細(xì)間距圖形電路無氰化學(xué)鍍金工藝研究*

劉東光，胡江華

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

微帶板圖形電路表面需制備導(dǎo)電性好、可焊性強(qiáng)、不受腐蝕、有一定厚度的鍍層，往往要在線條表面進(jìn)行鍍金。電鍍金工藝受線條細(xì)間距（≤50 μm）和寬度窄（≤50 μm）等因素影響，需借助工藝引線，實(shí)施起來比較復(fù)雜。另外電鍍鎳金層呈片狀生長的顆狀結(jié)晶，其晶間界溝容易受到鍍金液的攻擊，造成局部的過腐蝕，嚴(yán)重時會腐蝕到Cu基體，導(dǎo)致鍍金層附著性不好或焊接性不良，而且工藝產(chǎn)生的側(cè)邊腐蝕也會影響線條精度，同時也會污染鍍金液，縮短鍍金液的壽命，因此電鍍金較少被采納?；瘜W(xué)鍍金作為微帶板可焊性表面處理技術(shù)之一，兼具可選擇區(qū)域鍍、可接觸導(dǎo)通、優(yōu)良的鍵合性能，能兼容各種助焊劑，同時又是一種極好的銅面保護(hù)層，在國內(nèi)外逐漸得到重視和應(yīng)用[1～3]。

傳統(tǒng)有氰化學(xué)鍍金技術(shù)在微電路表面化學(xué)鍍時，鍍層厚度較薄，一般不超過2 μm，滿足不了可焊性要求，而且由于鍍液的長期使用，pH值降低，Au+發(fā)生歧化。導(dǎo)致Au微粒的產(chǎn)生。這些Au微粒在化學(xué)反應(yīng)和攪拌的作用下，能很快沉積到線條上，形成瘤子和毛刺。圖形電路線條間距太小，當(dāng)瘤子和毛刺發(fā)展到和旁邊導(dǎo)體相連時，就會引起電路的短路和失效。同時銅線條周邊的陶瓷絕緣基體由于活化步驟也會在上面析出金，容易發(fā)生鍍金層溢出現(xiàn)象[4,5]，這種鍍金層溢出容易引起電氣短路，而且有氰工藝對環(huán)境污染嚴(yán)重。

本文采用市售無氰工藝配方，在線寬距為50 μm/50 μm的圖形電路外表面鍍金。表層鍍金均勻一致，厚度可以達(dá)到2 μm以上，無鍍金層溢出現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明化學(xué)鍍金能滿足微波電路的長期可靠性要求。

2 實(shí)驗(yàn)條件與方法

2.1 試驗(yàn)材料

選用材料：實(shí)驗(yàn)所選用99% Al2O3陶瓷基板圖形電路最小線寬50 μm，線條最小間距50 μm。線條底層濺射Cr/Cu多層膜，圖1所示為圖形電路表面形貌?？梢钥闯銎渲芯€條表面具有少量微孔和夾雜，這是因?yàn)橥獗砻鍯u由于長時期大氣環(huán)境下放置，已部分被氧化和剝落。因此進(jìn)行化學(xué)鍍金工藝之前Cu表面都經(jīng)歷酸洗和真空干燥保存。

圖1 微帶板電路圖形和線條

2.2 化學(xué)鍍金工藝過程

無氰化學(xué)鍍金工藝采用市售日本田中公司（EEJA）工藝配方技術(shù)，如表1中所示。

表1 市售EEJA工藝配方

其基本工藝過程如下：除油→酸浸→微蝕→預(yù)浸→活化→化學(xué)鍍鎳→置換浸鍍金→化學(xué)鍍金→水洗→吹干，各步驟之間需要2～3道水洗。其中需要加熱的除油、化學(xué)鍍鎳、浸鍍金及化學(xué)鍍金步驟在玻璃燒杯中進(jìn)行，由水浴恒溫控制操作溫度。結(jié)合實(shí)際工藝試驗(yàn)，本文重點(diǎn)敘述鍍金工藝中化學(xué)鍍金建浴方法以及鍍液的維護(hù)。

建浴方法（標(biāo)準(zhǔn)1 L）：首先加入0.5 L PRECIOUSFAB ACG3000GX MAKE UP鍍槽內(nèi)。邊攪拌邊加入60～100 g PRECIOUSFAB ACG3000GX AGENT-K到鍍槽內(nèi)，使其全部溶解，邊攪拌邊加入25 mL PRECIOUSFAB ACG3000 Au SOLUTION（金屬Au 2 g），并使其完全混合，邊攪拌邊加入0.2 L PRECIOUSFAB ACG3000GX REDUCER，并使其完全混合。使用47%硫酸溶液（約4 mL）將pH調(diào)整到7.5。加入純水將液量體積調(diào)整到1 L并攪拌將鍍液升溫到65 ℃。

2.3 測試分析方法

用體式光學(xué)顯微鏡觀察微帶電路化學(xué)鍍金前后鍍層的表觀形貌，分析膜的形成規(guī)律。用數(shù)字式覆層測厚儀（MVC21000JMT1）測定鍍金層的厚度，恒壓探頭進(jìn)行檢測，不受人為因素的影響。采用3M膠帶進(jìn)行結(jié)合力測試。將膠帶在試片上壓牢，然后以垂直于鍍層表面方向以一定的速率將膠帶剝離，觀察鍍層是否剝掉。

按GJB150要求進(jìn)行96 h中性鹽霧試驗(yàn)，測試條件為：5% NaCl 水溶液，鹽霧沉降量為2 mL / L，pH為6. 5～7. 2，采用連續(xù)噴霧方式，實(shí)驗(yàn)溫度35 ℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 鍍層組織和性能

圖形電路化學(xué)鍍中易產(chǎn)生幾種典型的鍍層缺陷：結(jié)瘤、微坑或夾雜、側(cè)邊腐蝕，特別是銅線條周邊的陶瓷絕緣基體由于活化步驟也會在上面析出金，容易發(fā)生鍍金層溢出現(xiàn)象，而且線條間距太小，邊緣化學(xué)勢低，在線條間距和周邊容易引起枝晶，導(dǎo)致電路連接失效。

本工藝試驗(yàn)出的化學(xué)鍍金層表面形貌如圖2所示。鍍層表面光滑平整，顆粒大小一致，膜層均勻細(xì)致，致密，無瘤子，無色斑，相對于原始線條基底為致密態(tài)，整個線條表面沒有明顯的結(jié)瘤和夾雜，在線條邊緣也沒有出現(xiàn)毛刺和枝晶效應(yīng)?；瘜W(xué)鍍金后，間距為50 μm的電路圖形仍具有線條邊緣直、均勻、精度好、可靠性高、損耗小等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 化學(xué)鍍金層表面形貌

用EEJA配方技術(shù)獲得的鍍金層組織結(jié)構(gòu)特性如表2所示：EDS分析鍍層的成分，得出金鍍層純度為99. 9%。能達(dá)到電子電路對鍍金層的要求：用超聲熱壓對鍍層進(jìn)行焊接。其可焊性良好，焊接強(qiáng)度高。

表2 鍍層組織特性

3.2 鍍液的維護(hù)

化學(xué)鍍金要除去上述的鍍層缺陷，除仔細(xì)操作外，鍍液必須定期進(jìn)行維護(hù)和分析，維護(hù)主要從三個方面進(jìn)行。

3.2.1 金屬Au濃度

使用范圍：1.8～2.2 g/L。2.2 g/L以上時，鍍液不穩(wěn)定容易分解；1.8 g/L以下時，析出速度降低。使用PRECIOUSFAB ACG3000 Au SOLUTION調(diào)整。添加1g Au對應(yīng)添加12.5 mL PRECIOUSFAB ACG3000 Au SOLUTION。分析方法：AA測定。

3.2.2 pH值范圍

使用范圍：7.4～7.6。7.6以上鍍液容易分解，7.4以下析出速度會降低。調(diào)整：提高pH時，使用48%氫氧化鉀溶液。降低pH時，使用47%硫酸溶液。使用pH計測定。

3.2.3 溫度

使用范圍：63～67 ℃。67 ℃以上鍍液容易分解，63 ℃以下析出速度會降低。

3.3 工藝流程的要點(diǎn)

除油：用EETOREX 15脫脂劑室溫下去除銅線路表面油脂污垢，使其活化而形成適合于化學(xué)鍍的表面狀態(tài)，進(jìn)行2 min。其中特別注意脫脂劑含有大量表面活性劑，需用熱水、去離子水反復(fù)充分洗滌。

微蝕：用MICROFAB 74使銅線條表面粗化以獲得附著力良好的鍍層。微蝕時間應(yīng)視濺射銅層厚度而定，以防過蝕。試驗(yàn)微蝕1 min，為防止銅表面的快速氧化，采取預(yù)浸步驟后立即置于活化液中。

活化：采用LECTROLESS AC-2基本液于室溫下在銅線路上析出鈀活化中心2 min?；罨瘯r間太長或太短分別會造成滲鍍或漏鍍現(xiàn)象。另外活化后的水洗也很重要，過多的沖洗易使活化中心消失。

化學(xué)鍍鎳：采用LECTROLESS NP7600在80 ℃槽液下在已活化的銅表面反應(yīng)析出鎳-磷鍍層，施鍍時間5 min，厚度大約為1.3 μm。

置換鍍金：采用LECTROLESS Au 1100在常溫下進(jìn)行置換鍍金反應(yīng)，鍍Ni層表面逐漸被金所覆蓋的過程中，上述反應(yīng)會越來越慢直至Ni鍍層表面被完全覆蓋，本試驗(yàn)施鍍2 min，厚度約為0.05 μm。

化學(xué)鍍金：PRECIOUSFAB ACG3000GX為中性無氰自還原型-化學(xué)金鍍液，65 ℃條件下1 h可以沉積0.5～0.8 μm的厚度，可以根據(jù)需要的膜厚進(jìn)行調(diào)整。鍍金層厚度隨反應(yīng)時間的延長而增加，當(dāng)化學(xué)鍍金層厚度大于0.3 μm時，鍍層幾乎沒有孔隙。本試驗(yàn)進(jìn)行化學(xué)還原鍍金2.7 h。厚度為2.1～2.4 μm。

4 總結(jié)

化學(xué)鍍金工藝采用市售成熟鍍金開缸劑和添加劑。工藝操作簡單、方便，不需昂貴的設(shè)備。在圖形電路上實(shí)施化學(xué)鍍金，鍍層表面光滑平整，沒有明顯的結(jié)瘤和夾雜，線條邊緣也沒有出現(xiàn)毛刺和枝晶效應(yīng)。鍍金后圖形仍具有線條邊緣直、均勻、精度好、可靠性高、損耗小等優(yōu)點(diǎn)。該工藝技術(shù)在制作精細(xì)、復(fù)雜的微波器件方面具有其他技術(shù)無法企及的優(yōu)越性。新工藝清潔環(huán)保，能減少對環(huán)境的氰化物污染。

[1] 劉海萍，畢四富，朱國麗，等. 工藝參數(shù)對印刷線路板表面化學(xué)鍍鎳-置換鍍金層性能的影響[J]. 電鍍與環(huán)保，2012, 33（1）：15-18.

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