基于稳健设计的ENEPIG印制板化学镀钯工艺研究

于金伟

（潍坊学院，山东 潍坊 261061）

基于稳健设计的ENEPIG印制板化学镀钯工艺研究

于金伟

（潍坊学院，山东 潍坊 261061）

从化学镀钯反应机理入手，分析了影响化学镀钯质量的工艺参数，并运用DOE(试验设计)中的健壮设计实验方法，对这些参数进行了优化，获得了新型ENEPIG(化学镀镍、钯与浸金)印制电路板生产中化学镀钯的最优化工艺参数：氯化钯质量浓度2.2 g/L，次磷酸钠质量浓度13.2 g/L，氨水体积分数165 mL/L，温度55 °C，pH 9.6，氯化铵质量浓度33 g/L。验证试验表明，应用优化后的化学镀钯工艺时，钯的沉积速率均值从原来的0.64 mg/(cm2·min)提升到4.83 mg/(cm2·min)，分散度也有明显改善。经过大样本量验证，试验具有良好的重复性和再现性。

印制电路板；化学镀钯；优化；健壮设计；沉积速率

Author’s address:Weifang University, Weifang 261061, China

在MEMS(微机电系统)封装领域，印制电路板的应用占了很大的比重，而其最大的隐患——“黑垫”问题困扰了业界很长时间。为彻底解决该问题，人们开发了新型的ENEPIG(化学镀镍、钯与浸金)印制电路板，这种基板表面保护工艺最突出的改善是在化学镀Ni层和浸Au层之间加入了化学镀Pd层，它在化学镀Au过程中阻挡了镀镍层与浸金溶液的接触，避免了浸金制程对镍层的氧化，从而解决了困扰业界多年的“黑垫”问题。对ENEPIG印制电路板表面保护这一新工艺来说，化学镀 Pd是最关键的工艺[1-3]，其工艺参数的选择会对这一新型基板的质量和生产效率产生显著影响。而影响ENEPIG印制电路板化学镀Pd的因素较多，各因素相互之间又有影响。为统筹实验分析，降低实验成本，本文运用DOE(试验设计)的稳健设计实验方法对这些参数进行优化。

1 影响印制电路板化学镀Pd的因素

1. 1 PdCl2浓度的影响

镀液中随着PdCl2浓度的增加，氧化-还原电位提高，化学反应速率加快，沉积速率增加。但是，要提高PdCl2的浓度必须相应提高次磷酸钠的浓度，即PdCl2浓度的增加受制于次磷酸钠的浓度。

1. 2 NaH2PO2·H2O浓度的影响

镀液中随着 NaH2PO2·H2O浓度的增加，次磷酸的氧化电位提高，NaH2PO2·H2O的还原能力增强，表现出沉积速率增加。但是，当NaH2PO2·H2O浓度大于无活化表面引发临界值时，镀液会因氧化还原反应而分解，所以NaH2PO2·H2O的浓度要适当。

1. 3 NH3·H2O浓度的影响

使用氨水可防止产生 Pd(OH)2沉淀，而且通过控制沉积速率，使镀层外观得到改善。因为配合物生成氢氧化物的自由能高，所以[Pd(NH3)3]2+比Pd2+产生Pd(OH)2的倾向要小得多。另外，使用氨水可较快地增加钯的沉积速率，并延缓镀液pH的下降。

1. 4 NH4Cl浓度的影响

NH4Cl是作为缓冲剂来使用的，它能减慢镀液pH的降低，使镀液较为稳定。

1. 5 pH的影响

如果镀液的pH下降，那么氢离子浓度会增加，导致氧化还原电位降低，还原力减弱。因此还原剂的还原能力会随着镀液pH的变化而改变。

1. 6 镀液温度的影响

提高镀液温度可以提高离子的活性和扩散速率，从而提高氧化还原电位，使沉积速率增加。但是过高的温度会加速镀液的挥发，导致镀液各种溶质浓度的变化，造成镀液成分不稳定，同时伴有大量的气体生成，影响颗粒的沉积，所以镀液温度要适当。

2 化学镀钯工艺参数的优化

稳健设计是关于实际工程问题的一种很有价值的统计方法。它是通过对可控因素水平组合的选择来减少系统对噪声变化的敏感性，以此来降低系统性能的波动。

产品性能指标除了受可控因子的影响外，还受到噪声因子的影响。常规正交试验设计对误差的分析比较笼统，全都归为随机误差或试验误差。对于生产过程中的某些要素，由于在常规正交试验设计过程中没有设置的改变，但在实际工作中，任何参数的控制都不可能完全准确，这就造成了误差。在稳健设计中，通过分析可控因子与噪声因子间的交互作用，从而用改变可控因子水平组合的办法来减小响应变量的变差。因为可控因子通常易于改变，所以稳健设计比直接减小噪声变差更经济、更方便。其建模的方法是对每个控制水平的组合用噪声重复试验的样本均值y作为位置的度量，用样本方差s2的对数lns2或样本方差本身作为散度的度量。对这两种度量，分别找出对它们有显著影响的因子[4]。

2. 1 确定试验目的和指标

(1) 试验目的：优化化学镀Pd工艺，改善过程工艺参数，力求钯的沉积速率越大越好。

(2) 试验指标：钯的沉积速率v ＞0.7 mg/(cm2·min)为合格。v为望大特性，即沉积速率越大越好。

2. 2 确定影响因子并制定因子水平表

影响化学镀Pd的主要工艺参数为PdCl2含量、NaH2PO2·H2O含量、NH3·H2O含量、NH4Cl含量、镀液温度及pH，对于误差因子，除pH选定±2%的误差外，其余各因子选定±10%。这样每个因子选取3个水平制定因子水平表，见表1。各因子的1水平组合为现有镀钯槽液工艺参数，其具体数值为：PdCl2质量浓度(A0)2.0 g/L、NaH2PO2·H2O质量浓度(B0)12 g/L、NH3·H2O体积分数(C0)150 mL/L、NH4Cl质量浓度(D0)30 g/L、镀液温度(E0)50 °C，pH(F0) 9.8。根据表1，则各因子参数水平如表2所示。

表1 稳健设计因子水平Table 1 Factors and levels of robust design

表2 各因子工艺参数Table 2 Values of various factors at different levels

2. 3 试验方案的设计

在稳健设计时，很少使用全因子试验，多数采用部分试验，而且不考虑其交互作用，以便可以在较少次数的试验中考察较多的因子。这是非常经济和有效的。根据以上因子水平表选取L27(36)正交表，将上述因子排列在正交表的第1、2、3、4、5、6列。打开MINITAB软件设计出试验方案，选择菜单“统计”/“DOE”/“田口”/“创建田口设计”，设定相关参数，即可输出设计表，见表3。

表3 稳健试验设计方案Table 3 Experimental scheme based on robust design

2. 4 钯的沉积速率试验结果

将试验用印制电路板用电子天平称重，精确至0.001 mg，计算镀层平均厚度δ，换算出钯的沉积速率v，如式(1)所示：

式中，m0、m分别为施镀前、后PCB的质量，A为PCB的镀覆面积。

对表3中的每个试验方案均用10 pnl(pnl为panel的缩写)印制电路板进行化学镀Pd试验，测试结果取平均值，钯的沉积速率测量结果如表4所示。

表4 钯的沉积速率测量结果Table 4 Measurement results of palladium deposition rate

2. 5 S/N比的计算

钯的沉积速率为望大特性，其计算公式是：

同理可得S/N2，S/N3，…，S/N27的值，见表4。

2. 6 对测得的沉积速率数据进行分析

使用MINITAB软件，选择菜单“统计”/“DOE”/“田口”/“分析田口设计”，将测得的10列结果都放入“响应数据位于”内，分析结果见表5及表6。

表5 各因素水平的信噪比均值(望大)Table 5 Average signal-to-noise ratio of different factors at different levels (larger the better)

从表 5信噪比可知，每个因子各水平的信噪比平均值和信噪比极差，极差越大，表明此因子效应越显著。从极差的大小排序可以看出，各因子对信噪比的影响程度以重要度从大到小依次排列为：因子 A(PdCl2质量浓度)、因子C(NH3·H2O体积分数)、因子E(温度)、因子B(NaH2PO2·H2O质量浓度)、因子F(pH)、因子D(NH4Cl质量浓度)，NH4Cl质量浓度的影响最小，或者几乎没有影响。

从表 6速率均值可以看到，每个因子的各水平均值的平均值及其极差。从极差的大小排序中，可以看出各因子对均值的影响程度，以重要度从大到小依次排列为因子 A(PdCl2质量浓度)、因子 E(温度)、因子B(NaH2PO2·H2O质量浓度)、因子C(NH3·H2O体积分数)、因子F(pH)、因子D(NH4Cl质量浓度)。其中，因子D最小，几乎没有影响。

表6 各因素水平沉积速率的均值Table 6 Average deposition rate of various factors at different levels

对上述试验结果进行分析，能够看出各因子对位置及散度的影响：因子A、C、E对望大特性信噪比影响最大，因而为散度因子；因子A、E、B对均值影响最大，因而是位置因子。因为B是位置因子，而不是散度因子，所以认定因子B为调节因子。A、E既是散度因子，又是位置因子。

对于望大特性响应变量优化的步骤分为 2步：首先，选择位置因子的水平使位置达到最大；其次，选择非位置因子的散度因子的水平，使散度最小化[5]。

通过MINITAB软件输出稳健设计S/N主效应分析图如图1所示，均值主效应分析图见图2。

根据望大特性响应变量优化的步骤，首先选择位置因子(A、E、B)的水平使位置达到最大。即因子 A(PdCl2质量浓度)取3水平(2.2 g/L)，因子E(温度)取3水平(55 °C)，因子B(NaH2PO2·H2O质量浓度)取3水平(13.2 g/L)。在这些因子安排确定的情况下，用非位置因子的散度因子C(NH3·H2O体积分数)的水平进行调试，以使散度最小化。由于3个位置因子与散度因子C三水平的这种最佳搭配在试验中未出现过，需要通过预测进行选择。

使用 MINITAB软件，选择菜单“统计”/“DOE”/“田口”/“预测田口结果”进行相关设置，得到预测结果如表7所示。

图1 稳健设计信噪比主效应分析图Figure 1 Main effect analysis of signal-to-noise by robust design

图2 稳健设计均值主效应分析图Figure 2 Main effect analysis of average values by robust design

表7 稳健设计预测结果Table 7 Prediction results by robust design

从表7可知，在因子C(NH3·H2O体积分数)取不同值时，信噪比都保持较好结果，当NH3·H2O浓度取165 mL/L(即3水平)时，钯的沉积速率信噪比和平均值达到最大值。

依据上述研究结果，最优工艺参数选择A3B3C3E3F3，因子D影响很小，可以依据镀钯工艺的要求，取任意水平均可。

3 验证试验

依据以上优化工艺结果，重新设定化学镀Pd工艺参数为：PdCl2质量浓度2.2 g/L，NaH2PO2·H2O质量浓度13.2 g/L，NH3·H2O体积分数165 mL/L，镀液温度55 °C，pH 9.6，NH4Cl质量浓度33 g/L，进行100 pnl化学镀Pd试验。图3a、3b是化学镀Pd参数优化前、后钯的沉积状况(图中LSL指规格下限，PPM即百万分之一，指低于规格下限的概率)。可以看出，应用优化后的工艺参数，钯的沉积速率均值从 0.64 mg/(cm2·min)提升到4.83 mg/(cm2·min)，有显著提高，分散度也有明显改善，而且经过100 pnl的大样本量验证，试验具有良好的重复性及再现性。

图3 镀钯参数优化前、后钯的沉积状况Figure 3 Deposition states of palladium before and after optimization of the parameters of electroless palladium plating

4 结论

本文使用稳健设计方法，研究了ENEPIG印制电路板中化学镀Pd的最优化工艺参数，用较少次数的试验考察了较多的因子，取得了非常经济和有效的结果。根据优化结果，改进了化学镀Pd这一关键工艺的参数设置：氯化钯质量浓度2.2 g/L，次磷酸钠质量浓度13.2 g/L，NH3·H2O体积分数165 mL/L，镀液温度55 °C，pH 9.6，氯化铵质量浓度33 g/L。验证试验表明，应用优化后的镀钯工艺参数，钯的沉积速率均值从0.64 mg/(cm2·min)提升到4.83 mg/(cm2·min)，沉积速率有显著的提高，分散度也有明显的改善。经过100 PNL的大样本量验证，试验具有良好的重复性及再现性。

[1]章建飞, 张庶, 向勇, 等. 表面处理工艺的新发展[J]. 印制电路信息, 2014 (1): 18-22.

[2]陈步明, 郭忠诚. 化学镀研究现状及发展趋势[J]. 电镀与精饰, 2011, 33 (11): 11-15.

[3]吴道新, 刘迎. 印刷电路板上化学镀钯工艺研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2012, 41 (4): 681-684.

[4]于金伟. 田口试验设计在键合工艺参数优化中的应用[J]. 压电与声光, 2012, 34 (4): 631-635, 639.

[5]马林, 何桢. 六西格玛管理[M]. 2版. 北京: 中国人民大学出版社, 2007: 195-197.

[ 编辑：韦凤仙 ]

Study on electroless palladium plating for ENEPIG printed circuit board based on robust design

YU Jin-wei

The process parameters affecting the quality of electroless palladium plating were analyzed based on the reaction mechanism of electroless palladium deposition and optimized by robust design, an approach of DOE (design of experiments), for the production of novel ENEPIG (electroless nickel/electroless palladium/immersion gold) printed circuit boards as follows: PdCl22.2 g/L, NaH2PO2·H2O 13.2 g/L, NH3·H2O 165 mL/L, NH4Cl 33 g/L, temperature 55 °C, and pH 9.6. The result of verification test showed that the average deposition rate of palladium is raised from 0.64 mg/(cm2·min) to 4.83 mg/(cm2·min) after the optimization of electroless palladium plating process and the dispersion is significantly improved. The test has good repeatability and reproducibility during large sample size verification.

printed circuit board; electroless palladium plating; optimization; robust design; deposition rate

TG178; TQ153.19

A

1004 -227X (2015) 19 - 1105 - 07

2015-05-07

2015-07-03

国家星火计划项目（2011GA740047）；山东省自然科学基金项目（ZR2012EML03）；山东省国际科技合作计划项目（201013）；山东省高等学校科技计划项目（J12LA57）；山东省星火计划项目（2011XH06025）。

于金伟（1967-），女，山东潍坊人，硕士，教授，主要从事微机电系统研究。

作者联系方式：(E-mail) wfxyyjw@163.com。