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【PCB制造】化学镍金新发展

二月 27, 2020 | I-Connect007
【PCB制造】化学镍金新发展

化学镍金(ENIG)在印制电路行业已有25年之久的历史。IPC-4552ENIG规范的第一版于2002年发布。最初该规范仅针对锡、铅焊料,现在也包括了目前在电子产品焊接中占据了主要地位的无铅焊料,如SAC305及其变体。尽管已经认识到会发生腐蚀,但是随着对缺陷的更深入了解已对ENIG进行了一系列改进。

如今,众所周知在浸金步骤中会发生镍腐蚀,消除缺陷的最重要方法是工艺控制。ENIG是一个复杂的化学工艺,有多个工艺步骤,并且为了顺利完成整个工艺,必须确保每个步骤,但ENIG仍是非常受欢迎的表面涂层工艺,在组装时具有一系列优点,包括易于检查、具有较长的保存期限、适用于广泛的组装应用。

2017年发布的IPC-4552 A版规定沉积厚度:镍为3μm至6 μm(120单位至240单位),金为0.04μm-0.1 μm(1.6μin至4.0 μin)。金的上限为0.1 μm(4.0 μin),需要在浸金液中延长停留时间,造成沉积容易发生镍腐蚀。建议浸金沉积厚度为0.04μm至0.07 μm(1.6μin至2.8 μin)。如果设计要求更厚的金,则应使用浸金的替代方法进行沉积,两种可用的替代方法是还原辅助浸金(RAI)和化学镀金。

ENIG预镀:剥离锡和阻焊膜准备

从部件进入生产线开始控制ENIG镀的结果,必须保证无锡和无有机残留物。在形成电路期间,锡被用作抗蚀剂。锡必须完全剥离,以使铜表面均匀催化。残留的锡会妨碍钯催化剂或活化剂的沉积。

在大多数情况下,到达ENIG生产线的铜表面要涂布阻焊膜。这包括清洁和粗化铜表面,涂布可光成像的掩膜、预烘干、成像、显影和固化。注意加工阻焊膜的细节对于获得所需的ENIG沉积至关重要,在掩膜和铜表面之间必须达到适当的附着。显影后,侧壁应是垂直的,没有负蚀或正蚀的痕迹,并且铜焊盘表面上应无有机残留物。如果设计包括阻焊膜限定的焊盘,这点尤为重要。像锡残留物一样,有机残留物也会导致镍沉积的不均匀。另外,来自部分固化的阻焊油墨的单体会在化学镀镍液中浸出,导致不稳定,降低沉积速率和缩短镀液寿命。

ENIG预处理

 

预处理的目标是确保原始的铜表面,以确保均匀的催化剂沉积。预处理涉及一系列步骤,即清洁、微蚀和酸预浸。清洁具有一系列功能,清洁剂成分可去除污垢和有机残留物(手指印),酸性成分可去除氧化物,并且表面活性剂可润湿表面。现新趋势是使用低表面张力的表面活性剂。适当润湿的表面将有助于驱逐残留在较窄导通孔中的空气。对于高厚径比的孔和较小的导通孔,建议振动清洁液中的部件。清洁后应冲洗干净。

微蚀可去除一层表面铜并改变表面轮廓,适当选择微蚀刻可以有效地降低先前粗化的铜表面轮廓,以确保适当的阻焊层附着力。基于过氧化物、硫酸的微蚀是此时的首选。通常需去除30μin至50 μin的铜。应该对此步骤进行监控和维护。微蚀后也应进行彻底冲洗。

如未冲洗去除所有微蚀残留物,特别是小孔上的残留物,将会妨碍基于钯催化剂浸入(电荷转移)沉积。建议在此处进行加热的硫酸后浸。此步骤有助于除去截留在小孔中的任何痕量氧化剂。然后进行冲洗。

如果严格遵守所有上述步骤,则铜表面将具有低轮廓、无有机残留物、无氧化,更重要的是具有电荷中性。

催化剂、活化剂

 

催化剂液为镍和金的沉积奠定了基础。在大多数情况下,镀液由低pH值硫酸介质中的硫酸钯组成。溶液中的钯离子将被还原为钯金属,而铜金属(基板)被氧化为铜离子。这是一个浸入反应,基于电子转移,其中电动势序列中较高的金属离子将置换序列中较低的基板金属。镍不会在未催化的铜表面上镀覆。催化剂液后正确冲洗非常重要,以确保不会将钯拖入化学镀镍液中。催化剂是覆在铜表面很薄的一层,可引发镍沉积,不是ENIG涂层的重要组成部分。

 

ENIG镀液

 

配制化学镀镍镀液,以在沉积中给出特定范围的掺入磷,以百分比范围表示。低磷沉积在4%至6%之间,中磷沉积在6%至8%之间,高磷沉积在8%至10%之间。中磷镍广泛用于需要焊接和腐蚀控制的ENIG应用,由于着重于消除镍腐蚀,因此新的配方现在倾向于较高的磷含量(> 8%),以进一步扩大腐蚀控制范围。

化学镀镍是一种众所周知的多组分镀液,主要成分是作为镍来源的硫酸镍和作为还原剂的次磷酸钠。后者将还原镍离子所需的电子提供给镍金属。次磷酸钠反应还产生磷和副产物正磷酸盐。磷被掺入化学镀镍沉积,镀液中正磷酸盐副产物的累积决定了镀液的寿命。

镍沉积反应需要指定的温度(介于175°F 至185°F之间)和弱酸性pH介质。此外,还有一系列其他直接影响镍沉积质量的重要专有成分,包括稳定剂、表面活性剂、络合剂、促进剂和缓冲剂。不同的供应商可能会使用不同成分,以达到具有最佳沉积速率和可实现、可再现操作条件的均匀沉积的目的。

镍镀液是动态变化的镀液,因此需要良好的管理。镍和次磷酸钠会在沉积过程中被消耗掉。此外,还会有副产物正磷酸盐堆积,镀液的pH必须控制在较窄范围内,补充那些用完的成分是必要的。最好通过控制器自动实现所需组分的补充并保持pH值。为了补偿副产物的累积,更新更复杂的控制器可增加镍浓度和pH操作范围,随着镀液老化,可保持恒定的沉积速率。

浸金镀液

 

为了最大程度地减少腐蚀,近年来有如下新的发展,包括:

 

  • 中性pH配方,可减少腐蚀

  • 降低金浓度,可控制成本

  • 还原辅助浸金(RAI),可消除腐蚀

还原辅助浸金(RAI)是一种混合反应镀液,最初是浸入镀液,然后是化学镀液。它能够沉积4μin至6 μin的金,而不会发生腐蚀。如果有设计要求,还原辅助浸金(RAI)非常适合沉积较厚的金。

结论

 

ENIG生产线是电路板车间中最复杂的化学药水生产线之一。它要求很好地了解工艺流程以及关键参数。ENIG生产线对偏差的容差很小,尤其是对于延长任何工艺步骤的镀液寿命。具有良好工程技术和制造工艺文档的车间,加上经验丰富的化学镍金操作员,并由有能力的分析实验室提供支持,可保证日常无缺陷的化学镍金,从而可生产出满足客户要求的稳定产品。

 

 

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标签:
#制造工艺与管理  #化学镍金 

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