前處理工藝對印刷線路板表面化學鍍鎳/置換鍍金層性能的影響

劉海萍, 畢四富, 李 寧

(哈爾濱工業大學(威海）海洋學院,山東威海 264209）

前處理工藝對印刷線路板表面化學鍍鎳/置換鍍金層性能的影響

劉海萍, 畢四富, 李 寧

(哈爾濱工業大學(威海）海洋學院,山東威海 264209）

分析了酸洗、微刻蝕及活化等前處理工藝對印刷線路板(PCB）表面化學鍍鎳/置換鍍金層性能的影響。結果表明:各前處理工序對PCB表面性能具有較大影響,在此基礎上得到了優化后的前處理工藝。

印刷線路板;化學鍍鎳;置換鍍金;前處理工藝

0 前言

化學鍍鎳/置換鍍金(ENIG）工藝是在印刷線路板(PCB）裸露的銅線路表面先進行化學鍍鎳,然后置換鍍金,以獲得鎳/金復合鍍層的工藝。鎳/金鍍層表面平坦,具有耐蝕性、導電性、可焊性好等優點,在各類高密度電子設備、表面貼裝技術中得到了廣泛應用[1-3]。

在對PCB進行化學鍍鎳/置換鍍金前,一般需要對其進行多種鍍前處理,以去除表面的油污、氧化物,獲得適合鍍覆的基體。針對ENIG工藝復雜、流程長,影響因素多的特點[4-5],本文以前期實驗所確定的中磷酸性化學鍍鎳和亞硫酸鹽鍍金體系作為化學鍍鎳和置換鍍金液[6-8],系統分析了ENIG前處理各工序(如酸洗、微刻蝕、活化等）的工藝參數的變化對PCB表面鎳/金鍍層性能的影響。

1 實驗

1.1 ENIG工藝流程及基本工藝參數

選用PCB及純銅試片作基體,對其先進行酸洗、微刻蝕、活化等基本前處理工序,而后進行化學鍍鎳,置換鍍金。其基本工藝流程為:酸洗微刻蝕預浸活化化學鍍鎳置換鍍金吹干,各步驟之間需要2～3道水洗。需加熱的前處理工序及化學鍍鎳和置換鍍金工序均在玻璃鍍槽中進行,采用恒溫水浴控制操作溫度。

化學鍍鎳的基本工藝組成為:硫酸鎳27 g/L,次磷酸鈉29 g/L,乳酸 20 mL/L,DL萃鎳酸12 g/L,穩定劑適量,p H值4.6～5.2,85～92℃。

置換鍍金的基本工藝組成為:亞硫酸金鈉2 g/L,亞硫酸鈉40 g/L,硫代硫酸鈉16 g/L,硼砂10 g/L,添加劑適量,p H值6.0～7.0,75～85℃。

1.2 測試方法

1.2.1 試樣外觀及微觀表面形貌

分別采用體視顯微鏡(MX-5040RZ）,電子掃描顯微鏡(SEM,TESCAN VEGA II）及原子力顯微鏡(AFM,Picoscan 2100）觀察化學鍍鎳層、置換鍍金層的表面形貌。

1.2.2 鎳/金鍍層結合力

采用美國3M Scotch 600型膠帶進行結合力測試。將膠帶在試片上壓牢,然后以垂直于試片表面的方向以一定的速率將膠帶剝離,觀察鍍層是否掉金;若鍍層掉金,則表明鍍層結合力不合格。

1.2.3 鍍金層SO2暴露測試

采用SO2暴露實驗檢測鍍金層的均勻性。在10 L的玻璃干燥器中先后加入200 mL 200 g/L的硫代硫酸鈉溶液及100 mL(1+1）稀硫酸;而后把鍍金試片放入容器內支架上,立即關閉容器,并輕輕搖動,使溶液充分混合,反應生成SO2氣體。試片放置與液面距離不小于75 mm,與容器內壁距離不小于25 mm。實驗24 h后取出試片,觀察試片表面變化。

2 結果與討論

2.1 酸洗

酸洗的目的是去除銅表面的輕度油污、氧化物及增加潤濕效果。本文采用 GT-210酸洗液,通過目視外觀法對比了20～50℃,1～10 min內銅表面的除油效果。結果表明:當溫度在25～35℃,時間為4～6 min時,能夠有效去除銅面油污,獲得光亮、清潔的表面。在35℃的條件下,酸洗前、后所得銅表面的形貌,如圖1所示。由圖1可知:酸洗前,表面發花,有污染;而酸洗5 min后,表面光亮,無油污及不潔之物,表明銅面已被清洗干凈。

圖1 酸洗前、后銅基體的表面形貌

2.2 微刻蝕

微刻蝕的目的為去除銅表面的氧化物,保持銅表面新鮮,形成粗糙表面,利于后續化學鍍鎳工藝的進行。微刻蝕前、后銅基體的表面形貌,如圖2所示,微刻蝕溶液由100 g/L的硫代硫酸鈉酸性溶液構成。由圖2可知:微刻蝕前,銅表面較平整;而在30℃,微刻蝕1 min后,銅表面明顯變粗糙,形成了許多分布均勻的毛刺狀突起,表明微刻蝕后銅的反應面積增大,有利于活化過程中Pd的沉積;同時微觀粗糙的表面也有利于后續化學鍍鎳層的沉積,提高Cu/Ni層間的結合力。

溫度和時間對銅表面微刻蝕的影響,如圖3和圖4所示。由圖3可知:溫度為20℃時,微刻蝕1 min后,表面比較平坦,只有很少區域被腐蝕;當溫度為30℃時,銅表面被均勻腐蝕,形成許多微小凹凸點;溫度過高,達到50 ℃時,銅表面不均勻,起伏過大,局部區域腐蝕嚴重,將不為利于形成均勻的化學鍍鎳層。由圖4可知:當時間為30 s時,銅表面只有很少區域被腐蝕;而增加腐蝕時間(1 min）,表面形成了均勻的凹凸點;時間進一步增大(3 min）,銅表面局部區域腐蝕過度。綜上所述,溫度在30～40 ℃,時間為1～2 min時,微刻蝕效果較好。

圖2 微刻蝕前、后的銅基體的表面形貌

圖3 不同溫度微刻蝕1 min后銅基體的表面形貌

圖4 相同溫度不同微刻蝕時間后銅基體的表面形貌

2.3 活化

活化的目的是在銅表面置換出一層鈀活性點,作為化學鍍鎳起始反應的催化晶核。本文選用30 mg/L的硫酸鈀酸性活化液,研究了溫度、時間對銅的微觀形貌及 PCB化學鍍鎳微觀形貌的影響。溫度對銅表面微觀形貌及PCB化學鍍鎳微觀形貌的影響,如圖5,圖6所示。

圖5 不同溫度下活化3 min后銅基體的表面形貌

圖6 不同溫度下活化3 min后PCB化學鍍鎳的表面形貌

由圖5,圖6可知:20℃時,銅表面只有少量區域被黑色覆蓋,表明只有少數區域有鈀活性點附著,PCB化學鍍鎳時有漏鍍現象;升高活化溫度至30～40℃時,銅表面呈大面積黑色外觀,表明形成了大量鈀活性點,PCB化學鍍鎳沒有出現漏鍍現象。

活化時間對銅表面微觀形貌及 PCB化學鍍鎳微觀形貌的影響,如圖7,圖8所示。由圖7,圖8可知:時間過短時(小于1 min）,銅表面所形成的活化點較少,PCB化學鍍鎳時存在漏鍍現象。

圖7 30℃不同活化時間處理后銅基體表面形貌

圖8 30℃不同活化時間處理后PCB化學鍍鎳的表面形貌

綜上所述,進行活化工序時,必須考慮活化程度的影響,若溫度過低、時間過短,在銅表面形成的活性點不夠,則易出現漏鍍現象;而溫度過高、時間過長,易導致過度活化,則易出現滲鍍現象,不應鍍鎳的線路也會鍍鎳,導致短路等問題。

3 結論

本文分析了各前處理工序對PCB表面化學鍍鎳/置換鍍金層性能的影響。結果表明:各前處理工序對鎳/金鍍層性能產生較大影響,得到了優化后的前處理工藝參數為:35℃下,酸洗5 min可有效清除銅面油污;在30～40℃,1～2 min條件下微刻蝕效果較好;在30～40℃條件下活化 3 min,所得PCB化學鍍鎳層無漏鍍現象。

[1] 朱冬生,胡韓瑩,王長宏,等.化學鍍鎳金及其溫度的影響[J].電鍍與涂飾,2008,27(6）:25-28.

[2] Milad G,Mayes R.Electroless nickel/immersion gold finishes for application to surface mount technology:A regenerative approach[J].Metal Finishing,1998,96(1）:42-46.

[3] 胡光輝,李大樹,黃奔宇,等.化學鍍鎳浸金金厚不均探究[J].材料保護,2006,39(7）:64-65.

[4] Snugovsky P,Arrowsmith P,Romansky M. Electroless Ni/immersion Au interconnects:Investigation of black pad in wire bonds and solder joints[J].Journal of Electronic Materials,2001,30(9）:1 263-1 270.

[5] Kim K H,Yu J,Kim J H.A corrosion couple experiment reproducing the black pad phenomenon found afterthe electrolessnickelimmersion gold process[J]. Scripta Materialia,2010,63(5）:508-511.

[6] 劉海萍,李寧,畢四富.聚乙烯亞胺對置換鍍金過程中鎳基體腐蝕的影響[J].稀有金屬材料與工程,2009,38(6）:1 087-1 090.

[7] Liu H P,Li N,Bi S F,et al.Effect of organic additives on the corrosion resistance properties of electroless nickel deposits[J].Thin Solid Films,2008,516(8）:1 883-1 889.

[8] 劉海萍,李寧,畢四富,等.無氰置換鍍金工藝的研究[J].電鍍與環保,2007,27(4）:26-28.

Effects of Pretreatment on Properties of Electroless Nickel/Immersion Gold Coating on PCB Surface

LIU H ai-ping, BI Si-fu, LI Ning
(School of the Ocean,Harbin Institute of Technology,Weihai 264209,China）

The effects of the pretreatment processes(such as acid cleaning,micro-etching and activation）on the properties of electroless nickel/immersion gold coating on the surface of printed circuited board(PCB）were analyzed.The results show that each of the pretreatment processes has a greater influence on the surface properties of PCB.On this basis,an optimal pretreatment process is obtained.

printed circuited board;electroless nickel plating;immersion gold;pretreatment process

哈爾濱工業大學(威海）研究基金(HIT(wh）XB200802）和中央高校基本科研業務費專項資金資助(項目資助編號 HIT.NSRIF.2009155）

TQ 153

A

1000-4742(2011）05-0020-04

2010-11-22

·化學轉化膜·