shù)如表10所示：

表9 可焊性測(cè)試結(jié)果

表10 潤(rùn)濕平衡測(cè)試設(shè)定參數(shù)

備注：本次試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)參考IPC標(biāo)準(zhǔn)J-STD-003A，此參數(shù)屬于較嚴(yán)格的參數(shù)，主要為區(qū)分出不同狀態(tài)板間的差異性，在此參數(shù)下測(cè)試的結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的符合性僅供參考。

表11 潤(rùn)濕平衡測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果如表11所示：

小結(jié)：（1）標(biāo)準(zhǔn)符合性：潤(rùn)濕平衡測(cè)試中，新板只有0.05 μm金厚沉金板不符合要求；E-T無(wú)鉛三次后沉金板0.03 μm及0.05 μm金厚板均符合要求，ENIG+OSP板0.03 μm及0.05 μm金厚板均不符合要求；加速蒸汽老化后沉金板0.03 μm及0.05 μm金厚板均不符合要求，ENIG+OSP板0.03 μm金厚板符合要求，0.05 μm金厚板不符合要求。

（2）在沉金表面處理板中，0.03 μm金厚板在各種狀態(tài)下可焊性普遍優(yōu)于0.05 μm金厚板。

（3）在沉金表面處理板中，0.03 μm金厚板新板與老化后的狀態(tài)對(duì)比變差明顯，0.05 μm金厚板在老化后可焊性無(wú)明顯變差。說(shuō)明0.05 μm金厚板在可焊性方面耐老化性能優(yōu)于0.03 μm金厚板。

（4）ENIG+OSP板由于加入OSP攻擊的影響，加之抽樣量有限，測(cè)試結(jié)果無(wú)規(guī)律性。由于目前無(wú)法評(píng)估OSP對(duì)金面的攻擊，此結(jié)果暫不參考。

4.3.4 可靠性評(píng)估結(jié)論

綜上所述，對(duì)于沉鎳金工藝的生產(chǎn)板，若最終產(chǎn)品運(yùn)用于快捷消費(fèi)類，且側(cè)重于可焊性要求的電子產(chǎn)品，可應(yīng)用0.03 μm金厚控制。但對(duì)于可能放置較長(zhǎng)時(shí)間后再進(jìn)行貼裝，以及對(duì)可靠性有較高要求的產(chǎn)品，建議謹(jǐn)慎使用0.03 μm金厚控制。

5 0.03 μm金厚穩(wěn)定性研究

5.1 薄金板程序制定

對(duì)沉金線針對(duì)薄金制作程序，設(shè)定為5#程序，沉金時(shí)間為5 min，其他參數(shù)與正常程序相同。

5.2 生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)采集

試板期間IPQC按照通告要求對(duì)每巴薄金程序生產(chǎn)板均抽測(cè)1 pcs金鎳厚度，為對(duì)該薄金程序連續(xù)生產(chǎn)能力進(jìn)行評(píng)估，選取試板期間連續(xù)生產(chǎn)板C型號(hào)金厚數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

5.3 數(shù)據(jù)分析/控制限設(shè)定

對(duì)原始數(shù)據(jù)做控制圖，控制圖顯示R圖、X圖存在以下的異常點(diǎn)：

（1）部分點(diǎn)極差超控制線，說(shuō)明兩面的金厚測(cè)試結(jié)果存在過(guò)大差異。對(duì)于C型號(hào)，這種差異一部分是由于測(cè)量時(shí)的異常導(dǎo)致，如焊盤選擇的問(wèn)題等。另一部分是由于生產(chǎn)的異常狀況，如疊板等。我們將這類極差超出控制線的異常點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除；

（2）部分點(diǎn)均值超出控制上線，此七點(diǎn)均值達(dá)到0.049 μm ～ 0.054 μm之間，超過(guò)規(guī)格上線。這種異常可能是由于生產(chǎn)板批量較小，未使用薄金板程序而是用正常程序生產(chǎn)導(dǎo)致。

剔除導(dǎo)致極差及均值超控制線的異常點(diǎn)后，消除同一塊板間的金厚異常差異問(wèn)題。

測(cè)量C/S、S/S面的平均值，進(jìn)行單值移動(dòng)全距分析。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果：

X（平均）＝0.040 μm，X（UCL）＝0.048 μm，X（LCL）＝0.031um；

Rs（平均）＝0.0031，Rs（UCL）＝0.0103，Rs（LCL）＝0

5.4 過(guò)程能力分析

對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)程能力分析，得到：

X（平均）＝0.040 μm，X（MAX）＝0.048 μm，X（MIN）＝0.031 μm

σ（Sigma）＝0.004376，CPK＝CPL＝0.781，如圖6所示：

結(jié)論：0.03 μm金厚板連續(xù)生產(chǎn)金厚0.67＜CPK＝0.781＜1，說(shuō)明過(guò)程能力不足。因金鹽是貴金屬，在生產(chǎn)過(guò)程中將金厚平均值控的較低，導(dǎo)致Cpk偏小，但能滿足生產(chǎn)要求，不需對(duì)過(guò)程能力進(jìn)行提升。

6 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)沉金板板面金厚分布規(guī)律的研究，得到沉金板板面（2 mm×2 mm）～（4 mm×4 mm），且設(shè)計(jì)不在孔邊的焊盤在同一塊板不同的區(qū)域金厚中，均值與極差均最小，最適合用來(lái)作為金厚測(cè)試評(píng)價(jià)的焊盤，不同掛板位置以及不同面（C/S、S/S）之間的無(wú)明顯差異。

（2）薄金板與正常金厚板相比，可焊性及成本占優(yōu)勢(shì)，但正常金厚板耐老化性能更優(yōu)。對(duì)于沉鎳金工藝的生產(chǎn)板，若最終產(chǎn)品運(yùn)用于快捷消費(fèi)類，且側(cè)重于可焊性要求的電子產(chǎn)品，可應(yīng)用0.03 μm金厚控制。但對(duì)于可能放置較長(zhǎng)時(shí)間后再進(jìn)行貼裝，以及對(duì)可靠性有較高要求的產(chǎn)品，建議謹(jǐn)慎使用0.03 μm金厚控制。

（3）0.03 μm金厚板連續(xù)生產(chǎn)金厚0.67＜CPK＝0.781＜1，說(shuō)明過(guò)程能力不足。因金鹽是貴金屬，在生產(chǎn)過(guò)程中將金厚平均值控的較低，導(dǎo)致Cpk偏小，但能滿足生產(chǎn)要求，不需對(duì)過(guò)程能力進(jìn)行提升。

[1]胡光輝, 李大樹, 黃奔宇等. 化學(xué)鍍鎳浸金金厚不均探究[J]. 材料保護(hù), 2006, 39(7):64-65.

[2]SHALYT E,ALEYNIK S,PAVLOV M,et al. Control of eleetrolessnickel baths[J]. HKPCA Journal,2007(20):1-6．

[3]楊維生．化學(xué)鍍鎳金新工藝技術(shù)在印制板中的應(yīng)用[J]. 電子工程師,2001,27(12):55-58.

[4]朱冬生, 胡韓瑩, 王長(zhǎng)宏, 雷俊禧. 化學(xué)鍍鎳金及其溫度的影響[J]. 電鍍與涂飾, 2008,6.

Research of reliability and gold thickness control in fl ash gold PCB

ZENG Hong YANG Shao-bo HU Xi

This article focused on the PCB of ENIG process, made research the law of distribution of gold thickness on the board. At the same time, we researched the reliability of PCBs with 0.03 μm gold thickness. And then we set control limit to the Flash Gold PCB’s gold thickness though the method of SPC, in order to achieve the purpose of cost control.

Flash Gold; Distribution of Gold Thickness; Reliability; Control limit

TN41 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

1009-0096（2012）08-0047-08

曾紅，副總，理學(xué)學(xué)士。