PCB化學鎳金及OSP工藝步驟和特性分析

本文主要對PCB表面處理工藝中兩種最常用制程：化學鎳金及OSP工藝步驟和特向進行分析。

1、化學鎳金

1.1基本步驟

脫脂→水洗→中和→水洗→微蝕→水洗→預浸→鈀活化→吹氣攪拌水洗→無電鎳→熱水洗→ 無電金→回收水洗→后處理水洗→干燥

1.2無電鎳

A. 一般無電鎳分為"置換式"與"自我催化"式其配方極多，但不論何者仍以高溫鍍層質(zhì)量較佳

B. 一般常用鎳鹽為氯化鎳(Nickel Chloride)

C. 一般常用還原劑有次磷酸鹽類(Hypophosphite)/甲醛(Formaldehyde)/聯(lián)氨 (Hydrazine)/硼氬化合物(Borohydride)/硼氫化合物(Amine Borane)

D. 螯合劑以檸檬酸鹽(Citrate)最常見。

E. 槽液酸堿度需調(diào)整控制，傳統(tǒng)使用氨水(Amonia)，也有配方使用三乙醇氨(Triethanol Amine)，除可調(diào)整PH及比氨水在高溫下穩(wěn)定，同時具有與檸檬酸鈉結(jié)合共為鎳金屬螯合劑，使鎳可順利有效地沉積于鍍件上。

F. 選用次磷二氫鈉除了可降低污染問題，其所含磷對鍍層質(zhì)量也有極大影率。

G. 此為化學鎳槽其中一種配方。

配方特性分析：

a. PH值影響：PH低于8會有混濁現(xiàn)像發(fā)生，PH高于10會有分解發(fā)生，對磷含量及沉 積速率及磷含量并無明顯影響。

b.溫度影響：溫度影響析出速率很大，低于70°C反應緩慢，高于95°C速率快而無法控制.90°C最佳。

c.組成濃度中檸檬酸鈉含量高，螯合劑濃度提高，沉積速率隨之下降，磷含量則隨螯合 劑濃度增加而升高，三乙醇氨系統(tǒng)磷含量甚至可高到15.5%上下。

d.還原劑次磷酸二氫鈉濃度增加沉積速率隨之增加，但超過0.37M后槽液有分解現(xiàn)像， 因此其濃度不可過高，過高反而有害。磷含量則和還原劑間沒有明確關(guān)系，因此一般 濃度控制在O.1M左右較洽當。

e.三乙醇氨濃度會影響鍍層磷含量及沉積速率，其濃度增高磷含量降低沉積也變慢， 因此濃度保持約0.15M較佳。他除了可以調(diào)整酸堿度也可作金屬螯合劑之用

f.由探討得知檸檬酸鈉濃度作通當調(diào)整可有效改變鍍層磷含量

H. 一般還原劑大分為兩類：

次磷酸二氫鈉(NaH2PO2H2O，Sodium Hypophosphate)系列及硼氫化鈉(NaBH4，Sodium Borohydride)系列，硼氫化鈉價貴因此市面上多以次磷酸二氫鈉為主 一般公認反應為：

[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)

銅面多呈非活化性表面為使其產(chǎn)生負電性以達到"啟鍍"之目銅面采先長無電鈀方式反應中有磷共析故，4-12%含磷量為常見。故鎳量多時鍍層失去彈性磁性，脆性光澤增加，有利防銹不利打線及焊接。

1.3無電金

A. 無電金分為"置換式鍍金"與"無電金"前者就是所謂"浸鍍金"(lmmersion Gold plating) 鍍層薄且底面鍍滿即停止。后者接受還原劑供應電子故可使鍍層繼續(xù)增厚無電鎳。

B. 還原反應示性式為：還原半反應：Au e- Au0 氧化半反應式: Reda Ox e- 全反應式:：Au Red aAu0 Ox.

C. 化學鍍金配方除提供黃金來源錯合物及促成還原還原劑，還必須并用螯合劑、安定劑、緩沖劑及膨潤劑等才能發(fā)揮效用。

D. 部份研究報告顯示化學金效率及質(zhì)量改善，還原劑選用是關(guān)鍵，早期甲醛到近期硼氫化合物，其中以硼氫化鉀最普遍效果也佳，若與他種還原劑并用效果更理想。代表反應式如后：

還原半反應：Au(CN)-2 e-a Au0 2CN-

氧化半反應式：BH4- H2O a BH3OH- H2

BH3OH- 30H- a BO2- 3/2H2 2H20 3e-

全反應式：BH3OH" 3AU(CN)z" 30H-， BOz吐 /2Hz 2H，0 3Auo6CN-

E. 鍍層之沉積速率隨氫氧化鉀及還原劑濃度和槽溫提高而提升，但隨氰化鉀濃度增加而降低。

F. 已商業(yè)化制程操作溫度多為9O℃左右，對材料安定性是一大考驗。

G. 細線路底材上若發(fā)生橫向成長可能產(chǎn)生短路危險

H. 薄金易有疏孔易形成Galvanic Cell Corrosion K。薄金層疏孔問題可經(jīng)由含磷后處理鈍化方式解決。

1.4制程重點：

A. 堿性脫脂：

為防止鈀沉積時向橫向擴散，初期使用檸檬酸系清潔劑。后因綠漆有疏水性，且堿性清潔劑效果又較佳，同時為防止酸性清潔劑可能造成銅面鈍化，故采磷酸鹽系直煉非離子性清潔劑，以容易清洗為訴求。

B. 微蝕：

其目在去除氧化獲得新鮮銅面，同時達到絕對粗度約0.5-1.0μm之銅面，使得鍍鎳金后仍能獲得相當粗度，此結(jié)果有助打線時之拉力。配槽以SPS 150g/l加少量鹽酸，以保持氯 離子約2OOppm 為原則，以提高蝕刻效率。

C. 銅面活化處理：

鈀約3ppm，操作約40℃，一分鐘，由于氯化鈀對銅面鈍化比硫化鈀為快，為得較好鎳結(jié)合力自然是硫化鈀較適當。由于鈀作用同時會有少量Cu 會產(chǎn)生，它可能還原成Cu也可能 氧化成Cu ，若成為銅原子則沉積會影響鈀還原。為使鈀還原順利須有吹氣攪拌，風量約 為0./~O.15M3/M2*min以上，促使亞銅離子氧化并釋出電子以還原鈀，完成無電鎳沉積動作。

D. 活化后水洗：

為防止鎳層擴散，清除線路間之殘鈀至為重要，除強烈水洗也有人用稀鹽酸浸漬以轉(zhuǎn)化死角硫化鈀防止鎳擴散。為促進鎳還原，熱水預浸將有助于成長及均勻性，其想法在提高活 性使大小面積及高低電壓差皆因提高活性而使差異變小以達到均一目。

E. 無電鎳：

操作溫度85±5℃ ，PH4.5~4.8，鎳濃度約為4.9~5.1 g/l間，槽中應保持鎳濃度低于5.5 ，否則有氫氧化沉淀可能，若低于4.5g/l則鍍速會減慢，正常析出應以15μm/Hr，Bath loading則應保持約0.5~1.5)dM2/l，鍍液以5 g/l為標準鎳量經(jīng)過5個Turn即必須更槽否則析出鎳質(zhì)量會變差。鎳槽可以316不銹鋼制作，槽體事先以50%硝酸鈍化，并以槽壁 外加電解陽極以防止鎳沉積，陰極可接于攪拌葉通以0.2~0.4 A/M2(0.018~0.037 ASF)低 電流，但須注意不能在槳葉區(qū)產(chǎn)生氣泡否則代表電流太強或鎳鍍層太厚必須燒槽。建浴操 作應維持在PH=5~4.7間，可用NaOH或H2S04調(diào)整，PH低于4.8會出現(xiàn)混濁，槽液老化PH 操作范圍也會逐漸提高才能維持正常析出速度。因線路底部為死角，易留置反應后所留殘堿，因此對綠漆可能產(chǎn)生不利影響，必須以加強攪拌及震動使殘堿及氣泡去除。

F. 無電鎳磷含量：

一般無電鎳多以"次磷酸二氫鈉"為還原劑，故鍍層會含有一定量磷約4~6%，且部份呈結(jié)晶狀。苦含量在6~8% 中含量則多數(shù)呈非結(jié)晶狀，當高達12%以上則幾乎全呈非結(jié)晶組織。就打線而言，中磷含量及硬度在500~600HV最佳，焊錫性也以9%最好。一般在添加四回后析出磷含量就會達到10%應考慮換槽，打線用厚度應在130μ以上。

G. 無電金：

以檸檬酸為錯合劑化學金槽，含金5g/l，槽體以PP為材質(zhì)。PH=5.1~5.3時可與銅作用，PH=4.5~4.8時可與鎳作用實行鍍金，PH可以檸檬酸調(diào)整之。一般操作溫度在85℃，厚度幾乎會停止在2.5μ"左右，大約五分鐘就可達到此厚度，高溫度固然可加快成長但因結(jié)晶粗反而防蝕能力較差。由于大半采置換反應，因此會有不少鎳溶入液中，良好管理最好不要讓鎳濃度超過2OOppm，到40Oppm時金屬外觀及附著力都變差，藥水甚至變綠變黑，此時必須更槽。金槽對銅離子極敏感，2Oppm以上析出就會減緩，同時會導致應力增大。鍍鎳后也不宜久置，以免因鈍化而無法析鍍，故鎳后水洗完應盡速進入金槽，有時為了特定狀況則作10%檸檬酸浸泡再進入金槽也能改善一些結(jié)合力。

經(jīng)鍍金后鍍面仍難免有部份疏孔，此鍍件經(jīng)水洗后仍應經(jīng)一道封孔處理，如此可使底層鎳經(jīng)有機磷處理增加其耐蝕性。

2、OSP

OSP是Organic Solderability Preservatives 簡稱，中譯為有機保焊膜，又稱護銅劑，英文亦稱之Preflux，本文就以護銅劑稱之。

2.1 種類及流程介紹

A. BTA(苯駢三氯唑)：BENZOTRIAZOLE

BTA是白色帶淡黃無嗅之晶狀細粉，在酸堿中都很安定，且不易發(fā)生氧化還原反應，能與金屬形成安定化合物。ENTHON將之溶于甲醇與水溶液中出售，作銅面抗氧化劑(TARNISH AND OXIDE RESIST)，商品名為CU-55及CU-56，經(jīng)CU-56處理之銅面可產(chǎn)生保護膜，防止裸銅迅速氧化。操作流程如表14.1。

B. AI(烷基咪唑) ALKYLIMIDAZOLE PREFLUX是早期以ALKYLIMIDAZOLE作為護銅劑而開始，由日本四國化學公司首先開發(fā)之商品，于1985年申請專利，用于蝕刻阻劑(ETCHING RESIST)，但由于色呈透明檢測不易，未大量使用。其后推出GLICOAT等，系由其衍生而來。

GLICOAT-SMD(E3)具以下特性：

－與助焊劑相容，維持良好焊錫性

－可耐高熱焊錫流程

－防止銅面氧化

C. ABI (烷基苯咪唑) ALKYLBENZIMIDZOLE

由日本三和公司開發(fā)，品名為CUCOAT A ，為一種耐濕型護銅劑。能與銅原子產(chǎn)生錯合物 (COMPLEX COMPOUND)，防止銅面氧化，與各類錫膏皆相容，對焊錫性有正面效果。

D.目前市售相關(guān)產(chǎn)品有以下幾種代表廠家：

醋酸調(diào)整系統(tǒng)：

GLICOAT-SMD (E3) OR (F1)

WPF-106A (*URA)

ENTEK 106A (ENTHON)

MEC CL-5708 (MEC)

MEC CL-5800(MEC)

甲酸調(diào)整系統(tǒng)：

SCHERCOAT CUCOAT A

KESTER

大半藥液為使成長速率快而升溫操作，水因之蒸發(fā)快速，PH控制不易，當PH提高時會導致MIDAZOLE不溶而產(chǎn)生結(jié)晶，須將PH調(diào)回。一般采用醋酸(A*IC ACID)或甲酸 (FORMIC ACID)調(diào)整。

2.2有機保焊膜一般約0.4μm厚度就可以達到多次熔焊目，雖然廉價及操作單純，但有以下缺點：

A. OSP透明不易測量，目視亦難以檢查

B. 膜厚太高不利于低固含量，低活性免洗錫膏作業(yè)，有利于焊接之Cu6Sn5 IMC也不易形成

C. 多次組裝都必須在含氮環(huán)境下操作

D. 若有局部鍍金再作OSP，則可能在其操作槽液中所含銅會沉積于金上，對某些產(chǎn)品會形成問題

E. OSP Rework必須特別小心