封孔劑應(yīng)用于化學(xué)鍍鎳金中改善腐蝕的研究

邱成偉 李小海 唐 鵬 王曉檳

（惠州中京電子科技有限公司 ，廣東 惠州 519029）

0 前言

近年來，隨著電子設(shè)備線路設(shè)計日趨復(fù)雜，以及電子產(chǎn)業(yè)無鉛化的大背景下，化學(xué)鍍鎳/金工藝得到國內(nèi)外的迅速推廣。這得益于化鎳金工藝本身所具有的優(yōu)點(diǎn)：（1）平整度高，適合更高集成產(chǎn)品組裝；（2）高溫不氧化，可適合多次焊接；（3）良好的可焊性能，接觸電阻低?；瘜W(xué)鍍鎳/金可滿足更多的組裝要求，被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)業(yè)的各個行業(yè)，在表面處理工藝所占份額已逐漸占有半壁江山之趨勢。

1 現(xiàn)象分析

化學(xué)鍍鎳/金工藝也有難以克服的問題，鎳腐蝕就是其中之一。關(guān)于鎳腐蝕問題，國內(nèi)外同行都做了許多方面的研究，盡管對鎳腐蝕控制取得長足的進(jìn)步，然而在長期的研究生產(chǎn)過程中證明，鎳腐蝕在實(shí)際生產(chǎn)中無法根除?；瘜W(xué)鍍鎳/金的鎳腐蝕對客戶端造成焊接失效的異常時有發(fā)生，行業(yè)對沉金鎳腐蝕的研究主要集中在如何降低沉金過程鎳腐蝕產(chǎn)生的程度，來達(dá)到控制焊接失效幾率。本文主要通過鎳腐蝕的機(jī)理深度研究，通過改善沉金后金面微觀狀態(tài)，延緩鎳腐蝕在沉金后的反應(yīng)速率，結(jié)合沉鎳金前的技術(shù)研究手段，達(dá)到更優(yōu)的改善效果（如圖1、圖2）。

圖1 連接盤鎳腐蝕

圖2 受鎳腐蝕鍍層

2 鎳腐蝕機(jī)理及危害

2.1 鎳腐蝕的產(chǎn)生機(jī)理

沉鎳的主反應(yīng)：

副反應(yīng)：

沉鎳的化學(xué)反應(yīng)屬于自催化還原反應(yīng)，過程伴隨P元素的沉積與釋氫反應(yīng)；而在金層形成過程中，根據(jù)金置換鎳反應(yīng)方程式：2Au1++Ni→2Au+Ni2+，金層與鎳層之間的空隙主要是由以下幾點(diǎn)原因產(chǎn)生：（1）金比鎳體積大，且一個鎳需要兩個金置換，反應(yīng)本身存在一定擁擠效應(yīng)，金的沉積不規(guī)則；（2）原子在堆疊且鎳層中含有10%左右的磷原子存在，磷無法與金產(chǎn)生反應(yīng)，故在有磷區(qū)域金的堆疊出現(xiàn)空洞；（3）沉鎳反應(yīng)中伴隨釋氫反應(yīng)，有氣體產(chǎn)生，部分氣體在沉鎳過程未及時排除或者以微氣泡的形式殘留在鎳層中，導(dǎo)致鎳層也會出現(xiàn)空洞效應(yīng)；（4）沉鎳后鎳層在生產(chǎn)過程中局部氧化，氧化后的鎳無法與金形成置換，也會出現(xiàn)空洞。故在實(shí)際生產(chǎn)控制中，鎳腐蝕其實(shí)是一直存在的。

沉金后，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的酸、堿性溶液以及水分滲入，為金、鎳層發(fā)生賈凡尼效應(yīng)提供了持續(xù)反應(yīng)的條件，使得鎳層腐蝕反應(yīng)持續(xù)并且隨著反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)可供循環(huán)的空間加大，腐蝕反應(yīng)速率有持續(xù)上升的趨勢。在運(yùn)輸和儲存所經(jīng)歷的漫長期限中，鎳層腐蝕到一定程度發(fā)生腐蝕穿透，導(dǎo)致“黑盤”的出現(xiàn)，還可能會阻止焊點(diǎn)的潤濕，使焊點(diǎn)容易從鎳表面分開，嚴(yán)重影響PCB的可靠性最終導(dǎo)致了客戶端的焊接失效。

3 沉金后改善黑盤機(jī)理研究

根據(jù)鎳腐蝕的機(jī)理，在沉金后擬采用有機(jī)小分子對沉金過程可夠滲入液體的空洞進(jìn)行填充或封閉，有效阻止外來溶液的進(jìn)一步進(jìn)入，進(jìn)而減少鎳腐蝕反應(yīng)的速率；擬采用方案的機(jī)理（如圖3）。

具體實(shí)施方案如下：采用螯合反應(yīng)，以陰離子螯合劑與長鏈陽離子形成雙電層結(jié)構(gòu)，于鍍層表面緊密排列并成膜，修復(fù)鍍層缺陷的同時通過螯合作用消除晶缺陷處的金屬反應(yīng)活性；長鏈陽離子再以氫鍵結(jié)合，增加膜層的抗干擾強(qiáng)度與降低既有鎳腐蝕反應(yīng)速率，同時不影響焊接效果，強(qiáng)化了封孔劑膜層。實(shí)施方案過程示意圖（如圖4）。

封孔劑以25 L為例，其配比方式為：（1）在容器中加純水10 L，聚乙二醇2005 L，升溫到不低于60℃；（2）加入OP-10乳化劑7.5 L，攪拌溶解；（3）加入十八硫醇800 g，十六硫醇80 g，加熱使之溶解；（4）補(bǔ)水并攪拌均勻，冷卻后包裝；如果硫醇難以溶解則可以選擇降低配方中的數(shù)量并將開缸量提高，也可加入能溶于水的有機(jī)溶劑如乙醇、乙二醇丁醚等；封孔劑主要是兩個硫醇起作用，這是目前主流的封孔劑所用的兩種材料?？梢詫?個硫醇混合做成固體的保護(hù)劑，配缸時加水升溫到60℃，加入OP，再加入固體的銀保護(hù)劑，然后就可以工作，這樣就不用聚乙二醇200，聚乙二醇200是指分子量200的聚乙二醇（如圖3、圖4）。

圖3 封孔實(shí)施過程

圖4 封孔反應(yīng)

4 改善效果驗(yàn)證

4.1 封孔膜層要求

在沉金的表面形成了一層有機(jī)分子薄膜層，需要該有機(jī)分子層具有以下的效果：耐酸堿性、可焊性以及對鎳腐蝕反應(yīng)進(jìn)度等效果。檢驗(yàn)方式及標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

4.2 項(xiàng)目驗(yàn)證性測試

對封孔技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果（如圖5）。封孔的改善效果主要體現(xiàn)在鎳缸的后期，鎳缸后期鎳反應(yīng)受雜質(zhì)離子的影響程度增加，反應(yīng)穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致沉金完成后，金、鎳之間的空洞效應(yīng)增加，使得鎳腐蝕反應(yīng)空間增大，同時也增加了鎳腐蝕反應(yīng)的速率，而封孔的作用在此時的作用體現(xiàn)得尤為突出。

4.2 綜合測試

采用鹽霧測試對比封孔改善效果（如圖6）。鹽霧測試發(fā)現(xiàn)，鹽霧對沉金鎳腐蝕有一定加速作用，而封孔在很大程度上改善此類異常。

4.3 項(xiàng)目其他可行性項(xiàng)目測試

在以上對鎳腐蝕改善的可行性檢驗(yàn)外，對產(chǎn)品其他檢驗(yàn)測試情況（如圖7）。通過以上測試，采用此類手段可以達(dá)到不影響既有的產(chǎn)品使用效果，完全滿足生產(chǎn)條件的需要，不需要增加額外的加工成本。

4.4 元器件附著力測試

按照元器件附著力測試的標(biāo)準(zhǔn)對封孔技術(shù)處理的產(chǎn)品與未處理的產(chǎn)品做有拉脫強(qiáng)度、拉離強(qiáng)度。結(jié)果（見表2）。封孔前后元器件附著力無明顯變化。均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)。

4.5 阻抗變化

封孔前后的阻抗值（見表3）。小結(jié)：封孔前后阻抗基本無變化，通過耐酸堿測試、汗液測試、可焊性測試、回流焊測試、推力測試、阻抗變化測試，可證明采用封孔方式可改善沉金后鎳腐蝕反應(yīng)，效果明顯，且實(shí)際操作可行。

5 結(jié)論

（1）通過沉金鎳腐蝕的產(chǎn)生機(jī)理分析，從減少鎳腐蝕持續(xù)反應(yīng)速率為研究方向出發(fā)，采取高分子填充成膜的封孔方式，可阻止沉金過程中各類溶液滲入鎳、金層，減少在使用時出現(xiàn)焊接不良、焊接失效等異常。

表1 封孔技術(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)

圖5 封孔技術(shù)應(yīng)用檢驗(yàn)結(jié)果

圖6 通過鹽霧測試的改善效果對比

圖7 封孔后試樣檢驗(yàn)測試結(jié)果

表2 各類元器件推力測試結(jié)果

表3 封孔前后同一產(chǎn)品的阻抗變化（單位：Ω）

（2）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證封孔對鎳缸中后期產(chǎn)生的黑盤異常的改善效果比較明顯，且封孔處理不會對原流程造成影響，不影響產(chǎn)品的后續(xù)加工和使用。

（3）實(shí)際應(yīng)用過程中，客戶端關(guān)于沉金板的焊接不良的客訴次數(shù)明顯減少，側(cè)面反映了該技術(shù)應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中的效果較為明顯。

（4）技術(shù)的進(jìn)步難度在逐漸加大，如何取得更加有效的技術(shù)突破或許需一個新的技術(shù)角度。在沉金鎳腐蝕的改善項(xiàng)目上是著眼于其他方向的突破，其改善效果將更加明顯。