選擇性化學(xué)鎳金板賈凡尼效應(yīng)改善

肖勁松

（蘇杭電路板有限公司，江蘇 昆山 215341）

1 選擇性化金板含有賈凡尼效應(yīng)的前后流程介紹

常規(guī)流程：……阻焊——印濕膜（或者干膜）——化金——褪膜——前處理——有機(jī)防氧化……

通常的前處理方式為：水平線除油——水洗——微蝕——水洗

賈凡尼效應(yīng)主要就發(fā)生在微蝕段。

2 PCB選擇性化金板賈凡尼效應(yīng)的產(chǎn)生原因

2.1 賈凡尼效應(yīng)原理（圖1）

選擇性化金板OSP流程的微蝕過程大多數(shù)廠家的微蝕液都是：硫酸+過硫酸鈉體系。與金面相連的銅表面有兩種微蝕反應(yīng)，即：普通的化學(xué)微蝕和電化學(xué)微蝕，所謂電化學(xué)微蝕就是賈凡尼效應(yīng)。它的構(gòu)成條件：（1）有線路連接的兩種活性不同的金屬；（2）兩金屬間有電解質(zhì)連接，構(gòu)成閉合回路。

兩極反應(yīng)：

銅極：Cu-2e→Cu2+E0=-0.337V

金面：S2O82-+2e→2SO42-E0=2.01V

圖1

2.2 選擇性化金板賈凡尼效應(yīng)產(chǎn)生的原因及位置

常見的手機(jī)板，BGA為保證焊接可靠性，使用OSP表面處理方式，BGA中的部分銅焊盤與化金的按鍵相連，在OSP微蝕過程中構(gòu)成閉合回路，達(dá)到了產(chǎn)生賈凡尼效應(yīng)的條件，所以出現(xiàn)焊盤縮小、斷線等現(xiàn)象。

對(duì)上述這種常規(guī)的賈凡尼效應(yīng)缺陷，我公司進(jìn)行了嚴(yán)格檢查管控，沒有發(fā)現(xiàn)焊盤縮小、斷線的情況。但卻仍然收到客戶投訴：賈凡尼效應(yīng)產(chǎn)生的開路問題。這與本司樣板的流程有關(guān)。……塞孔——阻焊——化金——電測(cè)試——OSP——……。

按鍵位置小孔需要油墨塞孔，由于擔(dān)心油墨上按鍵，塞孔時(shí)沒有塞滿，化金前處理后，塞孔位置孔口沒有沉積上金，而OSP除油后卻露出了少量的銅，結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的賈凡尼效應(yīng)，出現(xiàn)孔口銅厚度減薄，甚至斷銅現(xiàn)象，表觀（圖2）及切片圖（圖3）如下：

圖2 按鍵表觀圖

圖3 按鍵塞孔位置橫切片圖

在溶液中發(fā)生賈凡尼效應(yīng)的示意圖如圖4。

3 賈凡尼效應(yīng)改善對(duì)策研究

3.1 常用的賈凡尼效應(yīng)改善方法

3.1.1 增大銅面積與金面積比例

一般情況下當(dāng)銅與金面積比例大于1:200時(shí)，在短暫的微蝕時(shí)間里，無(wú)法蝕刻大量的銅，所以不會(huì)造成缺陷的發(fā)生。金比例越低越好，越高越危險(xiǎn)。

增加OSP銅面積的方法可以是：阻焊多開一些有線路與此金按鍵相連的銅窗口，或者人為添加一些沒有用的銅去進(jìn)行OSP加工，也有人在焊環(huán)加大淚滴設(shè)計(jì)等等。

關(guān)于這方面的解決方案，《印制電路信息》雜志中有多篇論文對(duì)此進(jìn)行了論述，本文不再贅述。

這些方法對(duì)常見的BGA焊盤縮小非常有用，但對(duì)我司的缺陷卻沒有幫助，因?yàn)榭變?nèi)露出的銅面積沒有辦法控制，在其它地方增加銅又不現(xiàn)實(shí)。所以只能另辟新徑。

3.1.2 增加機(jī)械前處理

OSP工序的微蝕目的是清潔銅面、增加銅比表面積。為達(dá)此目的，除化學(xué)方法外，可以考慮用機(jī)械物理的方法進(jìn)行處理，如：噴砂、磨刷等，這樣就可以減小化學(xué)微蝕量（降低溫度、濃度，減少處理時(shí)間等方法），相應(yīng)地賈凡尼效應(yīng)也會(huì)減弱。然而，使用機(jī)械方法處理，就不得不考慮如下二個(gè)問題：

（1）機(jī)械處理對(duì)金面外觀及厚度的影響；

（2）磨刷對(duì)阻焊外觀的影響及是否會(huì)變啞色的問題。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：測(cè)量金厚—— 1000目針?biāo)?噴砂處理——測(cè)量金厚——檢查外觀

結(jié)果如表1所示。

（厚度測(cè)量?jī)x器：X射線熒光鍍層厚度測(cè)量?jī)xCMI-900）。

金厚度及板面外觀都沒有明顯變化，所以1000目磨刷+噴砂也是有效改善賈凡尼效應(yīng)的措施之一。通過減小化學(xué)微蝕，我公司的問題得到了一定程度的改善，但沒有徹底解決。

3.2 從原電池原理角度出發(fā)的改善方法

表1

在OSP微蝕槽，有化學(xué)微蝕和電化學(xué)腐蝕，化學(xué)腐蝕的速度由藥水類型、濃度、溫度而定；電化學(xué)腐蝕速度除前面的因素外，還受兩種金屬活性差別、溶液類型、溶液的導(dǎo)電性能影響。

3.2.1 不同電解質(zhì)溶液類型的影響

常見的PCB微蝕液類型有：

（1） 硫酸+雙氧水；

（2） 硫酸+過硫酸鈉；

（3） 硫酸+過硫酸鉀；

（4） 杜邦、殷田等專用商業(yè)配方藥水。

不同電解質(zhì)溶液類型有不同的電動(dòng)勢(shì)，正極銅反應(yīng)是一樣的，所以沒有差別；負(fù)極反應(yīng)取決于氧化劑的類型，它的電極電位決定了電動(dòng)勢(shì)的高低。

第（1）類硫酸雙氧水的電動(dòng)勢(shì)

△E（雙氧水體系）＝1.433V

第（2）和第（3）類都屬于過硫酸根體系，原電池的電動(dòng)勢(shì)基本一樣

△E（過硫酸根體系）＝1.763V

硫酸雙氧水體系由于△E低，所以它比過硫酸鈉微蝕體系的賈凡尼效應(yīng)更弱。相同微蝕量的前提下，更有利于改善問題。杜邦、殷田等公司開發(fā)的藥水配方，原理都是降低△E而達(dá)到降低賈凡尼效應(yīng)的目的。

將我司的OSP微蝕液更換為硫酸雙氧水后，手機(jī)板按鍵開路問題降低了，但阻值偏大現(xiàn)象還存在，說(shuō)明問題還沒有得到徹底解決。

3.2.2 溶液的導(dǎo)電性研究

生產(chǎn)中，我們發(fā)現(xiàn)一款正反面拼版的料號(hào)，有一半的單元有按鍵阻值偏大現(xiàn)象，而另一半合格。仔細(xì)跟進(jìn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，合格的板都是按鍵朝下的板，按鍵朝上的都不合格。

于是，我們用銅金相連，面積比例1:128的板，設(shè)計(jì)了三種條件的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1：OSP水平線放板，速度1.0 m/min，按鍵位朝上；

實(shí)驗(yàn)2：OSP水平線放板，速度1.0 m/min，按鍵位朝下；

實(shí)驗(yàn)3：采用與水平線微蝕段相同時(shí)間，浸泡手機(jī)板。

（三個(gè)實(shí)驗(yàn)都配全銅的測(cè)試片測(cè)量化學(xué)微蝕量）

3.2.3 溶液的導(dǎo)電性研究結(jié)果（表2）

很明顯，在銅金面積比確定的情況下，將測(cè)試面朝下，可以最大限度地減小電化學(xué)微蝕。

簡(jiǎn)單分析一下這種現(xiàn)象的原因。電流=電壓÷阻抗，電阻大小與導(dǎo)體截面積呈反比，板面導(dǎo)電溶液的厚度決定了電阻的大小。板面朝下，板面的溶液厚度最少，導(dǎo)電能力最弱；其次是板面朝上，由于“水池效應(yīng)”，有一定厚度的微蝕液堆積，導(dǎo)電能力居中；最差的是試板泡在溶液中，電阻最小，導(dǎo)電能力最強(qiáng)，銅被咬蝕的最多。

3.2.4 賈凡尼效應(yīng)問題的解決

找到溶液導(dǎo)電性能這個(gè)關(guān)鍵因子后，我司優(yōu)化了此款手機(jī)板的設(shè)計(jì)，原在制版（Panel）拼版為正反設(shè)計(jì)的，現(xiàn)更改為：按鍵僅在其中一面。

OSP生產(chǎn)前先過1000目針?biāo)?，再噴砂?/p>

OSP放板時(shí)，危險(xiǎn)的按鍵面朝下放置，降低溶液的導(dǎo)電能力。

通過上述三個(gè)方法，此款手機(jī)板得以成功量產(chǎn)，賈凡尼效應(yīng)造成的銅層被咬蝕出現(xiàn)孔無(wú)銅的現(xiàn)象被徹底根除了。

4 總結(jié)

通過上面的實(shí)驗(yàn)及分析，選擇性化金板徹底消除了賈凡尼效應(yīng)的影響的方法有以下幾個(gè)：

（1）設(shè)計(jì)時(shí)增加銅面積，以增加銅金面積比；

（2）OSP前增加機(jī)械磨刷、噴砂，降低化學(xué)微蝕量以達(dá)到降低賈凡尼效應(yīng)的目的；

（3）選擇電動(dòng)勢(shì)較低的微蝕溶液；

（4）將受賈凡尼影響大的位置，在微蝕過程中朝下放板。（設(shè)計(jì)時(shí)不要正反拼版）

表2