谈电镀光亮金板金面变色的控制

2019-11-14梅绍裕杨建勇

印制电路信息 2019年11期

梅绍裕杨建勇杜军

( 广东东莞康源电子有限公司，广东东莞 52300 )

0 前言

电镀铜镍闪金已经是PCB制程中较为成熟的一种工艺，这种表面处理的产品在装配时，有时会使用铝线绑定，部分客户在绑定时会要求金面镜面光亮。但这种光亮的金面会存在较多外观的问题，金面变色即为其中一种。电镀闪金的产品，经过一段时间的储存后，会出现金面变色、发红，在放大镜下观察，好像金面有的细小凹坑（如图1、图2）。

金是惰性金属，正常情况下不会被腐蚀。金面变色的PAD（连接盘），使用剥金液退掉金层后，SEM观察镍面，可以发现镍层有较多的孔洞。因此，金面变色实际上是镍层被腐蚀后，形成了较多的孔洞，闪金层（厚约0.03 μm）在孔洞处塌陷，在外观上反应出来的密集金面点状腐蚀凹坑。2016年我公司因金面变色导致的报废，占此类产品总报废的40%以上，针对此问题，我们初步探究了影响的因子，组织专项改善，制定了相应的管控措施。

图1 金面变色外观

图2 剥金后镍面SEM图像（3000X）

1 金面变色原理分析

金面变色实际上是一种电化学腐蚀，即贾凡尼效应[1]（Galvanic Erosion），也叫作原电池反应[2]。与典型的铜锌原电池对比，其产生机理（如图3）。

（A）电镀铜镍金镀层中存在间隙，电解液可渗透于其中

（B）当不同活性的金属，与电解液相接处时，比较活泼的金属会失去电子被氧化。

铜镍的标准电极电势如下：

金为惰性金属，镍的标准电极电位较负，较为活泼，在原电池反应中，作为负极优先被腐蚀掉。在腐蚀过程中，电解质溶液穿透金层（0.03 μm厚）及镍层的间隙（2.5～15 μm厚），铜镍金层形成原电池，随着时间的推移，发生缓慢的原电池反应，Ni失去电子，进入溶液，金表面发生析氢（酸性电解液）或析氧（碱性电解液）。随着镍的逐渐溶解，镍层出现凹陷或空洞，薄薄的金层缺少支撑，出现塌陷，外观上可以看出金面出现许多细小凹坑。金面变色的实质是金层下的镍层的腐蚀。从上可看出产生原电池腐蚀的必要条件是：不同活性的金属与电解质溶液接触。因此，对金面变色的控制，可从以下两方面着手：

（1）镀层质量方面：提高金面的致密性;

（2）存储/停顿环境方面：减少板子与电解质溶液的接触。

2 金面变色影响因子分析

镀金层致密性：电镀过程中不可避免的有副反应的发生（电镀效率的降低），如电解水，在阴极析氢，造成镀层存在微小的缝隙；抑或是杂质金属的析出，造成金层结晶缺陷。因此电镀电流密度过大、金镀液杂质浓度过高、金镀液比重过低、镀液金浓度过低都会导致金镀层致密性降低。因成本控制问题，镀金槽的浓度一般管控较低，浓度范围实际也不会出现较大的波动或调整，因此，此处先不讨论金浓度的影响。

在PCB制造过程中，受生产节奏的影响，产品在电镀金后，到包装之前，会在各制程停顿不同的时间。PCB制造过程，不可避免的会使用到较多的化学药水，这些药水的挥发或者随水蒸发，会使车间空气质量变差。当板子本身处在潮湿的环境（如制程加工后未烘干、空气湿度较高等），空气中又存在酸/碱性物质，板子在长期与这些电解质溶液接触时，就会发生贾凡尼腐蚀。

因此，本文主要探究以上两个方面的影响。相关影响因子如下：

停顿环境的影响因子：金板未烘干（板面有水）、板子停顿环境的空气质量差、板子停顿时间过长

镀层质量的影响因子：电流密度过大、金缸杂质金属离子浓度过高、镀液相对密度过低

针对以上两组因子，进行DOE验证，确认各因子的影响程度。