PCB化学镍金及OSP工艺过程和特性剖析

　　本文主要对PCB外表处理工艺中两种最常用制程：化学镍金及OSP工艺过程和特向进行剖析。

　　1、化学镍金

　　1.1根本过程

　　脱脂→水洗→中和→水洗→微蚀→水洗→预浸→钯活化→吹气拌和水洗→无电镍→热水洗→ 无电金→收回水洗→后处理水洗→枯燥

　　1.2无电镍

　　A. 一般无电镍分为”置换式”与”自我催化”式其配方极多，但不管何者仍以高温镀层质量较佳

　　B. 一般常用镍盐为氯化镍(Nickel Chloride)

　　C. 一般常用复原剂有次磷酸盐类(Hypophosphite)/甲醛(Formaldehyde)/联氨 (Hydrazine)/硼氩化合物(Borohydride)/硼氢化合物(Amine Borane)

　　D. 螯合剂以柠檬酸盐(Citrate)最常见。

　　E. 槽液酸碱度需调整操控，传统运用氨水(Amonia)，也有配方运用三乙醇氨(Triethanol Amine)，除可调整PH及比氨水在高温下安稳，一起具有与柠檬酸钠结合共为镍金属螯合剂，使镍可顺畅有用地堆积于镀件上。

　　F. 选用次磷二氢钠除了可下降污染问题，其所含磷对镀层质量也有极大影率。

　　G. 此为化学镍槽其间一种配方。

　　配方特性剖析：

　　a. PH值影响：PH低于8会有混浊现像发作，PH高于10会有分化发作，对磷含量及沉 积速率及磷含量并无显着影响。

　　b.温度影响：温度影响分出速率很大，低于70°C反响缓慢，高于95°C速率快而无法操控.90°C最佳。

　　c.组成浓度中柠檬酸钠含量高，螯合剂浓度进步，堆积速率随之下降，磷含量则随螯合 剂浓度添加而升高，三乙醇氨体系磷含量乃至可高到15.5%上下。

　　d.复原剂次磷酸二氢钠浓度添加堆积速率随之添加，但超越0.37M后槽液有分化现像， 因而其浓度不行过高，过高反而有害。磷含量则和复原剂间没有清晰联系，因而一般 浓度操控在O.1M左右较洽当。

　　e.三乙醇氨浓度会影响镀层磷含量及堆积速率，其浓度增高磷含量下降堆积也变慢， 因而浓度坚持约0.15M较佳。他除了能够调整酸碱度也可作金属螯合剂之用

　　f.由讨论得知柠檬酸钠浓度作通当调整可有用改动镀层磷含量

　　H. 一般复原剂大分为两类：

　　次磷酸二氢钠(NaH2PO2H2O，Sodium Hypophosphate)系列及硼氢化钠(NaBH4，Sodium Borohydride)系列，硼氢化钠价贵因而市面上多以次磷酸二氢钠为主 一般公认反响为：

　　[H2PO2]- H2Oa H [HPO3]2- 2H(Cat) ———–(1)

　　Ni2 2H(Cat)a Ni 2H ———————————-(2)

　　[H2PO2]- H(Cat)a H2O OH- P———————-(3)

　　[H2PO2]- H2Oa H [HPO3]2- H2——————(4)

　　铜面多呈非活化性外表为使其发作负电性以到达”启镀”之目铜面采先长无电钯方法反响中有磷共析故，4-12%含磷量为常见。故镍量多时镀层失掉弹性磁性，脆性光泽添加，有利防锈晦气打线及焊接。

　　1.3无电金

　　A. 无电金分为”置换式镀金”与”无电金”前者便是所谓”浸镀金”(lmmersion Gold plaTIng) 镀层薄且底面镀满即中止。后者承受复原剂供给电子故可使镀层持续增厚无电镍。

　　B. 复原反响示性式为：复原半反响：Au e- Au0 氧化半反响式: Reda Ox e- 全反响式:：Au Red aAu0 Ox.

　　C. 化学镀金配方除供给黄金来历错合物及促进复原复原剂，还有必要并用螯合剂、安靖剂、缓冲剂及膨润剂等才干发挥功效。

　　D. 部份研究报告显现化学金功率及质量改进，复原剂选用是要害，前期甲醛到近期硼氢化合物，其间以硼氢化钾最遍及作用也佳，若与他种复原剂并用作用更抱负。代表反响式如后：

　　复原半反响：Au(CN)-2 e-a Au0 2CN-

　　氧化半反响式：BH4- H2O a BH3OH- H2

　　BH3OH- 30H- a BO2- 3/2H2 2H20 3e-

　　全反响式：BH3OH” 3AU(CN)z” 30H-， BOz吐 /2Hz 2H，0 3Auo　 6CN-

　　E. 镀层之堆积速率随氢氧化钾及复原剂浓度和槽温进步而进步，但随氰化钾浓度添加而下降。

　　F. 已商业化制程操作温度多为9O℃左右，对资料安靖性是一大检测。

　　G. 细线路底材上若发作横向生长或许发作短路风险

　　H. 薄金易有疏孔易构成Galvanic Cell Corrosion K。薄金层疏孔问题可经由含磷后处理钝化方法处理。

　　1.4制程要点：

　　A. 碱性脱脂：

　　为避免钯堆积时向横向分散，初期运用柠檬酸系清洁剂。后因绿漆有疏水性，且碱性清洁剂作用又较佳，一起为避免酸性清洁剂或许构成铜面钝化，故采磷酸盐系直炼非离子性清洁剂，以简单清洗为诉求。

　　B. 微蚀：

　　其目在去除氧化取得新鲜铜面，一起到达肯定粗度约0.5-1.0μm之铜面，使得镀镍金后仍能取得恰当粗度，此成果有助打线时之拉力。配槽以SPS 150g/l加少数盐酸，以坚持氯 离子约2OOppm 为准则，以进步蚀刻功率。

　　C. 铜面活化处理：

　　钯约3ppm，操作约40℃，一分钟，因为氯化钯对铜面钝化比硫化钯为快，为得较好镍结合力自然是硫化钯较恰当。因为钯作用一起会有少数Cu 会发作，它或许复原成Cu也或许 氧化成Cu ，若成为铜原子则堆积会影响钯复原。为使钯复原顺畅须有吹气拌和，风量约 为0./~O.15M3/M2*min以上，促进亚铜离子氧化并释出电子以复原钯，完结无电镍堆积动作。

　　D. 活化后水洗：

　　为避免镍层分散，铲除线路间之残钯至为重要，除激烈水洗也有人用稀盐酸浸渍以转化死角硫化钯避免镍分散。为促进镍复原，热水预浸将有助于生长及均匀性，其主意在进步活 性使巨细面积及凹凸电压差皆因进步活性而使差异变小以到达均一目。

　　E. 无电镍：

　　操作温度85±5℃ ，PH4.5~4.8，镍浓度约为4.9~5.1 g/l间，槽中应坚持镍浓度低于5.5 ，不然有氢氧化堆积或许，若低于4.5g/l则镀速会减慢，正常分出应以15μm/Hr，Bath loading则应坚持约0.5~1.5)dM2/l，镀液以5 g/l为规范镍量通过5个Turn即有必要更槽不然分出镍质量会变差。镍槽能够316不锈钢制造，槽体事先以50%硝酸钝化，并以槽壁 外加电解阳极以避免镍堆积，阴极可接于拌和叶通以0.2~0.4 A/M2(0.018~0.037 ASF)低 电流，但须留意不能在桨叶区发作气泡不然代表电流太强或镍镀层太厚有必要烧槽。建浴操 作应保持在PH=5~4.7间，可用NaOH或H2S04调整，PH低于4.8会呈现混浊，槽液老化PH 操作规模也会逐步进步才干保持正常分出速度。因线路底部为死角，易留置反响后所留残碱，因而对绿漆或许发作晦气影响，有必要以加强拌和及轰动使残碱及气泡去除。

　　F. 无电镍磷含量：

　　一般无电镍多以”次磷酸二氢钠”为复原剂，故镀层会含有一定量磷约4~6%，且部份呈结晶状。苦含量在6~8% 中含量则大都呈非结晶状，当高达12%以上则简直全呈非结晶安排。就打线而言，中磷含量及硬度在500~600HV最佳，焊锡性也以9%最好。一般在添加四回后分出磷含量就会到达10%应考虑换槽，打线用厚度应在130μ以上。

　　G. 无电金：

　　以柠檬酸为错合剂化学金槽，含金5g/l，槽体以PP为原料。PH=5.1~5.3时可与铜作用，PH=4.5~4.8时可与镍作用实施镀金，PH能够柠檬酸调整之。一般操作温度在85℃，厚度简直会中止在2.5μ”左右，大约五分钟就可到达此厚度，高温度当然可加快生长但因结晶粗反而防蚀才能较差。因为多半采置换反响，因而会有不少镍溶入液中，杰出办理最好不要让镍浓度超越2OOppm，到40Oppm时金属外观及附着力都变差，药水乃至变绿变黑，此刻有必要更槽。金槽对铜离子极灵敏，2Oppm以上分出就会减缓，一起会导致应力增大。镀镍后也不宜久置，避免因钝化而无法析镀，故镍后水洗完应尽速进入金槽，有时为了特定情况则作10%柠檬酸浸泡再进入金槽也能改进一些结合力。

　　经镀金后镀面仍不免有部份疏孔，此镀件经水洗后仍应经一道封孔处理，如此可使底层镍经有机磷处理添加其耐蚀性。

　　2、OSP

　　OSP是Organic Solderability PreservaTIves 简称，中译为有机保焊膜，又称护铜剂，英文亦称之Preflux，本文就以护铜剂称之。

　　2.1 品种及流程介绍

　　A. BTA(苯骈三氯唑)：BENZOTRIAZOLE

　　BTA是白色带淡黄无嗅之晶状细粉，在酸碱中都很安靖，且不易发作氧化复原反响，能与金属构成安靖化合物。ENTHON将之溶于甲醇与水溶液中出售，作铜面抗氧化剂(TARNISH AND OXIDE RESIST)，产品名为CU-55及CU-56，经CU-56处理之铜面可发作保护膜，避免裸铜敏捷氧化。操作流程如表14.1。

　　B. AI(烷基咪唑) ALKYLIMIDAZOLE PREFLUX是前期以ALKYLIMIDAZOLE作为护铜剂而开端，由日本四国化学公司首要开发之产品，于1985年申请专利，用于蚀刻阻剂(ETCHING RESIST)，但因为色呈通明检测不易，未很多运用。这以后推出GLICOAT等，系由其衍生而来。

　　GLICOAT-SMD(E3)具以下特性：

　　－与助焊剂相容，保持杰出焊锡性

　　－可耐高热焊锡流程

　　－避免铜面氧化

　　C. ABI (烷基苯咪唑) ALKYLBENZIMIDZOLE

　　由日本三和公司开发，品名为CUCOAT A ，为一种耐湿型护铜剂。能与铜原子发作错合物 (COMPLEX COMPOUND)，避免铜面氧化，与各类锡膏皆相容，对焊锡性有正面作用。

　　D.现在市售相关产品有以下几种代表厂家：

　　醋酸调整体系：

　　GLICOAT-SMD (E3) OR (F1)

　　WPF-106A (*URA)

　　ENTEK 106A (ENTHON)

　　MEC CL-5708 (MEC)

　　MEC CL-5800(MEC)

　　甲酸调整体系：

　　SCHERCOAT CUCOAT A

　　KESTER

　　多半药液为使生长速率快而升温操作，水因之蒸腾快速，PH操控不易，当PH进步时会导致MIDAZOLE不溶而发作结晶，须将PH调回。一般选用醋酸(A*IC ACID)或甲酸 (FORMIC ACID)调整。

　　2.2有机保焊膜一般约0.4μm厚度就能够到达屡次熔焊目，尽管廉价及操作单纯，但有以下缺陷：

　　A. OSP通明不易丈量，目视亦难以查看

　　B. 膜厚太高晦气于低固含量，低活性免洗锡膏作业，有利于焊接之Cu6Sn5 IMC也不易构成

　　C. 屡次拼装都有必要在含氮环境下操作

　　D. 若有部分镀金再作OSP，则或许在其操作槽液中所含铜会堆积于金上，对某些产品会构成问题

　　E. OSP Rework有必要特别当心