前處理工藝對印刷線路板表面化學(xué)鍍鎳/置換鍍金層性能的影響

劉海萍, 畢四富, 李 寧

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海）海洋學(xué)院,山東威海 264209）

前處理工藝對印刷線路板表面化學(xué)鍍鎳/置換鍍金層性能的影響

劉海萍, 畢四富, 李 寧

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海）海洋學(xué)院,山東威海 264209）

分析了酸洗、微刻蝕及活化等前處理工藝對印刷線路板(PCB）表面化學(xué)鍍鎳/置換鍍金層性能的影響。結(jié)果表明:各前處理工序?qū)CB表面性能具有較大影響,在此基礎(chǔ)上得到了優(yōu)化后的前處理工藝。

印刷線路板;化學(xué)鍍鎳;置換鍍金;前處理工藝

0 前言

化學(xué)鍍鎳/置換鍍金(ENIG）工藝是在印刷線路板(PCB）裸露的銅線路表面先進(jìn)行化學(xué)鍍鎳,然后置換鍍金,以獲得鎳/金復(fù)合鍍層的工藝。鎳/金鍍層表面平坦,具有耐蝕性、導(dǎo)電性、可焊性好等優(yōu)點,在各類高密度電子設(shè)備、表面貼裝技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。

在對PCB進(jìn)行化學(xué)鍍鎳/置換鍍金前,一般需要對其進(jìn)行多種鍍前處理,以去除表面的油污、氧化物,獲得適合鍍覆的基體。針對ENIG工藝復(fù)雜、流程長,影響因素多的特點[4-5],本文以前期實驗所確定的中磷酸性化學(xué)鍍鎳和亞硫酸鹽鍍金體系作為化學(xué)鍍鎳和置換鍍金液[6-8],系統(tǒng)分析了ENIG前處理各工序(如酸洗、微刻蝕、活化等）的工藝參數(shù)的變化對PCB表面鎳/金鍍層性能的影響。

1 實驗

1.1 ENIG工藝流程及基本工藝參數(shù)

選用PCB及純銅試片作基體,對其先進(jìn)行酸洗、微刻蝕、活化等基本前處理工序,而后進(jìn)行化學(xué)鍍鎳,置換鍍金。其基本工藝流程為:酸洗微刻蝕預(yù)浸活化化學(xué)鍍鎳置換鍍金吹干,各步驟之間需要2～3道水洗。需加熱的前處理工序及化學(xué)鍍鎳和置換鍍金工序均在玻璃鍍槽中進(jìn)行,采用恒溫水浴控制操作溫度。

化學(xué)鍍鎳的基本工藝組成為:硫酸鎳27 g/L,次磷酸鈉29 g/L,乳酸 20 mL/L,DL萃鎳酸12 g/L,穩(wěn)定劑適量,p H值4.6～5.2,85～92℃。

置換鍍金的基本工藝組成為:亞硫酸金鈉2 g/L,亞硫酸鈉40 g/L,硫代硫酸鈉16 g/L,硼砂10 g/L,添加劑適量,p H值6.0～7.0,75～85℃。

1.2 測試方法

1.2.1 試樣外觀及微觀表面形貌

分別采用體視顯微鏡(MX-5040RZ）,電子掃描顯微鏡(SEM,TESCAN VEGA II）及原子力顯微鏡(AFM,Picoscan 2100）觀察化學(xué)鍍鎳層、置換鍍金層的表面形貌。

1.2.2 鎳/金鍍層結(jié)合力

采用美國3M Scotch 600型膠帶進(jìn)行結(jié)合力測試。將膠帶在試片上壓牢,然后以垂直于試片表面的方向以一定的速率將膠帶剝離,觀察鍍層是否掉金;若鍍層掉金,則表明鍍層結(jié)合力不合格。

1.2.3 鍍金層SO2暴露測試

采用SO2暴露實驗檢測鍍金層的均勻性。在10 L的玻璃干燥器中先后加入200 mL 200 g/L的硫代硫酸鈉溶液及100 mL(1+1）稀硫酸;而后把鍍金試片放入容器內(nèi)支架上,立即關(guān)閉容器,并輕輕搖動,使溶液充分混合,反應(yīng)生成SO2氣體。試片放置與液面距離不小于75 mm,與容器內(nèi)壁距離不小于25 mm。實驗24 h后取出試片,觀察試片表面變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸洗

酸洗的目的是去除銅表面的輕度油污、氧化物及增加潤濕效果。本文采用 GT-210酸洗液,通過目視外觀法對比了20～50℃,1～10 min內(nèi)銅表面的除油效果。結(jié)果表明:當(dāng)溫度在25～35℃,時間為4～6 min時,能夠有效去除銅面油污,獲得光亮、清潔的表面。在35℃的條件下,酸洗前、后所得銅表面的形貌,如圖1所示。由圖1可知:酸洗前,表面發(fā)花,有污染;而酸洗5 min后,表面光亮,無油污及不潔之物,表明銅面已被清洗干凈。

圖1 酸洗前、后銅基體的表面形貌

2.2 微刻蝕

微刻蝕的目的為去除銅表面的氧化物,保持銅表面新鮮,形成粗糙表面,利于后續(xù)化學(xué)鍍鎳工藝的進(jìn)行。微刻蝕前、后銅基體的表面形貌,如圖2所示,微刻蝕溶液由100 g/L的硫代硫酸鈉酸性溶液構(gòu)成。由圖2可知:微刻蝕前,銅表面較平整;而在30℃,微刻蝕1 min后,銅表面明顯變粗糙,形成了許多分布均勻的毛刺狀突起,表明微刻蝕后銅的反應(yīng)面積增大,有利于活化過程中Pd的沉積;同時微觀粗糙的表面也有利于后續(xù)化學(xué)鍍鎳層的沉積,提高Cu/Ni層間的結(jié)合力。

溫度和時間對銅表面微刻蝕的影響,如圖3和圖4所示。由圖3可知:溫度為20℃時,微刻蝕1 min后,表面比較平坦,只有很少區(qū)域被腐蝕;當(dāng)溫度為30℃時,銅表面被均勻腐蝕,形成許多微小凹凸點;溫度過高,達(dá)到50 ℃時,銅表面不均勻,起伏過大,局部區(qū)域腐蝕嚴(yán)重,將不為利于形成均勻的化學(xué)鍍鎳層。由圖4可知:當(dāng)時間為30 s時,銅表面只有很少區(qū)域被腐蝕;而增加腐蝕時間(1 min）,表面形成了均勻的凹凸點;時間進(jìn)一步增大(3 min）,銅表面局部區(qū)域腐蝕過度。綜上所述,溫度在30～40 ℃,時間為1～2 min時,微刻蝕效果較好。

圖2 微刻蝕前、后的銅基體的表面形貌

圖3 不同溫度微刻蝕1 min后銅基體的表面形貌

圖4 相同溫度不同微刻蝕時間后銅基體的表面形貌

2.3 活化

活化的目的是在銅表面置換出一層鈀活性點,作為化學(xué)鍍鎳起始反應(yīng)的催化晶核。本文選用30 mg/L的硫酸鈀酸性活化液,研究了溫度、時間對銅的微觀形貌及 PCB化學(xué)鍍鎳微觀形貌的影響。溫度對銅表面微觀形貌及PCB化學(xué)鍍鎳微觀形貌的影響,如圖5,圖6所示。

圖5 不同溫度下活化3 min后銅基體的表面形貌

圖6 不同溫度下活化3 min后PCB化學(xué)鍍鎳的表面形貌

由圖5,圖6可知:20℃時,銅表面只有少量區(qū)域被黑色覆蓋,表明只有少數(shù)區(qū)域有鈀活性點附著,PCB化學(xué)鍍鎳時有漏鍍現(xiàn)象;升高活化溫度至30～40℃時,銅表面呈大面積黑色外觀,表明形成了大量鈀活性點,PCB化學(xué)鍍鎳沒有出現(xiàn)漏鍍現(xiàn)象。

活化時間對銅表面微觀形貌及 PCB化學(xué)鍍鎳微觀形貌的影響,如圖7,圖8所示。由圖7,圖8可知:時間過短時(小于1 min）,銅表面所形成的活化點較少,PCB化學(xué)鍍鎳時存在漏鍍現(xiàn)象。

圖7 30℃不同活化時間處理后銅基體表面形貌

圖8 30℃不同活化時間處理后PCB化學(xué)鍍鎳的表面形貌

綜上所述,進(jìn)行活化工序時,必須考慮活化程度的影響,若溫度過低、時間過短,在銅表面形成的活性點不夠,則易出現(xiàn)漏鍍現(xiàn)象;而溫度過高、時間過長,易導(dǎo)致過度活化,則易出現(xiàn)滲鍍現(xiàn)象,不應(yīng)鍍鎳的線路也會鍍鎳,導(dǎo)致短路等問題。

3 結(jié)論

本文分析了各前處理工序?qū)CB表面化學(xué)鍍鎳/置換鍍金層性能的影響。結(jié)果表明:各前處理工序?qū)︽?金鍍層性能產(chǎn)生較大影響,得到了優(yōu)化后的前處理工藝參數(shù)為:35℃下,酸洗5 min可有效清除銅面油污;在30～40℃,1～2 min條件下微刻蝕效果較好;在30～40℃條件下活化 3 min,所得PCB化學(xué)鍍鎳層無漏鍍現(xiàn)象。

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[3] 胡光輝,李大樹,黃奔宇,等.化學(xué)鍍鎳浸金金厚不均探究[J].材料保護,2006,39(7）:64-65.

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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

哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海）研究基金(HIT(wh）XB200802）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(項目資助編號 HIT.NSRIF.2009155）

TQ 153

A

1000-4742(2011）05-0020-04

2010-11-22

·化學(xué)轉(zhuǎn)化膜·