S-075
程刘锁
（深南电路有限公司，广东 深圳 518053）
摘 要 本文主要分析了造成化学镍金工艺中因阻焊特殊设计问题导致漏镀的原理，发现当板件孔内残余除油剂、微蚀液以及硫酸铜时会对活化钯的沉积造成干扰，并由此提出提高活化前各药水槽及水洗槽的开缸频率增强清洗效果，从而大大降低了漏镀的报废率。 关 键 词 化学镍金；漏镀；活化
The Principle Analysis and Improvement Measures of Skip Plating in ENIG
CHENG Liu-suo
Abstract This article mainly analyzes the cause of Skip Plating in ENIG, because of its spe
cial resistance welding design, we found that when vias in board have residual except cleaner, micro etching liquid and copper sulfate will cause interference to activation of the palladium deposition, and thus put forward to improve activation before the medicine water tank and water tank open cylinder frequency enhance the cleaning effect, thus greatly reduces the skip plating scrap rate.
Key words：ENIG; Skip plating; Activation
1 前言
化学镍金又叫做化学沉镍金或者沉镍浸金，行业内常称为无电镍金（Elestrolss Nickel Imnersion Gold）。PCB化学镍金是指在裸铜表面上利用化学方法镀上一层镍，然后再化学浸金的一种可焊性的表面涂覆工艺，它不但有良好的接触导通性，又兼有良好的装配焊接性能，同时它还可以与其他表面涂覆（例如化学表面抗氧化）配合使用，因此随着电子行业的不断更新发展，化学镍金工艺越来越受到客户的青睐[1-2]。
2 漏镀板件类型分析
2.1 现象分析
一直以来，漏镀是困扰化学镍金生产工序的大难题，因漏镀板件返工风险较高，大部分时候就直接报废处理，所以很多时候漏镀成为了影响生产工序品质的关键因素。
从历次漏镀的情况分析，漏镀外观现象以及对应切片图或EDS元素分析表）如下[3]：
图1 漏镀现象1
图2 漏镀现象2
图3 漏镀现象3
图4 漏镀现象4
表1漏镀现象及原因分析
序号 | 现象 | 板件设计 | 原因简析 |
图1 | 板面片状漏铜 | / | EDS元素分析含有阻焊油墨成分元素C、O、Si筋膜仪，可以认为是铜面显影不净或存在脏物 |
图2 | 小孔及与之相连接小焊盘 | 阻焊油墨单面覆盖 | 油墨单面覆盖形成盲孔状，药水交换不良 |
图3 | BGA密集区，个别BGA漏镀 | 过孔半塞孔 | 半塞孔形成盲孔状，药水交换不良 |
图4 | 侧壁金属化及与之相连的焊盘 | 侧壁金属化 | 侧壁金属化钻孔时导槽壁拉裂，渗入药水，清洗不净 |
| | | |
从一直以来漏镀的现象分析，主要有以下共性：
（1）发生漏镀的焊盘绝大多数都是与塞孔或半塞孔相连，并且塞孔存在塞孔不良现象；
（2）只要发生漏镀，与此焊盘有电气互连的PAD均会同时发生漏镀；
（3）高厚径比的板发生漏镀的概率比一般板件大很多。
2.2 影响因素分析
众所周知，影响化金漏镀因素如下图：
来料
绿油与沉金药水不匹配 活化
阻焊半塞孔、单面
覆盖、塞孔不良
铜面受污染 活化不足（浓度、温度、时间）
漏镀
活性低（负载、温度、PH值低） 活化后水洗缸被污染
活化后水洗时间过长
镍缸污染（稳定剂超标）
活化后水洗
镍缸
图5 漏镀镍鱼骨分析图
对于上图中活化、镍缸、活化后水洗等造成漏镀的原因，一般情况下可以通过在实际生产情况下优化调整生产条件来控制。但是，对于由于绿油塞孔不良、阻焊油墨单面覆盖、阻焊半塞孔的情况下引发的漏镀，一般方法往往较难控制到一个理想的效果，以下主要从原理上分析产生漏镀的原因，并通过实验验证，最后提出改善措施。
2.3 漏镀原理分析
我公司使用的是深圳市成功科技的药水体系，化金工艺流程如下：
前处理：微蚀—溢流水洗—磨板—水洗—烘干
化金线：除油—热水洗—单水洗—微蚀—双水洗—酸洗—单水洗—预浸—活化—后浸1—后浸2—双水洗—化学镍—双水洗—文件传输解决方案浸金—金回收—双水洗
化金线各个药水槽的主要作用以及药水成分如下：
表2 各个药水槽的主要作用以及药水成分
药水槽 | 主要成分 | 主要作用 | 主要原理 |
除油 | 有机酸、非离子型表面活性剂 | 去除铜面氧化物、润湿铜面 | CuO + 2 H+ → Cu2+ + H2O |
微蚀 | 过硫酸钠、硫酸 | 去除铜面氧化物、粗化铜面 | Na2S2O8+Cu+ H2SO4 → CuSO4 + H2O+ Na2SO4 |
抓鸡工具酸洗 | 硫酸 | 去除铜面氧化物 | CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O |
预浸 | 硫酸 | 维持活化槽酸度使铜面在新鲜状态下进入活化 | CuO + H2SO4 → CuSO4 + H火力发电厂土建结构设计技术规定2O |
活化 | 硫酸钯、硫酸、稳定剂 | | Cu + Pd2+ → Cu2++ Pd |
后浸 | 硫酸 | 清洗板面 | \ |
化学镍 | 硫酸镍、次磷酸二氢钠、错合剂、pH 调整剂、稳定剂 | 化学镀镍 | Ni2++2H2PO2-+2H2O--Ni+2HPO32-+4H++H2 4H2PO2----2HPO32-+2P+2H2O+H2 |
浸金 | 柠檬酸、氰化亚金钾、稳定剂 | 化学镀金 | Ni + Au(CN)2- → Ni2+ + Au + 2CN- |
| | | |
从各药水槽反应原理来看，造成漏镀主要有两个根本性原因，第一，活化槽铜层未置换上一层金属钯，导致后续化学沉镍不良；第二，镍槽活性不足，沉镍不良。因此要分析由于绿油塞孔不良、阻焊油墨单面覆盖、阻焊半塞孔的情况下引发的漏镀，就需要着重从活化槽与镍槽反应原理剖析造成漏镀的主要机理。
2.3.1活化槽
活化槽的反应是一个化学置换反应，从反应动力学角度钯置换铜是一个自发进行的氧化还原反应，其半反应的标准电极电位如下：
Cu2+ + 2e- → Cu ,
Pd2+ + 2e- →Pd ,
Cu + Pd2+→ Cu2++ Pd，
则活化置换反应的标准电动势0，从而此反应在没有外界条件干扰的情况下，是一个自发进行的氧化还原反应。
我们知道，对于绿油塞孔不良、阻焊油墨单面覆盖、阻焊半塞孔的板件之所以容易漏镀，由于清洗不净、孔内藏药水原因。从整个工艺流程来看，孔内藏有的药水主要可能性有除油剂、微蚀液，而这两种药水槽的主要氧化剂又包括除油剂、酸性过硫酸钠、硫酸铜三种化学成分。
查阅相关文献得知，以上3种化学成分相对铜的标准电极电势如下（Ag/AgCl）：
表3 标准电极电势
氧化剂 | 电极电势/V | 反应原理 |
除油剂 | 0.03 | 成分比较复杂，暂不明确 |
酸性过硫酸钠 | 1.673 | 2H+ + Cu+ S2O82-=Cu2++2HSO4- |
硫酸铜 | 0.046 | Cu + Cu 2+= 2Cu+ |
| | |
反应原理图如下：
图6 原理分析图
从上表可以看出，导通孔铜与药水之间存在较高的电极电势差，这对钯的置换反应有很大的影响，尤其是孔内藏有微蚀药水时，钯的还原反应实际是处于停止状态，原因是由于孔内微蚀液与铜反应电极电位比钯的沉积电位高，其中导通孔铜充当阳极，发生阳极反应，并且整个导通孔以及与之相连的Pad是一个等势体，因此只要存在孔内药水与铜的反应，则与之相连的Pad均会出现漏镀现象。
2.3.2镍槽
化学镍的反应是一个化学自催化氧化还原反应，镍的沉积电极电位如下：
Ni2++2H(催化剂)→Ni↓+2H+（在催化表面上） ＝0.68V
从活化槽的分析原理可以看出，孔内藏有的药水同样对于镍沉积有影响，但从工艺流程来看，孔内藏药水影响最直接还是活化槽。
3 试验验证与改善措施
从以上原理分析，导致漏镀的主要根因就是当存在绿油塞孔不良、阻焊油墨单面覆盖、阻焊半塞孔时，孔内藏有除油剂、过硫酸钠、硫酸铜与铜发生氧化还原反应，对活化钯和镍的沉积造成干扰，最终引发孔内以及与孔相连的Pad漏镀。因此要彻底改善，就必须要保证在板件进入活化槽时，孔内残留药水清洗干净。
为验证如上分析原理，设计选择含密集BGA实验板，一面采用油墨单面覆盖，一面全部开窗，化镍后吊出，做如下验证试验：
表4 验证试验对比
序号 | 验证药水 | 试验方案 | 试验结果 |
1 | 除油剂 | 除油-水洗-活化-后浸-双水洗-镍槽 | NG |
2 | 微蚀液 | 微蚀-水洗-活化-后浸-双水洗-镍槽 | NG |
3 | 硫酸铜 | 白术提取物 预浸-活化-后浸-双水洗-镍槽 （预浸中Cu2+含量200ppm以上） | NG |
| | | |
从上述实验结果看与漏镀原理分析结果一致。影响孔内药水清洗效果的主要因素如下：（1）板件清洗时间；（2）清洗槽使用周期过长；（3）活化反应时间不足。
根据以上3种影响因素，考虑到水洗槽数量多，更改时间影响较大，因此不做变更，而将化金线活化前做如下优化，并与更改前做对比验证。
表5 活化前各清洗槽优化对比
流程 | 工业洗水机时间/s | 更改前开缸频率 | 更改后开缸频率 |
热水洗 | 120 | 每天 | 每班 |
水洗 | 90 | 每天 | 每班 |
双水洗 | 120 | 每天 | 每班 |
酸洗 | 90 | 约8-10天 | 每两天 |
水洗 | 90 | 每天 | 每班 |
预浸 | 60 | 约8-10天 | 每两天 |
活化 | 210 | 针对绿油塞孔不良、阻焊油墨单面覆盖、阻焊半塞孔活化延时2min |
后浸 | 85 | 每天 | 每班 |
双水洗 | 120 | 每天 | 每班 |
| | | |
改善前与改善后3周对比试验结果跟进图如下：
图7 改善后跟进结果图
从上表的改善结果来看，因为绿油塞孔不良、阻焊油墨单面覆盖、阻焊半塞孔问题导致的漏镀并不能杜绝，但整个改善之后漏镀报废率基本降低了一半，
4 结论
针对我司绿油塞孔不良、阻焊油墨单面覆盖、阻焊半塞孔导致的漏镀问题，本文从理论与
实验上验证了漏镀原理，结果表明因孔内残有除油剂、微蚀液、硫酸铜对活化反应有干扰作用，尤其是存在微蚀液时，整个活化反应都处于停止状态，极大的影响了活化钯的沉积。此外根据漏镀原理提出了改善活化前清洗措施，改善后漏镀报废率降低了一半，大大提高了工序品质。
参考文献
[1] 胡光辉,潘湛江,魏志刚.PCB化学镀镍漏镀现象分析[J].印制电路信息,2010 NO.6.
[2] 卫桂芳.化学沉镍金漏镀渗金的原因和措施 [J].印制电路信息,2004 NO.5.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议