微波印制電路引線鍍金厚度均勻性的改善

戴廣乾*，曾策，邊方勝，許冰，閔顯超，林玉敏，陳全壽

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

電鍍金層因具有良好的耐蝕性、可焊性，低表面接觸電阻，以及高紅外線輻射系數(shù)和反射系數(shù)，故非常適用于微波傳輸，是微波印制電路板表面鍍覆廣泛采用的方式之一[1]。微波印制電路的電鍍金通常直接在表面線路銅層上進(jìn)行，中間沒有鎳阻擋層。這是因?yàn)殒嚲哂惺覝罔F磁性，會(huì)對(duì)微波傳輸帶來不利影響，通常不被用于微波和毫米波電路[2]。金、銅都屬于面心立方的晶格結(jié)構(gòu)體系，兩者之間容易互相擴(kuò)散。銅上直接鍍金時(shí)，若金鍍層較薄，則銅和金在存儲(chǔ)、高溫組裝和長(zhǎng)時(shí)間使用過程中會(huì)互擴(kuò)散，導(dǎo)致金絲焊接性能降低。據(jù)IPC-2252-2002《射頻/微波電路板設(shè)計(jì)指南》可知，通常要求鍍金層厚度在3.8 μm以上，以保證金絲焊接的長(zhǎng)期可靠性，這也導(dǎo)致電鍍金鹽在微波印制電路生產(chǎn)成本中的占比高達(dá)近50%。

一般的數(shù)字電路通常是一個(gè)電連通的網(wǎng)絡(luò)，而微波印制電路經(jīng)常有“分立”的圖形結(jié)構(gòu)存在，其表面的電鍍金需采用“引線圖形電鍍”的方式進(jìn)行：在表面線路圖形制作過程中添加輔助的電鍍工藝引線來將所有分立的線路圖形連成一個(gè)整體電導(dǎo)通的網(wǎng)絡(luò)，再引至一個(gè)電鍍夾點(diǎn)進(jìn)行電鍍，最后去除輔助的工藝引線。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于鍍金層厚度不均勻，為使最低厚度滿足金絲焊接性的要求，不得不延長(zhǎng)電鍍時(shí)間，這就額外增加了鍍金的成本。因此，提高鍍金層的厚度均勻性對(duì)降低鍍金成本有著重要意義。

圖形電鍍層厚度均勻性的影響因素主要有：電路圖形分布，陽(yáng)極板的大小和距離，電鍍夾具，鍍液的循環(huán)，掛具的移動(dòng)方式，等等[3]。由于電路圖形和電鍍?cè)O(shè)備本身很難改變，本文從改進(jìn)電鍍夾具和電鍍工藝參數(shù)方面著手來改善鍍金層厚度均勻性。首先對(duì)現(xiàn)有電鍍金工藝的厚度均勻性進(jìn)行評(píng)測(cè)，再分別從鍍金夾具改進(jìn)、鍍液溫度、電流密度等主要工藝參數(shù)入手，得到較優(yōu)的鍍金夾具設(shè)計(jì)和電鍍工藝參數(shù)，最后通過金絲焊接試驗(yàn)對(duì)最優(yōu)工藝進(jìn)行驗(yàn)證，以求滿足微波印制電路產(chǎn)品表面鍍覆的要求。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 工藝流程

電路板表面圖形制作(典型產(chǎn)品1、2、3如圖1所示)→磨拋→酸洗(體積分?jǐn)?shù)為5%的硫酸)→裝夾→水洗→電鍍金→水洗→風(fēng)干→烘干→檢測(cè)。

圖1 典型微波電路產(chǎn)品的表面圖形示意圖Figure 1 Schematic diagram showing the surface patterns of typical microwave printed circuit products

1.2 現(xiàn)有電鍍金配方和工藝參數(shù)

采用某市售藥水體系，廠商推薦的工藝參數(shù)見表1。

表1 金鹽廠家推薦的鍍金配方和工藝參數(shù)Table 1 Bath composition and process parameters for gold electroplating recommended by the supplier

由于現(xiàn)有電鍍槽體狹小，為了能盡量多掛些產(chǎn)品，采用了電路片表面與陽(yáng)極板垂直這種不太合理的掛件方式。這使得電路片的邊緣距陽(yáng)極板很近而電流密度大，容易造成鍍層燒焦。故實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)置的電流密度較低，甚至低于廠家推薦的下限。另外，為了盡可能降低氰化物揮發(fā)所帶來的危險(xiǎn)性，目前電鍍的溫度也比廠商推薦的下限略低。電鍍工藝參數(shù)的現(xiàn)狀為：Au+6 ～ 12 g/L，電流密度0.15 A/dm2，溫度 52 °C，時(shí)間 45 min。

1.3 性能檢測(cè)和表征方法

1.3.1 厚度及其均勻性

用日立SFT-110型X射線熒光鍍層測(cè)厚儀測(cè)量鍍金層厚度δ。按式(1)和式(2)[4]計(jì)算厚度均勻性系數(shù)(COV)以表征厚度均勻性。COV越小，厚度均勻性越好。

式中σ為金層厚度的標(biāo)準(zhǔn)差，δi為單個(gè)測(cè)試點(diǎn)的厚度(單位：μm)，為金層厚度的平均值。

因微波電路產(chǎn)品的尺寸很小，故通常采用陣列的方式進(jìn)行加工。如圖2所示，該陣列由4行12列共48件產(chǎn)品組成，其中的“行”、“列”表示選取的測(cè)試點(diǎn)在整版陣列電路片中所處的位置。為了盡量避免電路圖形分布對(duì)厚度均勻性的影響，選擇在相同的圖形塊(即圖2中紅色圓圈標(biāo)記的部分)上進(jìn)行測(cè)試。

1.3.2 實(shí)際加工能力

CPK(制程能力指數(shù))是指在一定時(shí)間里，工藝處于控制狀態(tài)(穩(wěn)定狀態(tài))下的實(shí)際加工能力，按式(3)進(jìn)行計(jì)算。CPK越大，表示工序的實(shí)際加工能力越好。

圖2 測(cè)試點(diǎn)位置選擇示意圖Figure 2 Schematic diagram showing the location of points to be tested

式中LSL為規(guī)格下限，本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況取2 μm。

1.3.3 表面形貌

采用TESCAN VEGA 3 LMU型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察圖形電路片表面電鍍金層的微觀形貌。

1.3.4 鍵合強(qiáng)度

利用超聲熱壓焊技術(shù)將微組裝工藝常用的直徑為25 μm的金絲焊接在電鍍金層上。按照GJB 548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中的方法，在DAGA 4000型多功能焊接強(qiáng)度測(cè)試儀上對(duì)金絲做破壞性拉力試驗(yàn)，考察金絲的鍵合強(qiáng)度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的密封前最小強(qiáng)度要求(3 g)。

2 結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)有電鍍工藝的厚度均勻性評(píng)測(cè)

從圖3可見，采用現(xiàn)有圖形電鍍金工藝在不同產(chǎn)品上所得鍍層并沒有統(tǒng)一的厚度分布規(guī)律。產(chǎn)品1的鍍層呈中間薄兩側(cè)厚的特點(diǎn)。產(chǎn)品2的鍍層則是從一側(cè)向另一側(cè)厚度逐漸增大，離夾點(diǎn)越遠(yuǎn)，厚度越大。

圖3 不同產(chǎn)品的金層厚度分布Figure 3 Thickness distribution of gold coatings on the surfaces of different products

由表2可知，厚度均勻性因產(chǎn)品不同而有一定差異，但基本都保持在20% ～ 25%范圍內(nèi)，最小CPK為0.656。

表2 不同產(chǎn)品的金層厚度均勻性分析結(jié)果Table 2 Analysis results of thickness uniformity of gold coatings on the surfaces of different products

2.2 新型電鍍夾具的設(shè)計(jì)

經(jīng)過幾次設(shè)計(jì)改版和試用改進(jìn)，最終得到3種比較實(shí)用的新型電鍍夾具，如圖4所示。

圖4 新電鍍夾具的結(jié)構(gòu)Figure 4 Structures of newly developed clamps for electroplating

2.2.1 特點(diǎn)

2.2.1.1 電路片表面與陽(yáng)極平行放置

采用舊夾具時(shí)因陰極與陽(yáng)極垂直(見圖5a)，使得陰極表面各處因與陽(yáng)極距離不同而電流密度分布不均，影響鍍層厚度的均勻性。采用新夾具后陰極與陽(yáng)極平行(見圖5b)，在電鍍過程中電路片表面各點(diǎn)與陽(yáng)極的距離相當(dāng)，能夠保證電流密度均勻分布，使鍍層的厚度均勻性得到改善。

圖5 新舊夾具夾持電路片的方式Figure 5 Photos showing the circuit boards clamped by the old and new ways

2.2.1.2 整體框架和夾點(diǎn)均為包膠設(shè)計(jì)，采用螺紋固定夾持電路片

舊夾具采用鈦材框架，鱷魚夾夾持。電鍍過程中導(dǎo)電的鱷魚夾浸泡于鍍液中，其表面不可避免地被鍍上金。不僅浪費(fèi)金鹽，而且隨金層厚度的增大，其夾持力不斷下降，需要不定期更換。新夾具外觀整體均采用絕緣包膠設(shè)計(jì)，電鍍過程中僅有夾點(diǎn)導(dǎo)電，可避免夾具對(duì)金鹽的冗余消耗，并延長(zhǎng)夾點(diǎn)的壽命。另外，新夾具采用螺紋式夾持固定電路片，夾持力大，使電路片不易移位，適用于多種不同厚度的電路片。

2.2.1.3 新夾具的結(jié)構(gòu)可根據(jù)產(chǎn)品拼版尺寸不同而改變

鑒于微波印制電路產(chǎn)品種類多，批量小，拼版尺寸不固定的生產(chǎn)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)的夾具結(jié)構(gòu)主要從夾點(diǎn)的數(shù)量和距離兩個(gè)方面進(jìn)行調(diào)整，可以涵蓋目前所有類型的產(chǎn)品。其中，類型1的夾具適合夾持寬度方向?yàn)?00 mm的拼版尺寸產(chǎn)品，類型2的夾具，適合夾持寬度方向?yàn)?50 mm的拼版尺寸產(chǎn)品，類型3的夾具，適合夾持寬度方向?yàn)?30 mm的拼版尺寸的產(chǎn)品。

2.2.2 評(píng)測(cè)

采用現(xiàn)有的工藝參數(shù)以新的電鍍夾具電鍍金，厚度測(cè)量結(jié)果如圖6和表3所示?？梢娛褂眯聤A具后鍍金厚度均勻性得到改善，CPK也有大幅提高(增幅超過1.6倍)。

2.3 采用新夾具后的電鍍工藝參數(shù)優(yōu)化

2.3.1 鍍液溫度

其余參數(shù)同1.2節(jié)，采用廠商推薦的最低電流密度0.2 A/dm2，以產(chǎn)品3為基體，在不同溫度下電鍍，考察鍍液溫度對(duì)鍍層外觀和厚度均勻性的影響。從宏觀上看，在 60 ～ 70 °C下所得鍍層的光澤度明顯優(yōu)于55 °C下所得鍍層。這可能是由于升溫使鍍液的對(duì)流傳質(zhì)加快[5]，被消耗的金離子能快速得到補(bǔ)充，因而結(jié)晶充分。從圖7可見，隨鍍液溫度升高，鍍層晶粒有粗化的趨勢(shì)，這應(yīng)該是陰極反應(yīng)和離子擴(kuò)散過快，晶粒生長(zhǎng)過快所致。

圖6 采用新夾具后金層的厚度分布Figure 6 Thickness distribution of gold coatings electroplated by using the new clamps

表3 采用新夾具后不同產(chǎn)品的金層厚度均勻性分析結(jié)果Table 3 Analysis results of thickness uniformity of gold coatings on the surfaces of different products after using the new clamps

圖7 不同鍍液溫度下所得金層的微觀形貌Figure 7 Microscopic morphologies of gold coatings electroplated at different temperatures

由表4可知，在溫度55 ～ 65 °C下所得鍍層的均勻性良好，CPK較高(在1.36以上)，70 °C時(shí)COV顯然達(dá)到了最高，CPK也急劇下降至最低。

表4 不同溫度下所得金層的厚度均勻性分析結(jié)果Table 2 Analysis results of thickness uniformity of gold coatings electroplated at different temperatures

綜合考慮鍍層光澤度、微觀組織變化、厚度均勻性以及CPK，確定適宜的溫度為55 ～ 65 °C。下文選擇在60 °C下進(jìn)行試驗(yàn)，以考察電流密度的影響。

2.3.2 電流密度

從圖8可知，隨著電流密度從0.15 A/dm2升至0.50 A/dm2，鍍層的微觀組織有粗化的趨勢(shì)，提高電流密度至0.70 A/dm2時(shí)又細(xì)化。而從表5來看，電流密度為0.15 A/dm2時(shí)鍍層均勻性較差，CPK也較低；在0.20 ～ 0.70 A/dm2的電流密度范圍內(nèi)，COV基本在10%左右，其中0.30 A/dm2下所得鍍層的均勻性最好，CPK也較高。由此確定電流密度窗口為0.20 ～ 0.70 A/dm2，日常操作一般取0.30 A/dm2。

圖8 不同電流密度下所得金層的微觀形貌Figure 8 Microscopic morphologies of gold coatings electroplated at different current densities

表5 不同電流密度下所得金層的厚度均勻性Table 5 Analysis results of thickness uniformity of gold coatings electroplated at different current densities

2.4 鍵合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

從表6可知，不同工藝條件下所得試樣的鍵合強(qiáng)度均滿足GJB 548B-2005規(guī)定的大于3 g以及筆者所在研究所內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)(大于5 g)的要求。

綜上，推薦鍍液溫度和電流密度分別為55 ～ 65 °C和0.2 ～ 0.7 A/dm2，最佳為60 °C和0.3 A/dm2。考慮到提高溫度會(huì)加快鍍液揮發(fā)，因此要求操作人員的安全防護(hù)措施更為嚴(yán)格。同時(shí)升溫是否影響鍍液穩(wěn)定性，還需要在新參數(shù)試用一段時(shí)間后再進(jìn)一步考察。

3 結(jié)論

通過改進(jìn)電鍍夾具設(shè)計(jì)，使陰極與陽(yáng)極表面以平行的方式電鍍，將電鍍溫度和電流密度分別由原先的52 °C、0.15 A/dm2升高到60 °C和0.3 A/dm2。由此得到的鍍金層厚度均勻性COV由20% ～ 25%降至11%以下，鍵合強(qiáng)度大于5 g，CPK由0.65提升至2.10以上。

表6 不同工藝條件下所得金層的鍵合強(qiáng)度Table 6 Bonding strength of gold coatings electroplated under different conditions(單位：g)