化金工艺Word文档格式.docx
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H2PO2-+H→H2O+OH-+P
H2PO2-+H2O→H++HPO32-+H2↑
2.1.6作用
化学镍的厚度一般控制在3~5μm,其作用同金手指电镀镍一样,不
但对铜面进行有效保护,防止铜的迁移,而且具备一定硬度和耐磨性
能,同时拥有良好的平整度.在镀件浸金保护后,不但可以取代拨插
不频繁的金手指用途(如计算机内存条),同时还可以避免金手指附近
连接导电处斜边时所遗留裸铜切口.
浸金原理
2.3浸金
是指在活性镍表面,通过化学置换反应沉积薄金.
化学反应:
2Au(CN)2-+Ni→2Au+Ni2++4CN-
2.4作用
浸金的厚度一般控制在0.05~0.1μm,对镍面具有良好的保护作用,
而且具备很好的接触导通性能.很多需按键接触的电子器械(如手机、
电子字典),都采用化学浸金来保护镍面.
三、化学镍金工艺流程
2.1.7工艺流程简介
作为化学镍金流程,只要具备6个工作站就可满足其生产要求.
3~7min
1~2min
0.5~4.5min
2~6min
20~30min
7~11min
除油
微蚀
预浸
活化
沉镍
沉金
2.5工艺控制
2.1.8除油缸
一般情况,PCB沉镍金采用酸性除油剂来处理制板,其作用在于去
除铜面之轻度油脂及氧化物,达到铜面清洁及增加润湿效果的目的.
它应当具备不伤SoiderMask(绿油),低泡型易水洗的特点.
除油缸之后通常为二级市水洗,如果水压不稳定或经常变化,则将逆
流水洗设计为三及市水洗更佳.
2.1.9微蚀缸
微蚀的目的在于清洁铜面氧化及前工序遗留残渣,保持铜面新鲜及增
加化学镍层的密着性,常用微蚀液为酸性过硫酸钠溶液.
Na2S2O8:
80~120g/L
硫酸:
20~50ml/L
沉镍金生产也有使用硫酸双氧水或酸性过硫酸钾微蚀液来进行的.
由于铜离子对微蚀速率影响较大,通常须将铜离子的浓度控制有
5~25g/L,以保证微蚀速率处于0.5~1.5μm,生产过程中,换缸时往
往保留1/5~1/3缸母液(旧液),以保持一定的铜离子浓度,也有使用
少量氯离子加强微蚀效果.
另外,由于带出的微蚀残液,会导致铜面在水洗过程中迅速氧化,所
以微蚀后水质和流量以及浸泡时间都须特别考虑.否则,预浸缸会产
生太多的铜离子,继而影响钯缸寿命.所以,在条件允许的情况下(有
足够的排缸),微蚀后二级逆流水洗之后,再加入5%左右的硫酸浸
洗,经二级逆流水洗之后进入预浸缸.
2.6预浸缸
预浸缸在制程中没有特别的作用,只是维持活化缸的酸度以及使铜面
在新鲜状态(无氧化物)下,进入活化缸.
理想的预浸缸除了Pd之外,其它浓度与活化缸一致.实际上,一般硫
酸钯活化系列采用硫酸作预浸剂,盐酸把钯活化系列采用盐酸作预浸
剂,也有使用铵盐作预浸剂(PH值另外调节).否则,活化制程失去保
护会造成钯离子活化液局部水解沉淀.
2.7活化缸
活化的作用是在铜面析出一层钯,作为化学镍起始反应之催化晶核.
其形成过程则为Pd与Cu的化学置换反应.
从置换反应来看,Pd与Cu的反应速度会越来越慢,当Pd与Cu完
全覆盖后(不考虑浸镀的疏孔性),置换反应即会停止,但实际生产
中,人们不可能也不必要将铜面彻底活化(将铜面完全覆盖).从成本上
讲,这会使Pd的消耗大幅大升.更重要的是,这容易造成渗镀等严重
品质问题.
由于Pd的本身特性,活化缸存在着不稳定这一因素,槽液中会产生
细微的(5m滤芯根本不可能将其过滤)钯颗粒,这些颗粒不但会沉积
在PCB的Pad位上,而且会沉积在基材、绿油以及缸壁上.当其积累
到一定程度,就有可能造成PCB渗镀以及缸壁发黑等现象.
影响钯缸稳定性的主要原因除了药水系列不同之外,钯缸控制温度和
钯离子浓度则是首要考虑的问题.温度越低,钯离子浓度越低,越有
利于钯缸的控制.但不能太低,否则会影响活化效果,引起漏镀发生.
通常情况下,钯缸温度设定在20~30℃,其控制范围应在±
1℃,而钯
离子浓度则控制在20~40ppm,至于活化效果,则按需要选取适当的
时间.
当槽壁及槽底出现灰黑色的沉积物,则需硝槽处理.其过程为:
加入1:
1硝酸,启动循环泵2小时以上或直到槽壁灰黑色沉积物完
全除去为止.适当时可考虑加热,但不可超过50℃,以免空气污染.
另外,也有人认为活化带出的钯离子残液在水洗过程中会造成水解,
从而吸附在基材上引起渗镀,所以,应在活化逆流水洗之后,多加硫
酸或盐酸的后浸及逆流水洗的制程.
事实上,正常情况下,活化带出的钯离子残液体,在二级逆流水洗过
程中可以被洗干净.吸附在基材上的微量元素,在镍缸中不足以导致
渗镀的出现.另一方面,如果说不正常因素导致基材吸附大量活化残
液,并不是硫酸或盐酸能将其洗去,只能从根源去调整钯缸或镍缸.
增加后浸及逆流水洗,其作用只是避免水中Pd含量太多而影响镍缸.
需要留意的是,水洗缸中少量的Pd带入镍缸,并不会对镍缸造成太
大的影响,所以不必太在意活化后水洗时间太短,一般情况下,二级
水洗总时间控制在1~3min为佳.尤其重要的是,活化后水洗不可使用
超声波装置,否则,不但导致大面积漏镀,而且渗镀问题依然存在.
2.8沉镍缸
化学沉镍是通过Pd的催化作用下,NaH2PO2水解生成原子态H,
同时H原子在Pd催化条件下,将镍离子还原为单质镍而沉积在裸铜
面上.
作为化学沉积的金属镍,其本身也具备催化能力.由于其催化能力劣
于钯晶体,所以反应初期主要是钯的催化作用在进行.当镍的沉积将
钯晶体完全覆盖时,如果镍缸活性不足,化学沉积就会停止,于是漏
镀问题就产生了.这种渗镀与镍缸活性严重不足所产生的漏镀不同,
前者因已沉积大约20μ"
的薄镍,因而漏镀Pad位在沉金后呈现白色
粗糙金面,而后者根本无化学镍的沉积,外观至发黑的铜色.
从化学镍沉积的反应看出,在金属沉积的同时,伴随着单质磷的析出.
而且随着PH值的升高,镍的沉积速度加快的同时,磷的析出速度减
慢,结果则是镍磷合金的P含量降低.反之,随着PH值的降低,镍
磷含金的P含量升高.
化学镍沉积中,磷含量一般在7~11%之间变化.镍磷合金的抗蚀性能
优于电镀镍,其硬度也比电镀镍高.
在化学沉镍的酸性镀液中,当PH6时,镀液很容易产生Ni(OH)2沉
淀.所以一般情况,生产中PH值控制在4.5~5.2之间.由于镍沉积过
程产生氢离子(每个镍原子沉积的同时释放4个氢离子),所以生产过
程中PH的变化是很快的,必须不断添补碱性药液来维持PH值的平
衡.
通常情况下,氯水和氢氧化钠都可以用于生产维持PH值的控制,两
者在自动补药方面差别不大,但在手动补药时就应特别关注.加入氨
水时,可以观察到蓝色镍氨络离子出现,随即扩散时蓝色消失,说明
氨水对化学镍是良好的PH调整剂.在加入氢氧化钠溶液时,槽液立
即出现白色氢氧化镍沉淀粉末析出,随着药水扩散,白色粉末在槽液
的酸性环境下缓慢溶解.所以,当使用氢氧化钠溶液作为化学镀的PH
调整剂时,其配制浓度不能太高,加药时应缓慢加入.否则会产生絮
状粉末,当溶解过程未彻底完成前,絮状粉末就会出现镍的沉积,必
须将槽液过滤干净后,才可以重新开始生产.
在化学镍沉积的同时,会产生亚磷酸盐(HPO32-)的副产物,随着生
产的进行,亚磷酸盐浓度会越来越高,于是反应速度受生成物浓度的
长高而抑制,所以镍缸寿命末期与初期的沉积速度相差1/3则为正常
现象.但此先天不足可采用调整反应物浓度方式予以弥补,开缸初期
Ni2+浓度控制在4.60g/L,随着MTO的增加Ni2+浓度控制值随之提
高,直至5.0g/L停止.以维持析出速度及磷含量的稳定,以确保镀层
品质.
影响镍缸活性最重要的因素是稳定剂的含量,常用的稳定剂是
Pb(CH3COO)2或硫脲,也有两种同时使用的.稳定剂的作用是控制
化学沉镍的选择性,适量的稳定剂可以使活化后的铜面发生良好的镍
沉积,而基材或绿油部分则不产生化学沉积.当稳定剂含量偏低时,
化学沉镍的选择性变差,PCB表面稍有活性的部分都发生镍沉积,
于是渗镀问题就发生了.当稳定剂含量偏高时,化学沉积的选择性太
强,PCB漏铜面只有活化效果很好的铜位才发生镍沉积,于是部分
Pad位出现漏镀的现象.
镀覆PCB的装载量(以裸铜面积计)应适中,以0.2~0.5dm2/L为宜.
负载太大会导致镍缸活性逐渐升高,甚至导致反应失控;
负载太低会
导致镍缸活性逐渐降低,造成漏镀问题.在批量生产过程中,负载应
尽可能保持一致,避免空缸或负载波动太大的现象.否则,控制镍缸
活性的各参数范围就会变得很窄,很容易导致品质问题发生.
镀液应连续过滤,以除去溶液中的固体杂质.镀液加热时,必须要有
空气搅拌和连续循环系统,使被加热的镀液迅速传播.当槽内壁沉积
镍层时,应该及时倒缸(将药液移至另一备用缸中进行生产),然后用
25%~50%(V/V)的硝槽进行褪除,适当时可考虑加热,但不可超过50
℃.
至于镍缸的操作控制,在温度方面,不同系列沉镍药水其控制范围不
同.一般情况下,镍缸操作范围86±
5℃,有的药水则控制在81±
5℃.
在生产中,具体设定根据试板结果来定,不同型号的制板,有可能操
作温度不同.通常一个制板的良品操作范围只有±
2℃,个别制板也有
可能小于±
1℃.在浓度控制方面,采用对Ni2+的控制来调节其它组分
的含量,当Ni2+浓度低于设定值时,自动补药器开始添加一定数量
的药水来弥补所消耗的Ni2+,而其它组分则依据Ni2+添补量按比例
同时添加.
镍层的厚度与镀镍时间呈线性关系.一般情况下,200μ"
镍层厚度需镀
镍时间28min,150μ"
镍层XX需镀镍时间21min左右.由于不同的制
板所需的活性不同,为减轻镍缸控制的压力(即增大镍缸各参数的控
制范围),可以考虑采用不同的活化时间,例如正常生产Pd缸有一个
时间,容易渗镀的制板另设定活化时间.这样一来,则可以组合成六
个程序来进行生产.需要留意的是,对于多程序生产,应当遵循一个
基本原则,就是所有程序飞巴的起始位置必须保持一致,否则连续生
产中切换程序容易造成过多的麻烦.
镍缸的循环量一般设计在5~10turnover(每小时),布袋式过滤应优先
选择考虑.摇摆通常都是前后摆动设计,但对于laser盲孔板,镍缸和
金缸设计为上下振动为佳.
2.9沉金缸
置换反应形式的浸金薄层,通常30分钟可达到极限厚度.由于镀液
Au的含量很低,一般为1~2g/L,溶液的扩散速度影响到大面积Pad
位与小面积Pad位沉积厚度的差异.一般来说,独立位小Pad位要比
大面积Pad位的金厚度高100%也属正常现象.
对于PCB的沉金,其金面厚度也会因内层分布而相互影响,其个别
Pad位也会出较大的差异.
通常情况下,沉金缸的浸镀时间设定在7~11分钟,操作温度一般在
80~90℃,可以根据客户的金厚要求,通过调节温度来控制金厚.需要
留意的是,金缸容积越大越好,不但其Au浓度变化小而有利于金厚
控制,而且可以延长换缸周期.
为了节省成本,金缸之后需加装回收水洗,同时也可减轻对环境的污
染.回收缸之后,一般都是逆流水洗.
四、关于生产线的设计
2.1.10沉镍金自动线
0.6排缸
从生产线的角度来看,排缸数量越少越好,一方面可以减少不必要的
天车运行距离和时间,另一方面,还可以节省投资成本以及占地空间.
关于排缸的顺序,一般情况应从产能、滴水污染、天车运行及操作方
便等几个因素来考虑.镍缸由于保养费时,所以应当排放一备用缸.
对于每天大约3KSF产能的生产线,设计一台天车则可以满足生产,
建议排缸顺序如下:
(1)上下料、
(2)(3)(4)三级逆流水洗、(5)回收、(6)金缸、(7)(8)二级逆
流水洗、(9)(10)双架位镍缸、(11)(12)备用双架位镍缸、(13)(14)二级
逆流水洗、(15)活化缸、(16)预浸缸、(17)(18)二级逆流水洗、(19)
酸洗缸、(20)(21)二级逆流水洗、(22)微蚀缸、(23)(24)(25)三级逆
流水洗、(26)除油缸
对于每天大约4.5KSF产能的生产线,需设计两台天车来满足生产需
求,建议排缸顺序如下:
(1)上下料、
(2)(3)(4)三级逆流水洗、(5)回收、(6)(7)双架位金缸、(8)
(9)二级逆流水洗、(10)(11)(12)三架位镍缸、(13)(14)(15)备用三架
位镍缸、(16)除油缸、(17)(18)(19)三级逆流水洗、(20)微蚀缸、
(21)(22)二级逆流水洗、(23)酸洗缸、(24)(25)二级逆流水洗、(26)预
浸缸、(27)活化缸、(28)(29)二级逆流水洗
对于每天大约6KSF的生产数,只需将三架位镍缸改为四架位镍缸即
可.
对于更大产能的生产线,则应考虑将缸的宽度和深度以及长度加大,
以提高每架板的挂板数量.
挂板设计
关于挂窗尺寸,一般考虑最大板横挂.如18"
×
24"
板则将24"
边打横挂
入,否则药水在板面滑落时间比横挂增加30%以上.因此,镍缸的有
效宽度和有效深度一般为26"
21"
左右,其它缸则参考镍缸的挂板空
间.
这样的设计,可以避免镍缸太深而导致药水交换不佳等问题.同时小
尺寸生产则可以挂两排,以增加产量和弥补镍缸负载的不足.
关于挂具的设计,应最大限度减少挂具在药液中浸泡的面积,降低药
水带出以及挂具上沉积镍金的问题.同时,硝挂具一般采用王水,其
操作的困难度较大,所以也应考虑保养的方便.
建议使用PP夹板,每个挂具挂板15~20块,每块隔板的厚度以10mm
为佳.顶部以316不锈钢定夹板,下边以铁弗龙包胶U型相框来固定
挂板.
2.10缸体材质
由于镍缸和金缸操作温度在80~90℃,所以缸体不但须耐高温,而且
须不易渗漏.所以一般使用316不锈钢做镍缸,缸壁最好采用镜面抛
光.金缸一般使用耐热PP或不锈钢内衬铁弗龙.其它缸采用普通PP
材质即可.
对于镍缸,如果仅生产单双面板,也可考虑使用耐热PP材质.但对于
盲孔板,由于布线复杂,沉镍金生产过程中,线路间有可能出现相互
影响而易产生漏镀,所以镍缸操作比单、双面板要高出5℃左右,甚
至达到90℃以上.对采用PP材质的镍缸,不可避免产生大量的镍沉
积在缸底,给操作带来很多问题.所以,镍缸及其缸内附件,包括加
热和打气系统,如果使用不锈钢材质,则能够通过正电保护抑制上
镍,不但使用镍缸操作变得容易,而且在成本方面避免不必要的浪费.
2.11程序
沉镍金生产,往往不可能只有一两种制板生产.由于每一种制板都有
可能需要不同的活性,所以沉镍金生产线,最好有四个以上的程序
段,来满足不同的生产需求.
2.1.11前后处理设备
0.7前处理
由于沉镍金生产中"
金面颜色不良"
问题,通过调整系统活性以及加强
微蚀速度等方式,虽然有时会凑效,但常常既费时又费力,而且这些
措施很不安全,稍不注意就产生另一种报废.所以,在有条件的情况
下,另设计一条水平线作为前处理,通过增加制程来拓宽沉镍金参数
范围的控制.
磨刷→水洗→微蚀→水洗→干板
磨刷:
通常采用500-1000#尼龙刷辘,在喷水装态下清洁铜面,以除去绿油
工序残留的药液以及轻度的冲板不净剩余残渣.如果绿油工序制程稳
定,或出现问题的可能性很小,则磨刷这个制程不需要设计.
微蚀:
通常使用80-120g/L的过硫酸钠与5%的硫酸配制槽液,通过调节温
度,使微蚀率控制在1μm左右,它的作用是清洁铜面.去除前工序(主
要指绿油)残留在板面的药水渍或严重氧化等铜面杂物,防止沉镍金
出现由前工序引起的甩镍、金面颜色不良、渗镀等问题.
需要注意的是,前处理若使用了水平微蚀剂,沉镍金制程中的微蚀缸
仍需保留,但微蚀率达到0.5μm即可,否则易造成铜厚不足的问题.
2.12后处理
由于沉镍金表面正常情况下光洁度和平整度很好,所以轻微的金面氧
化或水渍都会使金面颜色变得很难看.而沉镍金生产线纵然控制到最
佳,也只能杜绝金面氧化,对于烘干缸因水珠而遗留的水渍实在是无
能为力.
高压水洗机不但可以有效地清洗板面残留药水,防止金面氧化,而且
干板过程有风力将水珠吹走,完全避免残留水珠而造成的水渍问题.
也有人在高压水洗机前加一段2%的酸洗段,以洗去因金缸后造成的
金面氧化.这也是事后补救的一种可取的方法.因为金面残留的药水在
短短的水洗过程中造成金面氧化,那说明它对金面的攻击作用是远远
大于2%的盐酸或硫酸,而且水平酸洗过程也不足十秒,之后又有高
压水洗和干板,其对于镍金面的影响应该可以忽略不计.但是,有的
客户明确提出而且强烈反对沉金板酸洗,那也是没有办法的事,客户
是上帝,他不喜欢的事最好别做.
2.1.12循环过滤泵、加热及打气装置
0.8循环过滤泵
为保持槽液有一定的循环效果,除油、微蚀、活化、沉镍、沉金各缸
都需要加装循环泵,除镍缸之外以上各缸还需加装过滤器,通过5μm
滤芯来过滤槽液.
对于镍缸其循环不但要求均匀,有利于药液扩散和温度扩散,而且不
能流速太快而影响化学镍的沉积,通常其循环量6-7turnover为佳.
同时镍缸还需过滤,以除去槽液中杂物.由于棉芯容易上镍,所以应
首先考虑布袋式过滤系统.关于镍缸的溢流问题,由主缸流入副缸,
更有利于药水扩散和温度平衡.
2.13加热装置
除油、微蚀、活化、沉镍、沉金各缸都需要加热系统,除镍金之外,
均可使用石英或铁弗龙加热器.对于镍缸,最好采用不锈钢加热交换
管,且须外接下电保护.因为自动补药器是在副缸加药,所以须留意
加药口不可正对副缸中的加热器.
2.14打气装置
微蚀和镍缸的主副槽以及各水洗缸都应加装打气系统.生产时通常是
除油后第一道水洗、镍缸主槽、及镍缸后水洗处于打气关闭状态.对
于镍缸,每一根加热管下方都应该保持强力打气状态.
2.1.13接口设备
沉镍金生产线的周边附属设施中,首先需要的是DI水机,各药水缸
配槽以及活化、沉镍、金回收之后的水洗缸,都需要使用DI水.有的
厂采用中央DI水处理,半管道接入沉金线,那则是最理想的设计.
在生产过程中,由于活化缸和微蚀缸对温度要求很严格,所以应当购
置冷水机来控制槽液温度.对于镍缸,有的人嫌降温过程太慢(由操作
温度降至50℃以下),将冷水管(临时管道)接入镍缸,这也是充分利
用现有资源的好方法.
由于镍缸硝槽时使用硝酸数量较大,而且不便重复利用,所以,在镍
缸底部连接一备用硝酸槽,通过一个抽水马达(须耐硝酸)以及换向
阀,将硝酸抽到所需的槽中.须留意的是,管理槽(贮存硝酸)的容积要
大于镍缸20-50%.
沉镍金周边设施除DI水机、冷水机及管理槽,还须将生产线污浊空
气抽出,送往化气塔净化.同时,生产线最好也加装送风装置,以保
持操作环境的空气新鲜.
五、工序常见缺陷分析
2.15漏镀
2.1.14主要原因
体系活性(镍缸及钯缸)相对不足;
铅、锡等铅面污染.
2.1.15问题分析
漏镀的成因在于镍缸活性不能满足Pad位的反应势能,导致沉镍化
学反应中途停止,或者根本未沉积金属镍.
漏镀的特点是:
如果一个Pad位漏镀,与其相连的所有Pad位都漏
镀.出现漏镀问题,首先须区分是否由外界污染板面所致.若是,将该
板进行水平微蚀或采用磨板方式除去污染.
影响体系活性的最主要因素是镍缸稳定剂浓度,但由于难以操作控
制,一般不采取降低稳定剂浓度来解决该问题.
影响体系活性的主要因素是镍缸温度.升高镍缸温度,一定有利于漏
镀的改善.如果不考虑外部环境以及内部稳定性,无限度的升高镍缸
温度,应该能解决漏镀问题.
影响体系活性的次要因素是活化浓度、温度和时间.延长活化的时间
或提高活化浓度和温度,一定有利于漏镀的改善.由于活化的温度和
浓度太高会影响钯缸的稳定性,而且会影响其它制板的生产,所以,
在这些次要因素中,延长时间是首选改善措施.
镍缸的PH值、次磷酸钠以及镍缸负载,都会影响镍缸的活性,但其
影响程度较小;
而且过程缓慢.所以不宜作为改善漏镀问题的主要方
法.
2.16渗镀
2.1.16主要原因
体系活性太高
外界污染或前工序残渣
2.1.17问题分析
渗镀的主要成因在于镍缸活性过高导致选择性太差,不但使铜面发生
化学沉积,同时其它区域(如基材、绿油侧边等)也发生化学沉积,造
成不该出现沉积的地方沉积化学镍金.
出现渗镀问题,首先须区分是否由外界污染或残渣(如铜、绿油等
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- 金工