印制电路板化学金漏镀浅析

2014-11-05刘喜科林人道

印制电路信息 2014年1期

戴晖刘喜科林人道

（梅州市志浩电子科技有限公司，广东梅州 514000）

1 前言

印制电路板在进行沉金处理过程中，常出现焊盘（Pad）、标志（Mark）点、印制插头等部位出现漏镀现象。导致化金过程中出现漏镀的原因很多，如显影不净、显影后水洗不足、蚀刻后退膜不净以及层压挤胶等均可以造成焊盘、插头等部位出现漏镀，但是这些原因造成的漏镀都是铜面被污染或覆盖造成的，只要将铜面处理干净，基本能解决由上述因素造成的漏镀情况。

另有两种情况是非铜面污染或覆盖的结果，如活化槽的设置影响，包括钯离子的浓度、活化时间、温度、酸度及振动等。镍槽所致的漏镀往往是人们最关注的，也是研究最多的，主要因稳定剂的过量引起漏镀。此外，还存在一些不常见的漏镀情况，如镀件本身容易引起漏镀、等离子处理等，这些漏镀现象通常是在印制线路板行业中发生，因为印制板需要化学镀镍的零件线路细小、结果复杂，故在印制板中比较常出现。本文主要探讨印制线路板本身特征引起的漏镀，希望通过漏镀的实验，深入了解引发漏镀的原因，为避免漏镀现象找到切实可行的有效解决方案。

2 原理和分析

2.1 化学镍金的原理

在基材铜上进行化学镍金层的沉积，必须在催化剂的作用下才能进行，而在电化序中，铜位于镍的后面，所以必须将铜面活化，才能进行化学镀镍。PCB行业大多是采用先在铜面上生成一层置换钯层的方式使其活化，PCB沉镍金工序之活化剂一般为PdSO4和PdCl2活化反应见式（1）：

在钯的活化作用下，Ni2+在NaH2PO2的还原条件下沉积在裸铜表面。当镍沉积覆盖钯催化晶体时，自催化反应将继续进行，直至达到所需之镍层厚度。化学镀镍的化学反应见式（2）、式（3）：

当PCB板面镀好镍层放入金槽后，其镍面即受到槽液的攻击而溶出镍离子，所抛出的两个电子被金氰离子获得而在镍面上沉积出金层，其反应见式（4）：

2.2 漏镀原理浅析

2.2.1 铜面污染的影响

造成铜面污染的产生源有多种，如阻焊显影不净、显影后水洗不洁、吸水海绵脏、烘箱抽风不良、文字返洗油墨残留等等均会造成沉金的漏镀异常，这都属于沉金前制程缺陷影响因素，是可通过前制程的点对点改善使之杜绝或降低铜面污染造成的沉镍金漏镀异常。

2.2.2 镍缸、钯缸活性不足的影响

影响钯缸活性的主要因素是活化浓度、温度和时间。延长活化的时间或提高活化浓度和温度，一定有利于漏镀的改善。由于活化的温度和浓度太高会影响钯缸的稳定性，而且会影响其他制板的生产，所以，在这些主要因素中，延长时间是首选改善措施。

影响镍缸活性的最主要因素是镍缸稳定剂浓度和镍缸温度，但由于难以操作控制，一般不采取降低稳定剂浓度来解决该问题，升高镍缸温度，一定有利于漏镀的改善。如果不考虑外部环境以及内部稳定性，无限度的升高镍缸温度，应该能解决漏镀问题。

镍缸的pH值、次磷酸钠以及镍缸负载，都会影响镍缸的活性，但其影响程度较小，而且过程缓慢。所以不宜作为改善漏镀问题的主要方法。

2.2.3 设计因素导致的定位性沉金PAD漏镀

还有一种因设计因素导致的定位性漏镀情况，此种现象在常规的产品设计中很少涉及，一般出现于高智能手机类产品中，此设计特点的表面处理都是ENIG+OSP，因客户端贴片的需求往往将BGA焊点设计为沉金PAD，其他焊接PAD为OSP设计，在实际生产过程中，极易造成BGA沉金PAD定位性漏镀，本公司前期生产板件中，就有此类设计产品（图1），经过对定位性漏镀点的分析，此漏镀PAD存在以下几大特点：

图1 产品CAM图

（1）漏镀焊点尺寸小：焊点设计蚀刻后尺寸为0.25 mm；

（2）漏镀焊点成定位性状：经系列确认，并非铜面污染因素造成的定位漏镀；

（3）同网络走向复杂：定位漏镀焊点同电气性能的焊盘PAD面积较大，且同电气性能的焊盘PAD均为OSP区域，即沉金前选化油覆盖区域（图1中蓝色区域）；

此定位漏镀焊点相比同BGA区域的其他焊点，在同层别上有较大的同电气性能网络区域，且同电气性能网络区域均为OSP区域（选化油覆盖），结合活化Pd离子的置换反应以及电势能转移原理，初步设想是否因焊点上活化Pd离子置换时，造成电势能平衡被打破，电荷转移至同电气的其他OSP区域，导致该焊点的Pd离子覆盖不够，形成漏镀异常。

因此为了验证是否因同电气网络的电势能平衡破化，导致的沉金焊点电荷数过少形成漏镀，本文就此针对此类定位性的沉镍金漏镀原因及改善进行一系列的实验验证，以此获得的理论及实验基础，做为后续的设计及制程改善依据。

图2 定位漏镀实物图

3 实验

3.1 实验方法

分别设计直径不等的焊盘，焊盘相对孤立存在（图3）、焊盘同时使用导线与铜条连接（图4）的图形菲林，按图3流程进行沉金处理：

图3

图4

图5

3.2 正交实验设计

经过上面造成漏镀原因的分析，铜面污染可借助喷砂磨板、水平微蚀等方法将铜面处理干净，可避免漏镀。但如果由于镍缸本身的活化浓度、时间、温度以及PH值影响时，则较难调整。故采用正交实验法，对实验方案进行验证，找出影响漏镀最大的因素。选择钯离子浓度（A）、反应时间（B）、温度（C）、镍缸温度（D）作为正交实验的因素，考虑的因素与水平如表1：

4 实验结果与分析

4.1 正交实验结果

运用直观分析法对六种尺寸的焊盘实验结果进行分析计算，把每个因素1水平所有方案实验结果相加，把2水平所有方案实验结果相加，分别用k1、k2来表示。再计算各自的算术平均值，然后计算各因素的极差：各因素k1、k2的算术平均值，大的值减去小的值即为极差。最后分析计算结果，R值越大的因素重要程度越高，从正交实验结果中可以看出，对实验结果影响由大到小依次为活化浓度（A），反应时间（C），温度（B），镍缸温度（D），正交实验结果见表2：

从以上正交实验结果来看，虽然得出了造成了应漏镀的主要因素，但是图3与图4中0.4 mm、0.2 mm焊盘均出现漏镀的现象，对此，对漏镀情况进行了延伸分析。

表1 正交实验的因素-水平表

表2 正交实验结果及极差分析

4.2 掩蔽对漏镀的影响

分别将图2中直径为6 mm、3 mm的焊盘的导线进行切断处理，切断后结果如图6，同时用蓝胶带把图2、图4的试样进行改造，变为图7、图8所示的试样，蓝胶带主要保护铜条和工艺导线不发生置换反应和化学镀镍反应。

图6

图7

图8

实验结果发现，在各种活化条件下，图7试样没有发生漏镀现象；而图6的试样在活化钯离子浓度为50×10-6，活化时间为20 s 时，1 mm、0.6 mm、0.4 mm、0.2 mm 四个焊盘均发生漏镀，图7和图8试验表明：在焊盘与铜条发生连接的情况下，蓝胶带掩盖铜条和导线易导致焊盘漏镀；但当铜条上连接有大尺寸的焊盘时，如6 mm 和3 mm 的焊盘，蓝胶带的掩盖时，所有尺寸的焊盘则不易发生漏镀。

4.3 掩蔽影响漏镀的电子传输机理

从图4～图6的实验发现，当所有圆盘均和铜条相连接时，掩蔽铜条与导线对圆盘漏镀与否影响不大；而当部分圆盘与铜条连接时，掩蔽铜条和导线会引起圆盘的漏镀。这一现象表明，掩蔽与铜盘相连接的铜条和导线，会令铜盘在活化过程中产生内部自由能的变化。为了方便问题探讨，设计了图9所示的样品进行分析：

图9

在图7中当导线不通时，焊盘不发生漏镀；一旦导线导通，焊盘便发生漏镀。因为图9中焊盘与铜条在空气中发生连接时，两者内部的电化学势平衡，可认为铜盘和铜条物理化学性能一样。当浸入活化液中进行活化时，因铜条被蓝胶带掩蔽，而焊盘则与钯离子发生置换反应，此时铜盘和铜条之间电化学势的平衡被打破，为了阻碍这种平衡被打破，焊盘和铜条之间会发生电子的迁移。可能是电子由焊盘往铜条迁移，导致钯离子的电子数减少，从而影响了钯在铜上的覆盖率。

若图9中导线断开，浸入活化液中后，焊盘因和铜条之间没有电气连接，焊盘上发生电化学势变化时，为了遏制电化学势变化，电子只有转移到钯离子上，令钯可在规定时间内达到引发化学镀镍的覆盖率，所以断开铜盘与铜条间的导线后，铜盘没有出现漏镀。

正是因为在沉金过程中，焊盘与与之导通的非沉金焊盘或导线之间存在着这种电化学势能，导致一部分板件出现漏镀、甚至有固定位置漏镀的情况。

5 产品改善方案验证

经以上的一系列分析及测试验证，我们可以看出，焊盘与导线、铜面间存在着平衡的电化学势能，板件在进行活化过程中，电势能平衡被打破，电荷出现了迁移，导致需沉金的焊盘上钯获得电子过少，导致无法置换或未置换完全，从而引起漏镀的出现。因此，要解决此种电势能转移引起的漏镀问题，应从破化其电势能转移的方向进行改善：

（1）改变同电气性能网络属性：

①杜绝电荷转移，最直接的办法就是改变原有的同电气性能，断开焊盘与铜条间的网络，这显示是不可能，这从根本上变更终端客户的设计，此方案否决；

②还有一种变更，即是将铜条也更改为沉金焊盘，不做OSP表面处理（不覆盖选化油），使之活化时，表面的焊盘电势能均一平衡，电量不做转移，达到Pd 离子覆盖完全时所需的电荷数。

此方案经我司实验验证，确实可以解决漏镀异常，但此方案也直接变更了终端客户的所需表面处理工艺，沉金工艺与OSP表面处理工艺对终端客户回流焊以及元件间的信号传输存在一定的差异，经与多家终端设计公司探讨协商，终端客户认为此方案只能在一定范围内更改，不便于全网络的变更成沉金工艺。如同电气性能铜条部分优化成沉金处理，暂未得知，两种焊盘之间的电势能转移是否和铜条面积存在一定的比值关系？这对于表面处理设计以及品质仍存在一定的风险，因此，此方案暂不可取。

（2）增加铜条覆盖物（选化油）的微带电物质，以减少和抑制沉金焊盘与铜条之间的电子迁移：

此方案的设想原理就是在铜条的覆盖物（选化油）中加入能与活化钯起反应的微带电物质，当活化钯与铜发生置换反应时，焊盘与铜条上的覆盖物均能发生反应，以此减少和抑制焊盘与铜条之间的电子迁移，保证焊盘与活化钯之间的置换所需的电荷数，使其置换反应充分进行，从而避免漏镀的产生。

此方案经过对市场上多家不同选化油（抗沉镍金油墨/二次成像抗镀油墨）产品进行实验验证，大多数选化油只能满足常规的ENIG+OSP工艺的产品制作，而其中一家A供应商提供的二次成像抗镀油墨，经过对此类产品实验验证，此选化油墨中应含有微带电物质，能有效的减少和抑制了电荷的转移，避免此类定位漏镀的产生，图10所示。