前处理工艺对印刷线路板表面化学镀镍/置换镀金层性能的影响

刘海萍, 毕四富, 李 宁

(哈尔滨工业大学(威海）海洋学院,山东威海 264209）

前处理工艺对印刷线路板表面化学镀镍/置换镀金层性能的影响

刘海萍, 毕四富, 李 宁

(哈尔滨工业大学(威海）海洋学院,山东威海 264209）

分析了酸洗、微刻蚀及活化等前处理工艺对印刷线路板(PCB）表面化学镀镍/置换镀金层性能的影响。结果表明:各前处理工序对PCB表面性能具有较大影响,在此基础上得到了优化后的前处理工艺。

印刷线路板;化学镀镍;置换镀金;前处理工艺

0 前言

化学镀镍/置换镀金(ENIG）工艺是在印刷线路板(PCB）裸露的铜线路表面先进行化学镀镍,然后置换镀金,以获得镍/金复合镀层的工艺。镍/金镀层表面平坦,具有耐蚀性、导电性、可焊性好等优点,在各类高密度电子设备、表面贴装技术中得到了广泛应用[1-3]。

在对PCB进行化学镀镍/置换镀金前,一般需要对其进行多种镀前处理,以去除表面的油污、氧化物,获得适合镀覆的基体。针对ENIG工艺复杂、流程长,影响因素多的特点[4-5],本文以前期实验所确定的中磷酸性化学镀镍和亚硫酸盐镀金体系作为化学镀镍和置换镀金液[6-8],系统分析了ENIG前处理各工序(如酸洗、微刻蚀、活化等）的工艺参数的变化对PCB表面镍/金镀层性能的影响。

1 实验

1.1 ENIG工艺流程及基本工艺参数

选用PCB及纯铜试片作基体,对其先进行酸洗、微刻蚀、活化等基本前处理工序,而后进行化学镀镍,置换镀金。其基本工艺流程为:酸洗微刻蚀预浸活化化学镀镍置换镀金吹干,各步骤之间需要2～3道水洗。需加热的前处理工序及化学镀镍和置换镀金工序均在玻璃镀槽中进行,采用恒温水浴控制操作温度。

化学镀镍的基本工艺组成为:硫酸镍27 g/L,次磷酸钠29 g/L,乳酸 20 mL/L,DL萃镍酸12 g/L,稳定剂适量,p H值4.6～5.2,85～92℃。

置换镀金的基本工艺组成为:亚硫酸金钠2 g/L,亚硫酸钠40 g/L,硫代硫酸钠16 g/L,硼砂10 g/L,添加剂适量,p H值6.0～7.0,75～85℃。

1.2 测试方法

1.2.1 试样外观及微观表面形貌

分别采用体视显微镜(MX-5040RZ）,电子扫描显微镜(SEM,TESCAN VEGA II）及原子力显微镜(AFM,Picoscan 2100）观察化学镀镍层、置换镀金层的表面形貌。

1.2.2 镍/金镀层结合力

采用美国3M Scotch 600型胶带进行结合力测试。将胶带在试片上压牢,然后以垂直于试片表面的方向以一定的速率将胶带剥离,观察镀层是否掉金;若镀层掉金,则表明镀层结合力不合格。

1.2.3 镀金层SO2暴露测试

采用SO2暴露实验检测镀金层的均匀性。在10 L的玻璃干燥器中先后加入200 mL 200 g/L的硫代硫酸钠溶液及100 mL(1+1）稀硫酸;而后把镀金试片放入容器内支架上,立即关闭容器,并轻轻摇动,使溶液充分混合,反应生成SO2气体。试片放置与液面距离不小于75 mm,与容器内壁距离不小于25 mm。实验24 h后取出试片,观察试片表面变化。

2 结果与讨论

2.1 酸洗

酸洗的目的是去除铜表面的轻度油污、氧化物及增加润湿效果。本文采用 GT-210酸洗液,通过目视外观法对比了20～50℃,1～10 min内铜表面的除油效果。结果表明:当温度在25～35℃,时间为4～6 min时,能够有效去除铜面油污,获得光亮、清洁的表面。在35℃的条件下,酸洗前、后所得铜表面的形貌,如图1所示。由图1可知:酸洗前,表面发花,有污染;而酸洗5 min后,表面光亮,无油污及不洁之物,表明铜面已被清洗干净。

图1 酸洗前、后铜基体的表面形貌

2.2 微刻蚀

微刻蚀的目的为去除铜表面的氧化物,保持铜表面新鲜,形成粗糙表面,利于后续化学镀镍工艺的进行。微刻蚀前、后铜基体的表面形貌,如图2所示,微刻蚀溶液由100 g/L的硫代硫酸钠酸性溶液构成。由图2可知:微刻蚀前,铜表面较平整;而在30℃,微刻蚀1 min后,铜表面明显变粗糙,形成了许多分布均匀的毛刺状突起,表明微刻蚀后铜的反应面积增大,有利于活化过程中Pd的沉积;同时微观粗糙的表面也有利于后续化学镀镍层的沉积,提高Cu/Ni层间的结合力。

温度和时间对铜表面微刻蚀的影响,如图3和图4所示。由图3可知:温度为20℃时,微刻蚀1 min后,表面比较平坦,只有很少区域被腐蚀;当温度为30℃时,铜表面被均匀腐蚀,形成许多微小凹凸点;温度过高,达到50 ℃时,铜表面不均匀,起伏过大,局部区域腐蚀严重,将不为利于形成均匀的化学镀镍层。由图4可知:当时间为30 s时,铜表面只有很少区域被腐蚀;而增加腐蚀时间(1 min）,表面形成了均匀的凹凸点;时间进一步增大(3 min）,铜表面局部区域腐蚀过度。综上所述,温度在30～40 ℃,时间为1～2 min时,微刻蚀效果较好。

图2 微刻蚀前、后的铜基体的表面形貌

图3 不同温度微刻蚀1 min后铜基体的表面形貌

图4 相同温度不同微刻蚀时间后铜基体的表面形貌

2.3 活化

活化的目的是在铜表面置换出一层钯活性点,作为化学镀镍起始反应的催化晶核。本文选用30 mg/L的硫酸钯酸性活化液,研究了温度、时间对铜的微观形貌及 PCB化学镀镍微观形貌的影响。温度对铜表面微观形貌及PCB化学镀镍微观形貌的影响,如图5,图6所示。

图5 不同温度下活化3 min后铜基体的表面形貌

图6 不同温度下活化3 min后PCB化学镀镍的表面形貌

由图5,图6可知:20℃时,铜表面只有少量区域被黑色覆盖,表明只有少数区域有钯活性点附着,PCB化学镀镍时有漏镀现象;升高活化温度至30～40℃时,铜表面呈大面积黑色外观,表明形成了大量钯活性点,PCB化学镀镍没有出现漏镀现象。

活化时间对铜表面微观形貌及 PCB化学镀镍微观形貌的影响,如图7,图8所示。由图7,图8可知:时间过短时(小于1 min）,铜表面所形成的活化点较少,PCB化学镀镍时存在漏镀现象。

图7 30℃不同活化时间处理后铜基体表面形貌

图8 30℃不同活化时间处理后PCB化学镀镍的表面形貌

综上所述,进行活化工序时,必须考虑活化程度的影响,若温度过低、时间过短,在铜表面形成的活性点不够,则易出现漏镀现象;而温度过高、时间过长,易导致过度活化,则易出现渗镀现象,不应镀镍的线路也会镀镍,导致短路等问题。

3 结论

本文分析了各前处理工序对PCB表面化学镀镍/置换镀金层性能的影响。结果表明:各前处理工序对镍/金镀层性能产生较大影响,得到了优化后的前处理工艺参数为:35℃下,酸洗5 min可有效清除铜面油污;在30～40℃,1～2 min条件下微刻蚀效果较好;在30～40℃条件下活化 3 min,所得PCB化学镀镍层无漏镀现象。

[1] 朱冬生,胡韩莹,王长宏,等.化学镀镍金及其温度的影响[J].电镀与涂饰,2008,27(6）:25-28.

[2] Milad G,Mayes R.Electroless nickel/immersion gold finishes for application to surface mount technology:A regenerative approach[J].Metal Finishing,1998,96(1）:42-46.

[3] 胡光辉,李大树,黄奔宇,等.化学镀镍浸金金厚不均探究[J].材料保护,2006,39(7）:64-65.

[4] Snugovsky P,Arrowsmith P,Romansky M. Electroless Ni/immersion Au interconnects:Investigation of black pad in wire bonds and solder joints[J].Journal of Electronic Materials,2001,30(9）:1 263-1 270.

[5] Kim K H,Yu J,Kim J H.A corrosion couple experiment reproducing the black pad phenomenon found afterthe electrolessnickelimmersion gold process[J]. Scripta Materialia,2010,63(5）:508-511.

[6] 刘海萍,李宁,毕四富.聚乙烯亚胺对置换镀金过程中镍基体腐蚀的影响[J].稀有金属材料与工程,2009,38(6）:1 087-1 090.

[7] Liu H P,Li N,Bi S F,et al.Effect of organic additives on the corrosion resistance properties of electroless nickel deposits[J].Thin Solid Films,2008,516(8）:1 883-1 889.

[8] 刘海萍,李宁,毕四富,等.无氰置换镀金工艺的研究[J].电镀与环保,2007,27(4）:26-28.

Effects of Pretreatment on Properties of Electroless Nickel/Immersion Gold Coating on PCB Surface

LIU H ai-ping, BI Si-fu, LI Ning
(School of the Ocean,Harbin Institute of Technology,Weihai 264209,China）

The effects of the pretreatment processes(such as acid cleaning,micro-etching and activation）on the properties of electroless nickel/immersion gold coating on the surface of printed circuited board(PCB）were analyzed.The results show that each of the pretreatment processes has a greater influence on the surface properties of PCB.On this basis,an optimal pretreatment process is obtained.

printed circuited board;electroless nickel plating;immersion gold;pretreatment process

哈尔滨工业大学(威海）研究基金(HIT(wh）XB200802）和中央高校基本科研业务费专项资金资助(项目资助编号 HIT.NSRIF.2009155）

TQ 153

A

1000-4742(2011）05-0020-04

2010-11-22

·化学转化膜·