印制電路板化學(xué)金漏鍍淺析

戴 暉 劉喜科 林人道

（梅州市志浩電子科技有限公司，廣東 梅州 514000）

1 前言

印制電路板在進(jìn)行沉金處理過程中，常出現(xiàn)焊盤（Pad）、標(biāo)志（Mark）點(diǎn)、印制插頭等部位出現(xiàn)漏鍍現(xiàn)象。導(dǎo)致化金過程中出現(xiàn)漏鍍的原因很多，如顯影不凈、顯影后水洗不足、蝕刻后退膜不凈以及層壓擠膠等均可以造成焊盤、插頭等部位出現(xiàn)漏鍍，但是這些原因造成的漏鍍都是銅面被污染或覆蓋造成的，只要將銅面處理干凈，基本能解決由上述因素造成的漏鍍情況。

另有兩種情況是非銅面污染或覆蓋的結(jié)果，如活化槽的設(shè)置影響，包括鈀離子的濃度、活化時(shí)間、溫度、酸度及振動(dòng)等。鎳槽所致的漏鍍往往是人們最關(guān)注的，也是研究最多的，主要因穩(wěn)定劑的過量引起漏鍍。此外，還存在一些不常見的漏鍍情況，如鍍件本身容易引起漏鍍、等離子處理等，這些漏鍍現(xiàn)象通常是在印制線路板行業(yè)中發(fā)生，因?yàn)橛≈瓢逍枰瘜W(xué)鍍鎳的零件線路細(xì)小、結(jié)果復(fù)雜，故在印制板中比較常出現(xiàn)。本文主要探討印制線路板本身特征引起的漏鍍，希望通過漏鍍的實(shí)驗(yàn)，深入了解引發(fā)漏鍍的原因，為避免漏鍍現(xiàn)象找到切實(shí)可行的有效解決方案。

2 原理和分析

2.1 化學(xué)鎳金的原理

在基材銅上進(jìn)行化學(xué)鎳金層的沉積，必須在催化劑的作用下才能進(jìn)行，而在電化序中，銅位于鎳的后面，所以必須將銅面活化，才能進(jìn)行化學(xué)鍍鎳。PCB行業(yè)大多是采用先在銅面上生成一層置換鈀層的方式使其活化，PCB沉鎳金工序之活化劑一般為PdSO4和PdCl2活化反應(yīng)見式（1）：

在鈀的活化作用下，Ni2+在NaH2PO2的還原條件下沉積在裸銅表面。當(dāng)鎳沉積覆蓋鈀催化晶體時(shí)，自催化反應(yīng)將繼續(xù)進(jìn)行，直至達(dá)到所需之鎳層厚度?；瘜W(xué)鍍鎳的化學(xué)反應(yīng)見式（2）、式（3）：

當(dāng)PCB板面鍍好鎳層放入金槽后，其鎳面即受到槽液的攻擊而溶出鎳離子，所拋出的兩個(gè)電子被金氰離子獲得而在鎳面上沉積出金層，其反應(yīng)見式（4）：

2.2 漏鍍?cè)頊\析

2.2.1 銅面污染的影響

造成銅面污染的產(chǎn)生源有多種，如阻焊顯影不凈、顯影后水洗不潔、吸水海綿臟、烘箱抽風(fēng)不良、文字返洗油墨殘留等等均會(huì)造成沉金的漏鍍異常，這都屬于沉金前制程缺陷影響因素，是可通過前制程的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)改善使之杜絕或降低銅面污染造成的沉鎳金漏鍍異常。

2.2.2 鎳缸、鈀缸活性不足的影響

影響鈀缸活性的主要因素是活化濃度、溫度和時(shí)間。延長(zhǎng)活化的時(shí)間或提高活化濃度和溫度，一定有利于漏鍍的改善。由于活化的溫度和濃度太高會(huì)影響鈀缸的穩(wěn)定性，而且會(huì)影響其他制板的生產(chǎn)，所以，在這些主要因素中，延長(zhǎng)時(shí)間是首選改善措施。

影響鎳缸活性的最主要因素是鎳缸穩(wěn)定劑濃度和鎳缸溫度，但由于難以操作控制，一般不采取降低穩(wěn)定劑濃度來解決該問題，升高鎳缸溫度，一定有利于漏鍍的改善。如果不考慮外部環(huán)境以及內(nèi)部穩(wěn)定性，無(wú)限度的升高鎳缸溫度，應(yīng)該能解決漏鍍問題。

鎳缸的pH值、次磷酸鈉以及鎳缸負(fù)載，都會(huì)影響鎳缸的活性，但其影響程度較小，而且過程緩慢。所以不宜作為改善漏鍍問題的主要方法。

2.2.3 設(shè)計(jì)因素導(dǎo)致的定位性沉金PAD漏鍍

還有一種因設(shè)計(jì)因素導(dǎo)致的定位性漏鍍情況，此種現(xiàn)象在常規(guī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中很少涉及，一般出現(xiàn)于高智能手機(jī)類產(chǎn)品中，此設(shè)計(jì)特點(diǎn)的表面處理都是ENIG+OSP，因客戶端貼片的需求往往將BGA焊點(diǎn)設(shè)計(jì)為沉金PAD，其他焊接PAD為OSP設(shè)計(jì)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，極易造成BGA沉金PAD定位性漏鍍，本公司前期生產(chǎn)板件中，就有此類設(shè)計(jì)產(chǎn)品（圖1），經(jīng)過對(duì)定位性漏鍍點(diǎn)的分析，此漏鍍PAD存在以下幾大特點(diǎn)：

圖1 產(chǎn)品CAM圖

（1）漏鍍焊點(diǎn)尺寸?。汉更c(diǎn)設(shè)計(jì)蝕刻后尺寸為0.25 mm；

（2）漏鍍焊點(diǎn)成定位性狀：經(jīng)系列確認(rèn)，并非銅面污染因素造成的定位漏鍍；

（3）同網(wǎng)絡(luò)走向復(fù)雜：定位漏鍍焊點(diǎn)同電氣性能的焊盤PAD面積較大，且同電氣性能的焊盤PAD均為OSP區(qū)域，即沉金前選化油覆蓋區(qū)域（圖1中藍(lán)色區(qū)域）；

此定位漏鍍焊點(diǎn)相比同BGA區(qū)域的其他焊點(diǎn)，在同層別上有較大的同電氣性能網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，且同電氣性能網(wǎng)絡(luò)區(qū)域均為OSP區(qū)域（選化油覆蓋），結(jié)合活化Pd離子的置換反應(yīng)以及電勢(shì)能轉(zhuǎn)移原理，初步設(shè)想是否因焊點(diǎn)上活化Pd離子置換時(shí)，造成電勢(shì)能平衡被打破，電荷轉(zhuǎn)移至同電氣的其他OSP區(qū)域，導(dǎo)致該焊點(diǎn)的Pd離子覆蓋不夠，形成漏鍍異常。

因此為了驗(yàn)證是否因同電氣網(wǎng)絡(luò)的電勢(shì)能平衡破化，導(dǎo)致的沉金焊點(diǎn)電荷數(shù)過少形成漏鍍，本文就此針對(duì)此類定位性的沉鎳金漏鍍?cè)蚣案纳七M(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以此獲得的理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，做為后續(xù)的設(shè)計(jì)及制程改善依據(jù)。

圖2 定位漏鍍實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

分別設(shè)計(jì)直徑不等的焊盤，焊盤相對(duì)孤立存在（圖3）、焊盤同時(shí)使用導(dǎo)線與銅條連接（圖4）的圖形菲林，按圖3流程進(jìn)行沉金處理：

圖3

圖4

圖5

3.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

經(jīng)過上面造成漏鍍?cè)虻姆治觯~面污染可借助噴砂磨板、水平微蝕等方法將銅面處理干凈，可避免漏鍍。但如果由于鎳缸本身的活化濃度、時(shí)間、溫度以及PH值影響時(shí)，則較難調(diào)整。故采用正交實(shí)驗(yàn)法，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證，找出影響漏鍍最大的因素。選擇鈀離子濃度（A）、反應(yīng)時(shí)間（B）、溫度（C）、鎳缸溫度（D）作為正交實(shí)驗(yàn)的因素，考慮的因素與水平如表1：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)用直觀分析法對(duì)六種尺寸的焊盤實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，把每個(gè)因素1水平所有方案實(shí)驗(yàn)結(jié)果相加，把2水平所有方案實(shí)驗(yàn)結(jié)果相加，分別用k1、k2來表示。再計(jì)算各自的算術(shù)平均值，然后計(jì)算各因素的極差：各因素k1、k2的算術(shù)平均值，大的值減去小的值即為極差。最后分析計(jì)算結(jié)果，R值越大的因素重要程度越高，從正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響由大到小依次為活化濃度（A），反應(yīng)時(shí)間（C），溫度（B），鎳缸溫度（D），正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2：

從以上正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，雖然得出了造成了應(yīng)漏鍍的主要因素，但是圖3與圖4中0.4 mm、0.2 mm焊盤均出現(xiàn)漏鍍的現(xiàn)象，對(duì)此，對(duì)漏鍍情況進(jìn)行了延伸分析。

表1 正交實(shí)驗(yàn)的因素-水平表

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及極差分析

4.2 掩蔽對(duì)漏鍍的影響

分別將圖2中直徑為6 mm、3 mm的焊盤的導(dǎo)線進(jìn)行切斷處理，切斷后結(jié)果如圖6，同時(shí)用藍(lán)膠帶把圖2、圖4的試樣進(jìn)行改造，變?yōu)閳D7、圖8所示的試樣，藍(lán)膠帶主要保護(hù)銅條和工藝導(dǎo)線不發(fā)生置換反應(yīng)和化學(xué)鍍鎳反應(yīng)。

圖6

圖7

圖8

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在各種活化條件下，圖7試樣沒有發(fā)生漏鍍現(xiàn)象；而圖6的試樣在活化鈀離子濃度為50×10-6，活化時(shí)間為20 s 時(shí)，1 mm、0.6 mm、0.4 mm、0.2 mm 四個(gè)焊盤均發(fā)生漏鍍，圖7和圖8試驗(yàn)表明：在焊盤與銅條發(fā)生連接的情況下，藍(lán)膠帶掩蓋銅條和導(dǎo)線易導(dǎo)致焊盤漏鍍；但當(dāng)銅條上連接有大尺寸的焊盤時(shí)，如6 mm 和3 mm 的焊盤，藍(lán)膠帶的掩蓋時(shí)，所有尺寸的焊盤則不易發(fā)生漏鍍。

4.3 掩蔽影響漏鍍的電子傳輸機(jī)理

從圖4～圖6的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所有圓盤均和銅條相連接時(shí)，掩蔽銅條與導(dǎo)線對(duì)圓盤漏鍍與否影響不大；而當(dāng)部分圓盤與銅條連接時(shí)，掩蔽銅條和導(dǎo)線會(huì)引起圓盤的漏鍍。這一現(xiàn)象表明，掩蔽與銅盤相連接的銅條和導(dǎo)線，會(huì)令銅盤在活化過程中產(chǎn)生內(nèi)部自由能的變化。為了方便問題探討，設(shè)計(jì)了圖9所示的樣品進(jìn)行分析：

圖9

在圖7中當(dāng)導(dǎo)線不通時(shí)，焊盤不發(fā)生漏鍍；一旦導(dǎo)線導(dǎo)通，焊盤便發(fā)生漏鍍。因?yàn)閳D9中焊盤與銅條在空氣中發(fā)生連接時(shí)，兩者內(nèi)部的電化學(xué)勢(shì)平衡，可認(rèn)為銅盤和銅條物理化學(xué)性能一樣。當(dāng)浸入活化液中進(jìn)行活化時(shí)，因銅條被藍(lán)膠帶掩蔽，而焊盤則與鈀離子發(fā)生置換反應(yīng)，此時(shí)銅盤和銅條之間電化學(xué)勢(shì)的平衡被打破，為了阻礙這種平衡被打破，焊盤和銅條之間會(huì)發(fā)生電子的遷移?？赡苁请娮佑珊副P往銅條遷移，導(dǎo)致鈀離子的電子數(shù)減少，從而影響了鈀在銅上的覆蓋率。

若圖9中導(dǎo)線斷開，浸入活化液中后，焊盤因和銅條之間沒有電氣連接，焊盤上發(fā)生電化學(xué)勢(shì)變化時(shí)，為了遏制電化學(xué)勢(shì)變化，電子只有轉(zhuǎn)移到鈀離子上，令鈀可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到引發(fā)化學(xué)鍍鎳的覆蓋率，所以斷開銅盤與銅條間的導(dǎo)線后，銅盤沒有出現(xiàn)漏鍍。

正是因?yàn)樵诔两疬^程中，焊盤與與之導(dǎo)通的非沉金焊盤或?qū)Ь€之間存在著這種電化學(xué)勢(shì)能，導(dǎo)致一部分板件出現(xiàn)漏鍍、甚至有固定位置漏鍍的情況。

5 產(chǎn)品改善方案驗(yàn)證

經(jīng)以上的一系列分析及測(cè)試驗(yàn)證，我們可以看出，焊盤與導(dǎo)線、銅面間存在著平衡的電化學(xué)勢(shì)能，板件在進(jìn)行活化過程中，電勢(shì)能平衡被打破，電荷出現(xiàn)了遷移，導(dǎo)致需沉金的焊盤上鈀獲得電子過少，導(dǎo)致無(wú)法置換或未置換完全，從而引起漏鍍的出現(xiàn)。因此，要解決此種電勢(shì)能轉(zhuǎn)移引起的漏鍍問題，應(yīng)從破化其電勢(shì)能轉(zhuǎn)移的方向進(jìn)行改善：

（1）改變同電氣性能網(wǎng)絡(luò)屬性：

①杜絕電荷轉(zhuǎn)移，最直接的辦法就是改變?cè)械耐姎庑阅埽瑪嚅_焊盤與銅條間的網(wǎng)絡(luò)，這顯示是不可能，這從根本上變更終端客戶的設(shè)計(jì)，此方案否決；

②還有一種變更，即是將銅條也更改為沉金焊盤，不做OSP表面處理（不覆蓋選化油），使之活化時(shí)，表面的焊盤電勢(shì)能均一平衡，電量不做轉(zhuǎn)移，達(dá)到Pd 離子覆蓋完全時(shí)所需的電荷數(shù)。

此方案經(jīng)我司實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確實(shí)可以解決漏鍍異常，但此方案也直接變更了終端客戶的所需表面處理工藝，沉金工藝與OSP表面處理工藝對(duì)終端客戶回流焊以及元件間的信號(hào)傳輸存在一定的差異，經(jīng)與多家終端設(shè)計(jì)公司探討協(xié)商，終端客戶認(rèn)為此方案只能在一定范圍內(nèi)更改，不便于全網(wǎng)絡(luò)的變更成沉金工藝。如同電氣性能銅條部分優(yōu)化成沉金處理，暫未得知，兩種焊盤之間的電勢(shì)能轉(zhuǎn)移是否和銅條面積存在一定的比值關(guān)系？這對(duì)于表面處理設(shè)計(jì)以及品質(zhì)仍存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此，此方案暫不可取。

（2）增加銅條覆蓋物（選化油）的微帶電物質(zhì)，以減少和抑制沉金焊盤與銅條之間的電子遷移：

此方案的設(shè)想原理就是在銅條的覆蓋物（選化油）中加入能與活化鈀起反應(yīng)的微帶電物質(zhì)，當(dāng)活化鈀與銅發(fā)生置換反應(yīng)時(shí)，焊盤與銅條上的覆蓋物均能發(fā)生反應(yīng)，以此減少和抑制焊盤與銅條之間的電子遷移，保證焊盤與活化鈀之間的置換所需的電荷數(shù)，使其置換反應(yīng)充分進(jìn)行，從而避免漏鍍的產(chǎn)生。

此方案經(jīng)過對(duì)市場(chǎng)上多家不同選化油（抗沉鎳金油墨/二次成像抗鍍油墨）產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，大多數(shù)選化油只能滿足常規(guī)的ENIG+OSP工藝的產(chǎn)品制作，而其中一家A供應(yīng)商提供的二次成像抗鍍油墨，經(jīng)過對(duì)此類產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此選化油墨中應(yīng)含有微帶電物質(zhì)，能有效的減少和抑制了電荷的轉(zhuǎn)移，避免此類定位漏鍍的產(chǎn)生，圖10所示。

圖10

6 結(jié)論

通過對(duì)失效產(chǎn)品進(jìn)行分析以及實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明：

（1）定位沉金漏鍍失效原因?yàn)殡妱?shì)能平衡被打破，電荷出現(xiàn)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致沉金焊盤上的鈀因獲得電荷少造成無(wú)法置換或未置換完全，從而引起定位漏鍍異常；

（2）通過尋找含有微帶電物質(zhì)的選化油，以此平衡焊盤間的電勢(shì)能，以減少和抑制焊盤之間的電子遷移，保證焊盤和活化鈀之間的置換反應(yīng)充分進(jìn)行，從而避免漏鍍的產(chǎn)生。