化學鎳金

化學鎳金主要用於電路板的表面處理.用來防止電路板表面的銅被氧化或腐蝕.並且用於焊接及應用於接觸（例如按鍵，內存條上的金手指等）

1 化鎳金前處理

採用設備主要是磨板機或噴砂機或共用機型，（使用機型較多）主要作用：

去除銅表面的氧化物和糙化銅表面從而增加鎳和金的附着力

2 化鎳金生產線

採用垂直生產線，主要經過的流程有：

進板→除油→三水洗→酸洗→雙水洗→微蝕→雙水洗→預浸→活化→雙水洗→化學鎳→雙水洗→化學金→金回收→雙水洗→出板

3 化鎳金後處理

採用設備主要是水平清洗機。

1 除油缸

一般情況﹐PCB沉鎳金採用酸性除油劑來處理制板﹐其作用在於去除銅面之輕度油脂及氧化物﹐達到銅面清潔及增加潤濕效果的目的。它應當具備不傷Solder Mask(綠油)﹐低泡型易水洗的特點。

除油缸之後通常為二級市水洗﹐如果水壓不穩定或經常變化﹐則將逆流水洗設計為三級市水洗更佳。

2 微蝕缸

微蝕的目的在於清潔銅面氧化及前工序遺留殘渣﹐保持銅面新鮮及增加化學鎳層的密着性﹐常用微蝕液為酸性過硫酸鈉溶液。

Na2S2O8﹕80~120g/L

硫酸﹕20~50ml/L

沉鎳金生產也有使用硫酸雙氧水或酸性過硫酸鉀微蝕液來進行的。

由於銅離子對微蝕速率影響較大﹐通常須將銅離子的濃度控制有5~25g/L﹐以保證微蝕速率處於0.5~1.5μm﹐生產過程中﹐換缸時往往保留1/5~1/3缸母液(舊液)﹐以保持一定的銅離子濃度﹐也有使用少量氯離子加強微蝕效果。

另外﹐由於帶出的微蝕殘液﹐會導致銅面在水

洗過程中迅速氧化﹐所以微蝕後水質和流量以及浸泡時間都須特別考慮。否則﹐預浸缸會產生太多的銅離子﹐繼而影響鈀缸壽命。所以﹐在條件允許的情況下(有足夠的排缸)﹐微蝕後二級逆流水洗之後﹐再加入5%左右的硫酸浸洗﹐經二級逆流水洗之後進入預浸缸。

3 預浸缸

預浸缸在製程中沒有特別的作用﹐只是維持活化缸的酸度以及使銅面在新鮮狀態(無氧化物)下﹐進入活化缸。

理想的預浸缸除了Pd之外﹐其它濃度與活化缸一致。實際上﹐一般硫酸鈀活化系列採用硫酸作預浸劑﹐鹽酸鈀活化系列採用鹽酸作預浸劑﹐也有使用銨鹽作預浸劑(PH值另外調節)。否則﹐活化製程失去保護會造成鈀離子活化液局部水解沉澱。

4 活化缸

活化的作用是在銅面析出一層鈀﹐作為化學鎳起始反應之催化晶核。其形成過程則為Pd與Cu的化學置換反應。

從置換反應來看﹐Pd與Cu的反應速度會越來越慢﹐當Pd與Cu完全覆蓋後(不考慮浸鍍的疏孔性)﹐置換反應即會停止﹐但實際生產中﹐人們不可能也不必要將銅面徹底活化(將銅面完全覆蓋)。從成本上講﹐這會使Pd的消耗大幅大升。更重要的是﹐這容易造成滲鍍等嚴重品質問題。

由於Pd的本身特性﹐活化缸存在着不穩定這一因素﹐槽液中會產生細微的(5m濾芯根本不可能將其過濾)鈀顆粒﹐這些顆粒不但會沉積在PCB的Pad位上﹐而且會沉積在基材﹑綠油以及缸壁上。當其積累到一定程度﹐就有可能造成PCB滲鍍以及缸壁發黑等現象。

影響鈀缸穩定性的主要原因除了藥水系列不同之外﹐鈀缸控制温度和鈀離子濃度則是首要考慮的問題。温度越低﹐鈀離子濃度越低﹐越有利於鈀缸的控制。但不能太低﹐否則會影響活化效果﹐引起漏鍍發生。

通常情況下﹐鈀缸温度設定在20~30℃﹐其控制範圍應在±1℃﹐而鈀離子濃度則控制在20~40ppm﹐至於活化效果﹐則按需要選取適當的時間。

當槽壁及槽底出現灰黑色的沉積物﹐則需硝槽處理。其過程為﹕

加入1﹕1硝酸﹐啓動循環泵2小時以上或直到槽壁灰黑色沉積物完全除去為止。適當時可考慮加熱﹐但不可超過50℃﹐以免空氣污染。

另外﹐也有人認為活化帶出的鈀離子殘液在水洗過程中會造成水解﹐從而吸附在基材上引起滲鍍﹐所以﹐應在活化逆流水洗之後﹐多加硫酸或鹽酸的後浸及逆流水洗的製程。

事實上﹐正常情況下﹐活化帶出的鈀離子殘液體﹐在二級逆流水洗過程中可以被洗乾淨。吸附在基材上的微量元素﹐在鎳缸中不足以導致滲鍍的出現。另一方面﹐如果説不正常因素導致基材吸附大量活化殘液﹐並不是硫酸或鹽酸能將其洗去﹐只能從根源去調整鈀缸或鎳缸。增加後浸及逆流水洗﹐其作用只是避免水中Pd含量太多而影響鎳缸。

需要留意的是﹐水洗缸中少量的Pd帶入鎳缸﹐並不會對鎳缸造成太大的影響﹐所以不必太在意活化後水洗時間太短﹐一般情況下﹐二級水洗總時間控制在1~3min為佳。尤其重要的是﹐活化後水洗不可使用超聲波裝置﹐否則﹐不但導致大面積漏鍍﹐而且滲鍍問題依然存在。

5 沉鎳缸

化學沉鎳是通過Pd的催化作用下﹐NaH2PO2水解生成原子態H﹐同時H原子在Pd催化條件下﹐將鎳離子還原為單質鎳而沉積在裸銅面上。

作為化學沉積的金屬鎳﹐其本身也具備催化能力。由於其催化能力劣於鈀晶體﹐所以反應初期主要是鈀的催化作用在進行。當鎳的沉積將鈀晶體完全覆蓋時﹐如果鎳缸活性不足﹐化學沉積就會停止﹐於是漏鍍問題就產生了。這種滲鍍與鎳缸活性嚴重不足所產生的漏鍍不同﹐前者因已沉積大約20μ"的薄鎳﹐因而漏鍍Pad位在沉金後呈現白色粗糙金面﹐而後者根本無化學鎳的沉積﹐外觀至發黑的銅色。

從化學鎳沉積的反應看出﹐在金屬沉積的同時﹐伴隨着單質磷的析出。而且隨着PH值的升高﹐鎳的沉積速度加快的同時﹐磷的析出速度減慢﹐結果則是鎳磷合金的P含量降低。反之﹐隨着PH值的降低﹐鎳磷含金的P含量升高。

化學鎳沉積中﹐磷含量一般在7~11%之間變化。鎳磷合金的抗蝕性能優於電鍍鎳﹐其硬度也比電鍍鎳高。

在化學沉鎳的酸性鍍液中﹐當PH6時﹐鍍液很容易產生Ni(OH)2沉澱。所以一般情況﹐生產中PH值控制在4.5~5.2之間。由於鎳沉積過程產生氫離子(每個鎳原子沉積的同時釋放4個氫離子)﹐所以生產過程中PH的變化是很快的﹐必須不斷添補鹼性藥液來維持PH值的平衡。

通常情況下﹐氨水和氫氧化鈉都可以用於生產維持PH值的控制﹐兩者在自動補藥方面差別不大﹐但在手動補藥時就應特別關注。加入氨水時﹐可以觀察到藍色鎳氨絡離子出現﹐隨即擴散時藍色消失﹐説明氨水對化學鎳是良好的PH調整劑。在加入氫氧化鈉溶液時﹐槽液立即出現白色氫氧化鎳沉澱粉末析出﹐隨着藥水擴散﹐白色粉末在槽液的酸性環境下緩慢溶解。所以﹐當使用氫氧化鈉溶液作為化學鍍的PH調整劑時﹐其配製濃度不能太高﹐加藥時應緩慢加入。否則會產生絮狀粉末﹐當溶解過程未徹底完成前﹐絮狀粉末就會出現鎳的沉積﹐必須將槽液過濾乾淨後﹐才可以重新開始生產。

在化學鎳沉積的同時﹐會產生亞磷酸鹽(HPO3)的副產物﹐隨着生產的進行﹐亞磷酸鹽濃度會越來越高﹐於是反應速度受生成物濃度的長高而抑制﹐所以鎳缸壽命末期與初期的沉積速度相差1/3則為正常現象。但此先天不足可採用調整反應物濃度方式予以彌補﹐開缸初期Ni濃度控制在4.60g/L﹐隨着MTO的增加Ni濃度控制值隨之提高﹐直至5.0g/L停止。以維持析出速度及磷含量的穩定﹐以確保鍍層品質。

影響鎳缸活性最重要的因素是穩定劑的含量﹐常用的穩定劑是Pb(CH3COO)2或硫脲﹐也有兩種同時使用的。穩定劑的作用是控制化學沉鎳的選擇性﹐適量的穩定劑可以使活化後的銅面發生良好的鎳沉積﹐而基材或綠油部分則不產生化學沉積。當穩定劑含量偏低時﹐化學沉鎳的選擇性變差﹐PCB表面稍有活性的部分都發生鎳沉積﹐於是滲鍍問題就發生了。當穩定劑含量偏高時﹐化學沉積的選擇性太強﹐PCB漏銅面只有活化效果很好的銅位才發生鎳沉積﹐於是部分Pad位出現漏鍍的現象。

鍍覆PCB的裝載量(以裸銅面積計)應適中﹐以0.2~0.5dm/L為宜。負載太大會導致鎳缸活性逐漸升高﹐甚至導致反應失控﹔負載太低會導致鎳缸活性逐漸降低﹐造成漏鍍問題。在批量生產過程中﹐負載應儘可能保持一致﹐避免空缸或負載波動太大的現象。否則﹐控制鎳缸活性的各參數範圍就會變得很窄﹐很容易導致品質問題發生。

鍍液應連續過濾﹐以除去溶液中的固體雜質。鍍液加熱時﹐必須要有空氣攪拌和連續循環系統﹐使被加熱的鍍液迅速傳播。當槽內壁沉積鎳層時﹐應該及時倒缸(將藥液移至另一備用缸中進行生產)﹐然後用25%~50%(V/V)的硝槽進行褪除﹐適當時可考慮加熱,但不可超過50℃。

至於鎳缸的操作控制﹐在温度方面﹐不同系列沉鎳藥水其控制範圍不同。一般情況下﹐鎳缸操作範圍86±5℃﹐有的藥水則控制在81±5℃。在生產中﹐具體設定根據試板結果來定﹐不同型號的制板﹐有可能操作温度不同。通常一個制板的良品操作範圍只有±2℃﹐個別制板也有可能小於±1℃。在濃度控制方面﹐採用對Ni的控制來調節其它組分的含量﹐當Ni濃度低於設定值時﹐自動補藥器開始添加一定數量的藥水來彌補所消耗的Ni﹐而其它組分則依據Ni添補量按比例同時添加。

鎳層的厚度與鍍鎳時間呈線性關係。一般情況下﹐200μ"鎳層厚度需鍍鎳時間28min﹐150μ"鎳層百度需鍍鎳時間21min左右。由於不同的制板所需的活性不同﹐為減輕鎳缸控制的壓力(即增大鎳缸各參數的控制範圍)﹐可以考慮採用不同的活化時間﹐例如正常生產Pd缸有一個時間﹐容易滲鍍的制板另設定活化時間。這樣一來﹐則可以組合成六個程序來進行生產。需要留意的是﹐對於多程序生產﹐應當遵循一個基本原則﹐就是所有程序飛巴的起始位置必須保持一致﹐否則連續生產中切換程序容易造成過多的麻煩。

鎳缸的循環量一般設計在5~10turn over(每小時)﹐布袋式過濾應優先選擇考慮。搖擺通常都是前後擺動設計﹐但對於laser盲孔板﹐鎳缸和金缸設計為上下振動為佳。

6 沉金缸

置換反應形式的浸金薄層﹐通常30分鐘可達到極限厚度。由於鍍液Au的含量很低﹐一般為1~2g/L﹐溶液的擴散速度影響到大面積Pad位與小面積Pad位沉積厚度的差異。一般來説﹐獨立位小Pad位要比大面積Pad位的金厚度高100%也屬正常現象。

對於PCB的沉金﹐其金面厚度也會因內層分佈而相互影響﹐其個別Pad位也會出較大的差異。

通常情況下﹐沉金缸的浸鍍時間設定在7~11分鐘﹐操作温度一般在80~90℃﹐可以根據客户的金厚要求﹐通過調節温度來控制金厚。需要留意的是﹐金缸容積越大越好﹐不但其Au濃度變化小而有利於金厚控制﹐而且可以延長換缸週期。

為了節省成本﹐金缸之後需加裝回收水洗﹐同時也可減輕對環境的污染。回收缸之後﹐一般都是逆流水洗。

沉鎳金自動線

1.1 排缸

從生產線的角度來看﹐排缸數量越少越好﹐一方面可以減少不必要的天車運行距離和時間﹐另一方面﹐還可以節省投資成本以及佔地空間。

關於排缸的順序﹐一般情況應從產能﹑滴水污染﹑天車運行及操作方便等幾個因素來考慮。鎳缸由於保養費時﹐所以應當排放一備用缸。

對於每天大約3KSF產能的生產線﹐設計一台天車則可以滿足生產﹐建議排缸順序如下﹕

(1)上下料﹑(2)(3)(4)三級逆流水洗﹑(5)回收﹑(6)金缸﹑(7)(8)二級逆流水洗﹑(9)(10)雙架位鎳缸﹑(11)(12)備用雙架位鎳缸﹑(13)(14)二級逆流水洗﹑(15)活化缸﹑(16)預浸缸﹑(17)(18)二級逆流水洗﹑(19)酸洗缸﹑(20)(21)二級逆流水洗﹑(22)微蝕缸﹑(23) (24)(25) 三級逆流水洗﹑(26)除油缸

對於每天大約4.5 KSF產能的生產線﹐需設計兩台天車來滿足生產需求﹐建議排缸順序如下﹕

(1)上下料﹑(2)(3)(4)三級逆流水洗﹑(5)回收﹑(6) (7)雙架位金缸﹑(8) (9)二級逆流水洗﹑(10) (11)(12)三架位鎳缸﹑(13)(14) (15)備用三架位鎳缸﹑(16) 除油缸﹑(17)(18) (19)三級逆流水洗﹑(20)微蝕缸﹑(21)(22)二級逆流水洗﹑(23)酸洗缸﹑(24)(25)二級逆流水洗﹑(26) 預浸缸﹑(27)活化缸﹑(28)(29)二級逆流水洗

對於每天大約6KSF的生產數﹐只需將三架位鎳缸改為四架位鎳缸即可。

對於更大產能的生產線﹐則應考慮將缸的寬度和深度以及長度加大﹐以提高每架板的掛板數量。

1.2 掛板設計

關於掛窗尺寸﹐一般考慮最大板橫掛。如18"×24"板則將24"邊打橫掛入﹐否則藥水在板面滑落時間比橫掛增加30%以上。因此﹐鎳缸的有效寬度和有效深度一般為26"×21"左右﹐其它缸則參考鎳缸的掛板空間。

這樣的設計﹐可以避免鎳缸太深而導致藥水交換不佳等問題。同時小尺寸生產則可以掛兩排﹐以增加產量和彌補鎳缸負載的不足。

關於掛具的設計﹐應最大限度減少掛具在藥液中浸泡的面積﹐降低藥水帶出以及掛具上沉積鎳金的問題。同時﹐硝掛具一般採用王水﹐其操作的困難度較大﹐所以也應考慮保養的方便。

建議使用PP夾板﹐每個掛具掛板15~20塊﹐每塊隔板的厚度以10mm為佳。頂部以316不鏽鋼定夾板﹐下邊以鐵弗龍包膠U型相框來固定掛板。

1.3 缸體材質

由於鎳缸和金缸操作温度在80~90℃﹐所以缸體不但須耐高温﹐而且須不易滲漏。所以一般使用316不鏽鋼做鎳缸﹐缸壁最好採用鏡面拋光。金缸一般使用耐熱PP或不鏽鋼內襯鐵弗龍。其它缸採用普通PP材質即可。

對於鎳缸﹐如果僅生產單雙面板﹐也可考慮使用耐熱PP材質。但對於盲孔板﹐由於佈線複雜﹐沉鎳金生產過程中﹐線路間有可能出現相互影響而易產生漏鍍﹐所以鎳缸操作比單﹑雙面板要高出5℃左右﹐甚至達到90℃以上。對採用PP材質的鎳缸﹐不可避免產生大量的鎳沉積在缸底﹐給操作帶來很多問題。所以﹐鎳缸及其缸內附件﹐包括加熱和打氣系統﹐如果使用不鏽鋼材質﹐則能夠通過正電保護抑制上鎳﹐不但使用鎳缸操作變得容易﹐而且在成本方面避免不必要的浪費。

1.4 程序

沉鎳金生產﹐往往不可能只有一兩種制板生產。由於每一種制板都有可能需要不同的活性﹐所以沉鎳金生產線﹐最好有四個以上的程序段﹐來滿足不同的生產需求。

前後處理設備

2.1 前處理

由於沉鎳金生產中“金面顏色不良”問題﹐通過調整系統活性以及加強微蝕速度等方式﹐雖然有時會湊效﹐但常常既費時又費力﹐而且這些措施很不安全﹐稍不注意就產生另一種報廢。所以﹐在有條件的情況下﹐另設計一條水平線作為前處理﹐通過增加製程來拓寬沉鎳金參數範圍的控制。

磨刷→水洗→微蝕→水洗→幹板

磨刷﹕

通常採用500-1000#尼龍刷轆﹐在噴水裝態下清潔銅面﹐以除去綠油工序殘留的藥液以及輕度的衝板不淨剩餘殘渣。如果綠油工序製程穩定﹐或出現問題的可能性很小﹐則磨刷這個製程不需要設計。

微蝕﹕

通常使用80-120g/L的過硫酸鈉與5%的硫酸配製槽液﹐通過調節温度﹐使微蝕率控制在1μm左右﹐它的作用是清潔銅面。去除前工序(主要指綠油)殘留在板面的藥水漬或嚴重氧化等銅面雜物﹐防止沉鎳金出現由前工序引起的甩鎳﹑金面顏色不良﹑滲鍍等問題。

需要注意的是﹐前處理若使用了水平微蝕劑﹐沉鎳金製程中的微蝕缸仍需保留﹐但微蝕率達到0.5μm即可﹐否則易造成銅厚不足的問題。

2.2 後處理

由於沉鎳金表面正常情況下光潔度和平整度很好﹐所以輕微的金面氧化或水漬都會使金面顏色變得很難看。而沉鎳金生產線縱然控制到最佳﹐也只能杜絕金面氧化﹐對於烘乾缸因水珠而遺留的水漬實在是無能為力。

高壓水洗機不但可以有效地清洗板面殘留藥水﹐防止金面氧化﹐而且幹板過程有風力將水珠吹走﹐完全避免殘留水珠而造成的水漬問題。

也有人在高壓水洗機前加一段2%的酸洗段﹐以洗去因金缸後造成的金面氧化。這也是事後補救的一種可取的方法。因為金面殘留的藥水在短短的水洗過程中造成金面氧化﹐那説明它對金面的攻擊作用是遠遠大於2%的鹽酸或硫酸﹐而且水平酸洗過程也不足十秒﹐之後又有高壓水洗和幹板﹐其對於鎳金面的影響應該可以忽略不計。但是﹐有的客户明確提出而且強烈反對沉金板酸洗﹐那也是沒有辦法的事﹐客户是上帝﹐他不喜歡的事最好別做。

循環過濾泵﹑加熱及打氣裝置

3.1 循環過濾泵

為保持槽液有一定的循環效果﹐除油﹑微蝕﹑活化﹑沉鎳﹑沉金各缸都需要加裝循環泵﹐除鎳缸之外以上各缸還需加裝過濾器﹐通過5μm濾芯來過濾槽液。

對於鎳缸其循環不但要求均勻﹐有利於藥液擴散和温度擴散﹐而且不能流速太快而影響化學鎳的沉積﹐通常其循環量6-7turn over為佳。同時鎳缸還需過濾﹐以除去槽液中雜物。由於棉芯容易上鎳﹐所以應首先考慮布袋式過濾系統。關於鎳缸的溢流問題﹐由主缸流入副缸﹐更有利於藥水擴散和温度平衡。

3.2 加熱裝置

除油﹑微蝕﹑活化﹑沉鎳﹑沉金各缸都需要加熱系統﹐除鎳金之外﹐均可使用石英或鐵弗龍加熱器。對於鎳缸﹐最好採用不鏽鋼加熱交換管﹐且須外接下電保護。因為自動補藥器是在副缸加藥﹐所以須留意加藥口不可正對副缸中的加熱器。

3.3 打氣裝置

微蝕和鎳缸的主副槽以及各水洗缸都應加裝打氣系統。生產時通常是除油後第一道水洗﹑鎳缸主槽﹑及鎳缸後水洗處於打氣關閉狀態。對於鎳缸﹐每一根加熱管下方都應該保持強力打氣狀態。

沉鎳金生產線的周邊附屬設施中﹐首先需要的是DI水機﹐各藥水缸配槽以及活化﹑沉鎳﹑金回收之後的水洗缸﹐都需要使用DI水。有的廠採用中央DI水處理﹐半管道接入沉金線﹐那則是最理想的設計。

在生產過程中﹐由於活化缸和微蝕缸對温度要求很嚴格﹐所以應當購置冷水機來控制槽液温度。對於鎳缸﹐有的人嫌降温過程太慢(由操作温度降至50℃以下)﹐將冷水管(臨時管道)接入鎳缸﹐這也是充分利用現有資源的好方法。

由於鎳缸硝槽時使用硝酸數量較大﹐而且不便重複利用﹐所以﹐在鎳缸底部連接一備用硝酸槽﹐通過一個抽水馬達(須耐硝酸)以及換向閥﹐將硝酸抽到所需的槽中。須留意的是﹐管理槽(貯存硝酸)的容積要大於鎳缸20-50%。

沉鎳金周邊設施除DI水機﹑冷水機及管理槽﹐還須將生產線污濁空氣抽出﹐送往化氣塔淨化。同時﹐生產線最好也加裝送風裝置﹐以保持操作環境的空氣新鮮。