前处理对化学沉镍金金面外观影响的研究

邓 银 张胜涛

（重庆大学化学化工学院，重庆 400030）

苏新虹 陈 臣

（珠海方正印刷电路板发展有限公司，广东 珠海 519173）

金 轶 何 为

（电子科技大学微电子与固体电子学院，四川 成都 610054）

1 引言

化学沉镍金为印制电路板（PCB）的一种表面涂覆工艺，通过在铜面沉积镍金层，以保护铜面及提高可焊性。一般而言，化学沉镍金工艺要求形成的镀层较薄，镍层厚度为3 µm ～ 8 µm，金层厚度为0.05 µm ～ 0.2 µm。铜面形貌或轮廓势必会影响到金面的外观[1]，所以化学沉镍金制程中铜面的前处理方式是决定金面外观品质的关键。化学沉镍金制程中前处理的目的，一方面是除掉铜面油污、氧化、残留药水、水迹及异物等，提高铜面的清洁度；另一方面则是粗化铜面，增强化镍层与铜面的附着力以及提高工艺过程中干膜与铜面的结合力。

随着PCB制造技术的不断进步，客户不仅对PCB的性能要求越来越高，同时对于PCB的外观也提出了更加严格的要求。例如，针对采用化学沉镍金工艺的PCB，要求其金面外观无粗糙、异色、发白等不良现象。因此，本文通过SEM照片及表面粗糙度比较各种前处理方式对铜面的处理效果，并针对防焊制程后的PCB采用各种组合前处理方式处理之后进行化学沉镍金，对比金面外观品质及微观形貌，从而选取最好的全板化学沉镍金前处理方式。

前处理方式多种多样，本文主要介绍以下几种：

尼龙刷磨刷，滚轮依靠压力直接接触铜面与铜面发生机械摩擦，粗化铜表面，除去较厚的氧化层，但容易使薄板拉长、卷曲，造成定向划痕及耕地式沟槽，影响干膜附着力，产生渗镀等问题。

火山灰磨刷，先以低压使火山灰（悬浊液）喷至铜面再以尼龙刷磨刷。利用磨料切削铜面，提高铜面粗糙度，使铜面具有均匀的富峰粗化表面[1]。但易形成严重的铜面划痕，对线路冲击大，易造成断线。

喷砂，以高压方式将金刚砂（主要成分Al2O3颗粒）悬浊液喷射到铜面，达到粗化铜面，除去轻度氧化层及附在铜面上的异物的目的。

化学微蚀，利用酸性微蚀液与铜面发生化学反应，去除铜面氧化层并咬蚀微量铜，获得均匀的粗化铜面，提升表面活性能，但对于铜面有严重氧化及铜面有残留异物的较难去除[2][3]。较常用的为双氧水＋硫酸微蚀体系和过硫酸钠（SPS）＋硫酸微蚀体系，本文中采用SPS＋硫酸微蚀体系。

2 试验部分

2.1 试验材料及仪器

材料：电镀铜制程后的PCB测试板、防焊制程后的PCB测试板。

仪器：扫描电子显微镜（SEM，S-3400N），台阶测试仪（Alpha-step IQ surface pro fi ler）。

2.2 主要试验方法及试验参数

2.2.1 单一前处理粗化测试

采用垂直电镀铜后的4组PCB测试板，分别进行4种前处理，前处理方式依次编号为：（1）尼龙刷磨刷、（2）火山灰磨刷、（3）喷砂、（4）微蚀。通过扫描电子显微镜（SEM，S-3400N）及台阶测试仪对样品进行测试分析。

2.2.2 组合前处理

采用组合前处理方式可以互补单一前处理优缺点，以获得更好的铜面粗化效果。防焊制程的前处理为火山灰磨刷，测试中选择防焊制程后的8组PCB测试板，设计如下8种前处理方式，依次编号为：（1）无、（2）尼龙刷磨刷、（3）喷砂、（4）微蚀、（5）尼龙刷磨刷＋喷砂、（6）尼龙刷磨刷＋微蚀、（7）喷砂＋微蚀、（8）尼龙刷磨刷＋喷砂＋微蚀。

通过台阶测试仪测量处理后铜面粗糙度，同时利用扫描电子显微镜分析前处理后铜面形貌。在化学沉镍金流程后用目镜检测，并用扫描电子显微镜分析金面形貌。

化学沉镍金流程：PCB测试板→前处理→酸性清洗→微蚀→酸洗→预浸→钯活化→化学镀镍（20 min）→置换镀金（8 min）→后处理。

2.2.3 前处理条件参数

喷砂：金刚砂浓度17%，线速2.5 m/min，压力0.18 MPa（1.8 kgf/cm2）。

微蚀：SPS浓度72.47 g/L，Cu2+浓度10.6 g/L ，H2SO4浓度1.97%，线速4.0 m/min，上喷压力0.2 MPa，下喷压力0.18 MPa，温度38 ℃。

尼龙刷磨刷：尼龙刷（1200目），线速3.2 m/min，电流1.0 A。

火山灰磨刷：线速2.8 m/min，电流2.1 A，火山灰浓度25%，刷幅8 mm ～ 12 mm。

3 结果及讨论

3.1 单一前处理工艺对比

本文通过样品微观形貌及表面粗糙度来分析比较各种前处理的优劣。

3.1.1 微观形貌

电镀铜制程后的PCB测试板经过单一前处理后铜面SEM照片如图1所示。图1-①尼龙刷磨刷后铜面粗化均匀性最差，呈定向沟槽式划痕。图1-②火山灰磨刷后铜面粗化均匀性次之，呈现不规则犁状峰。图1-③喷砂和图1-④微蚀处理后铜面均匀性相对较好，各方向呈现一致的细峰表面。

图1 不同前处理后铜面 (×3000倍)

3.1.2 表面粗糙度

平均粗糙度（Roughness Average，Ra）是指在待测表面取样长度（L）中，针对中线（Mean Line）所出现的棱线起伏，计算其绝对值的算术平均数称为Ra，此值在PCB业界较常被用于表征表面粗糙度[4]。本试验测量中选择L＝1 mm，每个样品在X、Y方向（设定前处理线滚轮传输方向为X，与之垂直方向为Y）各测量5点Ra并计算平均值作为该方向的表面粗糙度，结果如图2所示。

图2 单一前处理后铜面粗糙度

用X与Y方向粗糙度差值大小比较表面粗糙度的均匀性，差值越大表明两个方向的粗糙度差异越大，表面粗化均匀性越差。与SEM图片结果一致，①尼龙刷磨刷X与Y方向粗糙度差异最大，表面粗化均匀性最差，②火山灰磨刷次之，③喷砂与④微蚀的粗化均匀性相对较好。

3.2 组合前处理工艺对比

3.2.1 微观形貌

各种组合前处理后铜面微观SEM照片如图3所示，微观形貌的描述见表1。

3.2.2 表面粗糙度

图4 组合前处理后铜面粗糙度

由于SEM图片无法量化表面粗化均匀性，则需根据粗糙度测试结果来进一步确定。由图4与图2相比可知，经过混合表面处理之后铜面粗糙度的均匀性比单一前处理好。图4中Y与X的差值大小表明，混合前处理后铜面粗化均匀性与SEM图片结果基本一致，由好到差样品编号依次是：④、⑦、⑧、⑤、①、③、⑥、②。

3.3 金面外观状况及微观形貌

3.3.1 金面外观状况

针对防焊制程后的PCB测试板采用组合前处理之后化学沉镍金，再用15X目镜目检后所得金面外观状况如表2所示。

表2 金面外观状况

从金面外观状况可知，不进行前处理的PCB铜面，因可能残存防焊油墨或胶迹等导致化金后出现金面露铜现象，这种外观不良对可焊性会造成不利影响。采用微蚀或喷砂＋微蚀前处理之后制得金面外观合格；经过喷砂、尼龙刷磨刷＋喷砂、尼龙刷磨刷＋喷砂＋微蚀前处理制得的金面存在轻微的粗糙和异色，但仍然在允收范围内；采用尼龙刷磨刷或者尼龙刷磨刷＋微蚀前处理制得的金面出现严重粗糙异色，因此不能采用这两种前处理方法。

3.3.2 金面微观形貌

金面SEM如图5所示，图中所示金面SEM图片从结晶紧密性、均匀性、平整性方面来看，图5-③、5-④、5-⑦金面结晶细密均匀且平整性好。图5-①结晶平整性好，但结晶颗粒较大且不紧密。图5-②、5-⑤、5-⑥、5-⑧结晶大小不均匀且平整性差，主要是由于尼龙刷刷磨处理铜面导致其粗化均匀性差。但其中图5-⑧铜面在尼龙刷磨刷后又经过粗化效果较均匀的喷砂及微蚀前处理，结晶均匀性略有改善，且结晶较紧密。

综合金面外观状况及微观形貌结果表明，微蚀或喷砂＋微蚀的前处理方式利于制备外观较好的金面。从成本及流程长短角度考虑，微蚀最好。但是微蚀清除铜面异物能力较差，为了减少金面露铜等其他外观不良发生，最好的化金前处理工艺应为喷砂＋微蚀。

4 结论

（1）铜面处理效果对金面外观影响很大，铜面清洁度及粗糙度均匀性越好，金面外观品质越好。铜面粗化处理均匀性不好易导致金面粗糙或异色。

（2）单一前处理中，喷砂和微蚀处理铜面的粗化均匀性较好，尼龙刷磨刷和火山灰磨刷处理铜面的粗化均匀性较差。

（3）对防焊制程后的PCB，微蚀前处理和喷砂＋微蚀组合前处理利于制得外观良好的金面。可根据前制程制作的铜面清洁情况，选择微蚀和者喷砂＋微蚀分别制作首件，根据首件制作结果确定制程中应选择的前处理方式。

（4）由于喷砂及微蚀都只能清除轻度污染，磨刷能去除严重污染，因此对于来料铜面药水残留及粗糙异物严重，可考虑磨刷＋喷砂＋微蚀工艺，其外观虽然不是最好但是满足基本要求。需要注意的是要控制好电流、线速、压力等磨刷参数。

[1]任敏.磨刷＋微蚀阻焊剂涂覆前处理方法的控制[C].2003中国电子制造技术论坛会.

[2]张芹, 沈卫军等.几种前处理方式之介绍[C].2005春季国际PCB技术信息论坛.

[3]图形转移前处理方式对精细线路制作的影响[C].2003秋季国际PCB技术信息论坛.

[4]白蓉生.表面粗糙度Surface Texture[J].印制电路资讯,专家论坛（Enterprise reporting）2003(4):42-50.