選擇性化學鎳金油墨與文字白油交叉污染的改善

汪俊宇 周 俊 閆 平

（珠海中京電子電路有限公司，廣東 珠海 519090）

0 引言

為滿足各種元器件表面貼裝技術(shù)的需要，表面最終涂飾現(xiàn)已廣泛使用選擇性化學鎳金工藝，其兼顧有機可焊性保護層（organic solderability preservative，OSP）良好的焊接性及化學鎳金（electroless nickel immersion gold，ENIG）實現(xiàn)彈性接觸和導(dǎo)電散熱的優(yōu)點。

某公司在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，受選擇性化學鎳金油墨影響，白色文字油墨在回流焊后出現(xiàn)變色現(xiàn)象，2021 年12 月，白色文字油墨發(fā)黃不良率達到了10.26%，同類產(chǎn)品不良率達到了82%。隨著選擇性化學鎳金油墨工藝越來越多，受影響的產(chǎn)品發(fā)生文字油墨變色的不良率越來越高，如圖1所示。如今，各行業(yè)對印制電路板（printed circuit board，PCB）產(chǎn)品的品質(zhì)要求越來越高，白色文字油墨應(yīng)具備適應(yīng)各種高溫、腐蝕環(huán)境的能力而不會發(fā)生變色。本文以改善選擇性化學鎳金工藝流程中文字變色不良現(xiàn)象為主要目標，通過對工藝流程、烘烤溫度、烘烤時間、油墨厚度、退膜后表面的殘留物等各方面進行研究，根據(jù)主要影響因子提出改善措施，以達到提高品質(zhì)、滿足客戶需求的目的。

圖1 文字變色不良率趨勢

1 選擇性化學鎳金工藝

使用選擇性化學鎳金熱固型油墨，通過網(wǎng)印的方式將需要做OSP 表面處理的焊盤覆蓋住，阻止其區(qū)域沉積化學鎳金層?；瘜W鎳金后使用NaOH 溶液將選擇性化學鎳金油墨去除，為后續(xù)加工OSP做準備［1］。

工藝流程：網(wǎng)印→烘烤→化學鎳金→退膜。

1.1 網(wǎng)印

通過網(wǎng)印的方式將選擇性化學鎳金油墨覆蓋至OSP焊盤上。

油墨的組成成分：酚醛樹脂、溶劑、固化劑、色粉、滑石粉、助劑。

主要元素成分：C、O、Mg、Si、Ti、Br。

1.2 烘烤

通過120 ℃高溫使油墨成分交聯(lián)成不溶的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大分子，形成具有一定硬度和附著力、可耐化學鎳金攻擊的保護膜。

1.3 化學鎳金

在銅表面附上一層均勻的無電解鎳皮膜，以便與無電解金進行置換反應(yīng)，將金析出。

主反應(yīng)：2Au（CN）2?+Ni→2Au+Ni2++4CN?。

1.4 退膜

使用NaOH 溶液將選擇性化學鎳金油墨去除，露出被保護的焊盤，其主要成分酚醛樹脂內(nèi)含有完整的酚羥基，呈弱酸性，且酚醛樹脂是通過縮聚反應(yīng)形成的，在強堿作用下會發(fā)生分子鍵斷裂，從而與表面分離。

2 文字油墨變色不良的分析

2.1 流程分析

在解析不良料號工藝流程過程中，選擇性化學鎳金流程都需要經(jīng)過預(yù)銑、蝕刻后退膜，這與常規(guī)的化金后退膜不同。異常板流程相比常規(guī)流程多出了預(yù)銑與蝕刻，常規(guī)流程標準工時為7.5 h，異常板流程標準工時為38 h，流程時間多了約30 h標準工時。

2.2 外觀分析

通過外觀觀察可以發(fā)現(xiàn)，選擇性化學鎳金油墨覆蓋的區(qū)域發(fā)生了嚴重的白色文字油墨發(fā)黃不良，而未覆蓋選擇性化學鎳金油墨的區(qū)域并沒有出現(xiàn)不良，由此可以初步確定，選擇性化學鎳金油墨是造成白色文字油墨發(fā)黃不良的主要因子，如圖2所示。

圖2 文字不良外觀

2.3 小結(jié)

通過以上兩項分析，可以判定選擇性化學鎳金油墨是造成白色文字油墨發(fā)黃不良的主要因素，下面將圍繞選擇性化學鎳金油墨進行分析研究。

3 試驗過程及結(jié)果

3.1 試驗設(shè)計

針對選擇性化學鎳金油墨的烘烤溫度、烘烤時間、油墨厚度及滯留時間進行試驗設(shè)計，見表1。

表1 選擇性化學鎳金試驗設(shè)計

試驗流程：選化印油→烘烤→退膜→回流焊爐→色差對比。

試驗分別選用兩款選化油墨（X-300 和Y-500）、UV 固化文字油墨（S-2000）和熱固化文字油墨（R-3000）進行交叉測試。為保證試驗結(jié)果的一致性，以色差測量儀顯示結(jié)果為準（ΔE＞2為發(fā)生變色）。

3.2 X-300 選化油墨與S-2000 文字油墨搭配正交試驗

本次試驗中，烘烤溫度（A）和油墨厚度（C）對造成文字油墨變色不良有一定的影響，為次要因子。滯留時間（D）影響最大，為主要因子。烘烤時間（B）不會造成文字油墨變色，見表2。

表2 X-300選化油墨與S-2000文字油墨搭配正交試驗

3.3 X-300 選化油墨與R-3000 文字油墨搭配正交試驗

熱固化文字油墨（R-3000）對比UV 固化文字油墨（S-2000）在受影響程度方面差異不大，由此可見，文字油墨性能對文字油墨變色不良的影響較小，見表3。

表3 X-300選化油墨與R-3000文字油墨搭配正交試驗

3.4 Y-500 選化油墨與S-2000 文字油墨搭配正交試驗

選擇性化學鎳金油墨Y-500對比X-300在滯留時間方面較優(yōu)，最長可滯留48 h，選擇性化學鎳金油墨的性能對文字油墨發(fā)生變色的影響較大，見表4。

表4 Y-500選化油墨與S-2000文字油墨搭配正交試驗

3.5 Y-500 選化油墨與R-3000 文字油墨搭配正交試驗

選擇性化學鎳金油墨Y-500 對不同文字油墨造成的影響差異不大，見表5。

表5 Y-500選化油墨與R-3000文字油墨搭配正交試驗

3.6 試驗結(jié)果

R越大，說明該因子的水平變化對試驗結(jié)果影響越大，因此從試驗結(jié)果可以看出，試驗中的主次影響因素排序為：滯留時間＞烘烤溫度＞油墨厚度＞烘烤時間。

（1）滯留時間為選擇性化學鎳金油墨使白色文字油墨發(fā)生變色不良的主要因子。

（2）從選擇性化學鎳金油墨及文字油墨搭配交叉測試中，可以看出選擇性化學鎳金油墨Y-500（滯留72 h 發(fā)生變色）比X-300（滯留36 h 發(fā)生變色）性能佳，能保持更長的滯留時間。

（3）不同的文字油墨受選擇性化學鎳金油墨影響差異不大。

（4）烘烤溫度、烘烤時間、油墨厚度各項工藝參數(shù)均不會造成文字油墨變色不良。

4 現(xiàn)象分析

通過試驗驗證與分析可知，滯留時間是導(dǎo)致文字變色不良發(fā)生的主要因子，下面分析選化油墨在一定的滯留時間后發(fā)生的變化及原因。

4.1 選化油墨滯留變化

選用銅面作為承載，在上面印制選化油墨，并根據(jù)3.6的試驗結(jié)果對比滯留16 h和36 h退膜后的變化。通過100 倍放大鏡和3 000 倍顯微鏡觀察滯留36 h 退膜，發(fā)現(xiàn)銅面有殘留的黑色物質(zhì)，該物質(zhì)微小到肉眼幾乎不可見。

4.2 元素分析

對兩個印制選化油墨后的銅面進行元素分析，滯留36 h 后的銅面元素相對于滯留16 h 后的銅面元素多出了硅（Si）元素，如圖3 和圖4 所示。而選擇性化學鎳金油墨主要成分中就含有硅。由此可以證明，選化油墨在滯留一定時間后退膜，會出現(xiàn)選化油墨殘留在表面的現(xiàn)象。

圖3 滯留36 h后銅面EDS分析

圖4 滯留16 h后銅面EDS分析

4.3 退膜參數(shù)測試

針對選化油墨殘留在表面的問題，對退膜速度、藥水濃度、壓力等參數(shù)進行測試，測試方案見表6。為保證測試結(jié)果的一致性，使用3 000 倍顯微鏡觀察退膜效果，退膜干凈用0 表示，退膜不凈用1表示，分別測試選化油墨滯留16 h和36 h的結(jié)果，見表7和表8。

表6 退膜參數(shù)試驗設(shè)計

表7 選化油墨滯留16 h后退膜測試

表8 選化油墨滯留36 h后退膜測試

通過測試可以得出，不同退膜參數(shù)對此類選化油墨殘留均未起到清除的作用。

4.4 選化油墨對文字油墨的影響試驗

通過以上測試可知，選化油墨在印制完成并滯留一段時間后，會有微小的黑色物質(zhì)殘留在油墨表面，且肉眼不可見。為確認上述測試結(jié)果，取一塊印有文字的板，在文字油墨上方撒上選化油墨粉末，通過回流焊，觀察是否會發(fā)生變色現(xiàn)象。經(jīng)過回流焊后，大塊的選化油墨均可脫落，剩余小塊及粉狀的選化油墨與文字油墨相融附著在文字表面。

通過100 倍鏡及3 000 倍鏡觀察文字表面，發(fā)現(xiàn)細微的選化油墨粉末與文字油墨完全相融，造成文字變色不良。

5 結(jié)語

5.1 原因小結(jié)

選擇性化學鎳金油墨在烘烤完成后，在沒有及時退膜的情況下，會造成退膜不凈，有細微的選化油墨殘留在文字表面，且肉眼不可見。

當未退膜干凈的產(chǎn)品經(jīng)過回流焊時，爐內(nèi)溫度高于油墨熔點，會使文字油墨和選化油墨相融，從而造成文字變色不良。

5.2 改善方案及措施

通過分析對比不同油墨交叉試驗，從烘烤溫度、烘烤時間、油墨厚度及滯留時間等幾方面工藝參數(shù)設(shè)計試驗驗證，從生產(chǎn)參數(shù)及工程設(shè)計方面提出解決方案，以改善文字油墨變色不良情況。

選用Y-500 選擇性化學鎳金油墨，選化油墨完成至退膜時間控制在48 h內(nèi)，可保證退膜效果。