化學(xué)鍍鎳/金中銅鎳分離的影響因子

劉夢(mèng)茹 崔冬冬 唐海波 張 勇

（生益電子股份有限公司，廣東 東莞 523127）

0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）在化學(xué)鍍鎳/金工藝過(guò)程中，底層銅與鎳層分離是涉及可靠性方面的缺陷之一，其為過(guò)程必需的檢驗(yàn)項(xiàng)，如果缺陷板應(yīng)用到產(chǎn)品上，將面臨元器件脫落等可焊性風(fēng)險(xiǎn)，因此必須杜絕該問(wèn)題的發(fā)生。

本公司在生產(chǎn)過(guò)程中使用A 系列及B 系列藥水時(shí)，均出現(xiàn)過(guò)銅鎳分離的問(wèn)題，影響較大，故本文對(duì)銅鎳分離問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 失效數(shù)據(jù)分析

1.1 失效表觀確認(rèn)

對(duì)過(guò)程中一些代表性的失效表觀情況進(jìn)行分析，如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，分離出現(xiàn)在孔環(huán)位置，焊盤(pán)位置未出現(xiàn)。

圖1 銅鎳分離

1.2 鍍層厚度測(cè)量

通過(guò)X射線測(cè)量分離位置金鎳厚，見(jiàn)表1。

表1 鍍層厚度分析 單位：μm

由表1 可見(jiàn)，分離位置基本無(wú)鎳，因此可確認(rèn)為銅鎳分離。

1.3 金相顯微鏡切片分析

對(duì)分離位置做金相顯微鏡切片分析，觀察分離位置孔口及孔內(nèi)的差異，如圖2所示。由圖2可以看出，孔口及孔內(nèi)分離位置為銅鎳交界面，故為銅鎳分離。

圖2 分離位置金相顯微鏡切片

1.4 FIB激光切割確認(rèn)

對(duì)銅鎳交界面進(jìn)行聚焦離子束（focus ion beam，F(xiàn)IB）激光切割，將鎳層與銅層界面放大到20 000倍，如圖3所示。由圖3可以看到，除鎳銅分離外在交界面未發(fā)現(xiàn)其他污染物。

圖3 銅鎳分離問(wèn)題板FIB分析結(jié)果（20 000倍）

1.5 鎳腐蝕確認(rèn)

對(duì)銅鎳剝離位置進(jìn)行電鏡分析，如圖4 所示。由圖4 可見(jiàn)，銅鎳分離位置處的鎳腐蝕良好，因此可以判斷銅鎳分離并非化鎳過(guò)程的異常原因。

1.6 結(jié)論

由失效數(shù)據(jù)分析可知，問(wèn)題點(diǎn)可以確定為銅鎳分離集中在孔環(huán)上，失效的問(wèn)題點(diǎn)與化鎳過(guò)程無(wú)關(guān)。

2 失效原因分析

2.1 產(chǎn)品的工藝流程

失效產(chǎn)品的工藝流程為：除油→水洗→微蝕→水洗→酸洗→水洗→酸洗→預(yù)浸→活化→酸洗→水洗→酸洗→水洗→化鎳→水洗→沉金→金回收→水洗→烘干。

由前面的失效數(shù)據(jù)分析可知，分離位置確認(rèn)為銅鎳分離，且與化鎳過(guò)程無(wú)關(guān)，因此可以判定問(wèn)題出現(xiàn)在化鎳之前，即除油到化鎳前的水洗流程。

2.2 產(chǎn)線狀態(tài)確認(rèn)

產(chǎn)線問(wèn)題共分為2種狀態(tài)：

（1）保養(yǎng)后生產(chǎn)1 d以上時(shí)出現(xiàn)孔環(huán)分離。更換除油到活化后的水洗后，無(wú)分離問(wèn)題，初步分析原因?yàn)樽霭暹^(guò)程中導(dǎo)致的藥水缸污染，問(wèn)題發(fā)生在4# B藥水沉金線。

（2）新開(kāi)缸生產(chǎn)存在分離問(wèn)題。初步分析原因?yàn)樾麻_(kāi)缸藥水存在污染問(wèn)題（來(lái)料異?；蚓€體本身的污染），問(wèn)題發(fā)生在1# A藥水沉金線。

2.3 初步原因分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)及流程分析可知，銅面與鎳面的結(jié)合力不足造成銅鎳分離。對(duì)銅鎳分離的影響因子分析如圖5所示。

圖5 銅鎳分離影響因子

確認(rèn)影響銅鎳分離的因子為除油、微蝕、活化、硫酸、水質(zhì)、銅面氧化、微蝕量不足等，需進(jìn)一步確認(rèn)哪些為強(qiáng)相關(guān)因子。其中：①水質(zhì)的問(wèn)題可通過(guò)電導(dǎo)率及pH 值進(jìn)行測(cè)試和判定，在實(shí)際驗(yàn)證過(guò)程中，水質(zhì)電導(dǎo)率≤20 μS/cm，pH 為6～8，結(jié)果均正常，未被污染，因此不再進(jìn)行驗(yàn)證。②眾所周知，銅面嚴(yán)重氧化及微蝕量［1］較小，導(dǎo)致粗糙度不足并產(chǎn)生分離問(wèn)題，因此不在試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)原料

（1）現(xiàn)有條件：①1#沉金線使用的A 藥水，搭配PC1816 微蝕劑（硫酸雙氧水體系［2］）及化學(xué)純（chemically pure，CP）級(jí)硫酸；②4#沉金線使用的B 藥水，搭配PC1816 微蝕劑及分析純?cè)噭╝nalytical reagent，AR）級(jí)硫酸；對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題可以通過(guò)交叉試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

（2）現(xiàn)狀：①1#A藥水開(kāi)缸后存在分離問(wèn)題；②4# B 藥水開(kāi)缸后做板無(wú)異常，連續(xù)做板1 d 以上，存在分離問(wèn)題；③生產(chǎn)過(guò)程中，除油、微蝕、活化存在交叉污染的情況。

3.2 儀器及設(shè)備

儀器及設(shè)備分別為鉆孔機(jī)、等離子體機(jī)、除膠線、沉銅線、黑影線、研磨機(jī)、回流焊、金相顯微鏡、元素分析儀等。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 針對(duì)新開(kāi)缸后存在的分離問(wèn)題驗(yàn)證

通過(guò)1#及4# 2 條線的交叉驗(yàn)證可知，新開(kāi)缸的藥水為1#線酸洗異常導(dǎo)致的分離問(wèn)題的原因，見(jiàn)表2。

表2 新開(kāi)缸藥水分離驗(yàn)證方案及結(jié)果

對(duì)1#沉金線使用的CP 級(jí)硫酸及新批次的CP級(jí)硫酸進(jìn)行對(duì)比化驗(yàn)，見(jiàn)表3。由表3 可知，硫酸存在污染，導(dǎo)致銅鎳分離問(wèn)題。

表3 CP級(jí)硫酸主要雜質(zhì)化驗(yàn)對(duì)比 單位：%

4.2 針對(duì)連續(xù)做板過(guò)程中出現(xiàn)的分離研究

通過(guò)交叉試驗(yàn)對(duì)比可知，更換微蝕藥水或活化藥水均可以改善分離問(wèn)題，故可確認(rèn)PC1816微蝕藥水與B 活化藥水不匹配（硫酸雙氧水不同時(shí)期的咬蝕銅面粗糙程度不同），見(jiàn)表4。

表4 連續(xù)做板過(guò)程中分離驗(yàn)證方案及結(jié)果

PC1816 微蝕藥水的微蝕效果表觀電鏡圖如圖6 所示。由圖6 可知，PC1816 微蝕效果隨著做板量增加而變差（即咬蝕的銅面不夠粗糙），導(dǎo)致銅面與鈀的結(jié)合能力變差，從而導(dǎo)致銅鎳分離。

4.3 生產(chǎn)過(guò)程中的污染源

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)排查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在除油、微蝕、活化藥水（除油、微蝕、活化的正?？刂茲舛葹?3%、2%、8%）相互交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)在自動(dòng)添加過(guò)程中，添加盒內(nèi)的藥水可能被Ti（鈦探針）污染，活化藥水由無(wú)色透明變?yōu)樽仙?。因此?duì)Ti污染及藥水間的交叉污染進(jìn)行研究。

4.3.1 除油缸被污染的模擬測(cè)試

除油缸接中央加藥硫酸管道，且除油劑的自動(dòng)添加與微蝕、活化藥水的自動(dòng)添加并列排布，除油缸可能被硫酸、微蝕、活化藥水污染。設(shè)計(jì)試驗(yàn)為正常13%除油液中加入不同藥水，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5 可知，除油劑被硫酸、微蝕、活化藥水污染后，不會(huì)出現(xiàn)銅鎳分離問(wèn)題；被Ti污染后，存在分離問(wèn)題。

表5 除油劑被污染驗(yàn)證試驗(yàn)及結(jié)果

4.3.2 微蝕缸被污染的模擬測(cè)試

微蝕劑的自動(dòng)添加與除油、活化藥水的自動(dòng)添加并列排布，微蝕缸可能被除油、活化藥水污染。設(shè)計(jì)試驗(yàn)為正常2%微蝕液中加入不同藥水，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6 可知，微蝕劑被除油、活化及Ti污染后，均存在分離問(wèn)題。

表6 微蝕劑被污染驗(yàn)證試驗(yàn)及結(jié)果

4.3.3 活化缸被污染的模擬測(cè)試

活化的自動(dòng)添加與除油、微蝕藥水的自動(dòng)添加并列排布，活化缸可能被除油、微蝕藥水污染。設(shè)計(jì)試驗(yàn)為正常8%活化劑中加入不同藥水，結(jié)果見(jiàn)表7。由表7 可知，活化劑被除油劑污染后發(fā)生整板缺鍍的問(wèn)題；被微蝕劑、除油劑污染無(wú)銅鎳分離，說(shuō)明銅鎳分離與活化缸被除油與微蝕藥水污染無(wú)關(guān)；活化劑被Ti污染后，存在分離問(wèn)題。

表7 活化劑被污染驗(yàn)證試驗(yàn)及結(jié)果

4.4 結(jié)論

（1）不同的微蝕藥水體系與不同的化學(xué)鍍鎳/金藥水體系搭配，會(huì)影響銅面的結(jié)合力，主要為微蝕藥水后期咬蝕的銅面粗糙度不足導(dǎo)致。

（2）硫酸的純度影響銅面與鎳面的結(jié)合力，故在搭配沉金藥水時(shí)，優(yōu)先選擇AR級(jí)硫酸進(jìn)行匹配，減少外來(lái)雜質(zhì)的影響。

（3）Ti 材質(zhì)會(huì)被除油、微蝕（硫酸雙氧水體系）、活化藥水腐蝕，并污染上述藥水，導(dǎo)致銅面與鎳面結(jié)合力變差。

（4）微蝕缸被除油、活化藥水污染后，均存在分離問(wèn)題，主要為影響了銅面的粗糙度所導(dǎo)致。

（5）活化缸被除油、微蝕藥水污染后，不會(huì)導(dǎo)致分離問(wèn)題，但會(huì)導(dǎo)致缺鍍問(wèn)題。

5 改善方案及效果

針對(duì)銅鎳分離問(wèn)題，改善方案及效果見(jiàn)表8。

表8 銅鎳分離問(wèn)題改善方案及效果

6 結(jié)語(yǔ)

不同體系的微蝕藥水與化金藥水的匹配性、硫酸的純度、微蝕藥水的微蝕效果（污染或微蝕量不足導(dǎo)致）、金屬Ti的污染等，均會(huì)導(dǎo)致不同程度的化金銅鎳分離問(wèn)題。針對(duì)導(dǎo)致銅鎳分離的不同原因采取措施加以改善，可以很好地控制甚至消除銅鎳分離問(wèn)題。