表面处理工艺简介

PCB表面处理工艺简介2011.03.27•打造技术型工厂，致力于各行业需求的PCB特殊材料及特殊制程的研究并量产，提供高技术含量及成本低廉的产品公司目标•重视创新，打破常规，挑战传统的观念与方法•强调企业与个人共同进步•重视责任•说到做到，尽心尽力经营理念前言电子产品一直趋向体积细小及轻巧，同时包含更多功能而又有更快速的运作效率。为了达到以上要求，电子封装工业便发展出多样化的封装技术及方法，使之能在同一块线路板上增加集成电路（IC）的密度，数量及种类。增加封装及连接密度推动封装方法从通孔技术（THT）到面装配技术（SMT）的演化，它导致了更进一步的应用打线结合的方法（Wirebonding）。缩小了连接线的间距和应用芯片尺寸封装技术（CSP），使得封装的密度增大，而多芯片组件（MCM）及系统封装技术（SIP）使得在同一芯片上嵌入更多功能从不可能变为现实。至今，当半导体工业多年来从缩小线宽来致力于增进装置的性能时，很少有设计这样的想法，也就是在一个电子系统中，装置间应该通过包含这个系统的封装来传递信息。大量的I/O需求及信号传送质量已成为半导体工业重要考虑的因素，无论在IC内部的连接或把装置封装在线路板上，为了达到可靠的连接，封装过程的要求及线路板最终表面处理技术同样重要。本文将就线路板的最终表面处理技术做简单介绍。电镀技术电镀(Electroplating)就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止腐蚀,提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用。工艺要求：1）镀层与基体金属﹑镀层与镀层之间，应有良好的结合力。2）镀层应结晶细致﹑平整﹑厚度均匀。3）镀层应具有规定的厚定和尽可能少的孔隙。4）镀层应具有规定的各项指标，如光亮度﹑硬度﹑导电性等。线路板的最终表面处理用到的电镀工艺主要有电镀镍、电镀镍金、电镀锡等。1、概述镍：元素符号Ni，原子量58.7，密度8.88g/cm3，Ni2+的电化当量1.095g/Ah。用于印制板的镀镍层分为半光亮镍（又称为低应力镍或哑镍）和光亮镍两种类型。主要作为板面镀金或插头镀金的底层，根据需要也可作为面层，镀层厚度按照IPC-6012标准规定不低于2-2.5um。镍镀层应具有均匀细致，孔隙率低，延展性好等特点，而且低应力镍应具有宜于钎焊或压焊的功能。2、镀镍机理阴极：在阴极上，镀液中的镍离子获得电子沉积出镍原子，同时伴随有少量氢气析出。Ni2++2e→Ni¢0Ni2+/Ni=-0.25V2H++2e→H2↑¢0H+/H2=-0.0V电镀镍阳极：普通镀镍使用可溶性镍阳极。阳极的主反应为金属镍的电化学溶解：Ni–2e→Ni2+3、常见故障和纠正方法故障可能原因纠正方法镀层起泡、起皮①前处理不良②中途断电时间过长③镀液有机污染④温度太低①改善除油和微蚀②排除故障③用H2O2–活性炭处理④将操作温度提高到正常值镀层有针孔、麻点①润湿剂不够②前处理不良③镀液有机污染④镀液有铁污染①适当补充②改善前处理③活性炭处理④镀液需大处理镀层粗糙、毛刺①镀液过滤不良，有悬浮物②PH太高③电流密度太高④阳极袋破损⑤补加水时带入钙离子①检查过滤系统②调节PH③核对施镀面积，校正电流④更换阳极袋⑤用纯水补充液位故障可能原因纠正方法镀层不均匀、低电流区发黑①前处理不良②铜、锌等重金属污染③添加剂不足④阴极电接触不良①改善前处理②小电流处理或配合加入除杂剂③适量补充④检查导电状况镀层烧焦①温度过低，电流密度高②硫酸镍浓度低③硼酸浓度低④PH太高⑤重金属污染①提高温度或降低电流②补充硼酸镍③补充硼酸④调整PH⑤小电流处理镀层脆性大，可焊性差①重金属污染②有机污染③PH太高④添加剂不足①调低PH，通电流处理②活性炭处理③调低PH④适量补加镀层不均匀，小孔边缘有灰白色①重金属污染②有机污染③硼酸不足④添加剂不足①加强小电流处理或加除杂剂②活性炭处理或H2O2–活性炭处理③适量补加④适量补加阳极钝化①阳极活化剂不够②阳极电流密度太高①适量补加氯化镍或阳极活化剂②增大阳极面积1、概述金：元素符号Au，原子量197，密度19.32g/cm3，Au2+的电化当量0.1226g/Ah。板面镀金：板面镀金层是24K纯金，具有柱状结构，它有极好的导电性和可焊性。镀层厚度0.01-0.05um。板面镀金层是以低应力镍或光亮镍为底层，镀镍层厚度3-5um，镀镍层作为中间层起着金、铜之间的阻挡层的作用，它可以阻止金铜间的相互扩散和阻碍铜穿透到金表面。镍层存在相当于提高了金镍层的硬度。板面镀金层既是碱性蚀刻的保护层，也是有IC铝线压焊和按键式印制板的最终表面镀层。插头镀金：插头镀金也称镀硬金，俗称“金手指”。它是含有Co、Ni、Fe、Sb等合金元素的合金镀层，它的硬度、耐磨性都高于纯金镀层，硬金镀层具有层状结构。用于印制板的插头镀金层一般0.5-1.5um或更厚。合金元素含量≤0.2%。插头镀金用于高稳定、高可靠的电接触的链接，对镀层厚度、耐磨、孔隙率均有要求，硬金镀层的技术指标见下表。电镀金项目指标测试方法外观光亮金黄色纯度含钴≤0.2%原子吸收分光光度计或XRF显微硬度mHV20140-190显微硬度计耐磨0.5um，插头500次不露底不起皮1um，插头1000次不露底不起皮耐磨试验机或模拟插拔耐温0.5–1.5um，350℃不变色接触电阻0.3–0.5mÙHNO3蒸汽试验后变化≯0.2mÙ硝酸蒸汽试验通过ISO4524/2.GBI2305——90孔隙率金镍层在2um情况下为0硬金镀层的技术指标硬金镀层以低应力镍为阻挡层，防止金铜之间的相互扩散。为了提高硬金镀层的结合力和减少孔隙率，也为了保护镀液减少污染，在镍层和硬金层之间需镀以0.02–0.05um的纯金层。2、镀镍机理镀金通常采用不溶性阳极，如果槽电压比较高，阳极上会发生析氧反应：H2O-4e→O2↑+4H+在微氰镀液中，Au以Au（CN）2-的形式存在，在电场的作用下，金氰络离子在阴极放电：Au（CN）2-+e→Au+2CN-¢0Au/Au（CN）2-=-0.60V在阴极上同时发生析氢反应：2H++2e→H2↑镀液中有足够的金氰络离子供应，阴极上机会不断得到金镀层。3、常见故障和纠正方法故障可能原因纠正方法低电流区发雾①温度太低②补充剂不足③镀液有机污染④PH太高①调整温度到正常值②添加补充剂③活性炭处理④用酸性调整液调低PH故障可能原因纠正方法中电流区发雾，高电流区呈暗褐色①温度太高②阴极电流密度太高③PH太高④补充剂不够⑤搅拌不够⑥有机污染①降低操作温度②降低电流密度③用酸性调整盐调低PH④添加补充剂⑤加强搅拌⑥活性碳过滤高电流区烧焦①金含量不足②PH太高③电流密度太高④镀液比重太低⑤搅拌不够①补充金盐②用酸性调整盐调低PH③调低电流密度④用导电盐提高比重⑤加强搅拌镀层颜色不均匀①金含量不足②比重太低③搅拌不够④镀液被Ni、Cu等污染①补充金盐②用导电盐提高比重③加强搅拌④清除金属离子污染，必要时更换溶液板面金变色（特别是在潮热季节）①镀金层清洗不彻底②镀镍层厚度不够③镀金液被金属或有机物污染④镀镍层纯度不够⑤镀金板存放在腐蚀性的环境中①加强镀后清洗（热纯水）②镀层厚度≮2.5um③加强金镀液净化④加强清除镍镀液的杂志⑤镀金层应远离腐蚀性气氛环境保存，变色层可浸5%-10%硫酸去除故障可能原因纠正方法镀金层可焊性不好①低应力镍镀层太薄②低应力镍被污染③金层纯度不够④表面被污染，如手指印⑤包装不适当①低应力镍层厚度不小于2.5um②净化低应力镍镀液③加强镀金液监控，减少杂质污染④加强清洗和板面清洁⑤需较长时间存放时，应采用真空包装镀层结合力不好①铜镍间结合力不好②镀金层结合力不好③镀前预处理不良④镀镍层应力大①注意镀镍前铜表面清洁和活化②注意镀金前的镍表面活化③加强镀前处理④净化镀镍液，通小电流或活性炭处理我国行业标准SJ-2431对插头镀镍、镀金层厚度有所规定，见下表。等级镀层厚度um镀金层允许孔隙率个数/cm2镍层金层Ⅰ3~52~32~3Ⅱ3~51~24~6Ⅲ3~50.5~1不规定化学镀是一种新型的金属表面处理技术，该技术以其工艺简便、节能、环保日益受到人们的关注。化学镀使用范围很广，镀金层均匀、装饰性好。在防护性能方面，能提高产品的耐蚀性和使用寿命；在功能性方面，能提高加工件的耐磨导电性、润滑性能等特殊功能，因而成为全世界表面处理技术的一个发展。化学镀是在金属表面的催化作用下，经控制化学还原反应进行的金属沉积过程。反应必须在具有自催化性的材料表面进行，金属的沉积过程是纯化学反应，因不用外电源也称为无电镀或不通电镀。化学沉积过程可分为三类：置换法、接触镀、还原法。置换法：将还原性较强的金属（基材、待镀的工件）放入另一种氧化性较强的金属盐溶液中，还原性强的金属是还原剂，它给出的电子被溶液中金属离子接收后，在基体金属表面沉积出溶液中所含的那种金属离子的金属涂层。这种工艺又称为化学浸镀，应用不多。化学镀技术接触镀：将待镀的金属工件与另一种辅助金属接触后浸入沉积金属盐的溶液中，辅助金属的电位应低于沉积出的金属。金属工件与辅助金属浸入溶液后构成原电池，后者活性强是阳极，被溶解放出电子，阴极（工件）上就会沉积出溶液中金属离子还原出的金属层。本法虽然缺乏实际应用意义，但想在非催化活性基材上引发化学镀过程时是可以应用的。还原法：在溶液中添加还原剂，由它被氧化后提供的电子还原沉积出金属镀层。这种化学反应如不加以控制，在整个溶液中进行沉积是没有实用价值的。目前讨论的还原法是专指在具有催化能力的活性表面上沉积出金属涂层，由于施镀过程中沉积层仍具有自催化能力，使该工艺可以连续不断的沉积形成一定厚度且有实用价值的金属涂层。这就是我们所指的“化学镀”工艺，前面讨论的两种方法只不过在原理上同属于化学反应范畴，不用外电源而已。用还原剂在自催化活性表面实现金属沉积的方法是唯一能用来代替电镀法的湿法沉积过程。目前印制板行业常用的化学镀层主要有：OSP、化学镀镍、化学镀金、化学镀钯、化学镀锡、化学镀银等。1、概述随着表面贴装技术（SMT）的广泛应用，对印制板焊盘的平整度及板面翘曲度的要求越来越严格，而细导线、细间距的印制板对其制作技术也提出了更高的要求。但传统的热风焊料整平（HASL）工艺存在以下缺点：1）焊盘不平整，致使SMT贴片时易偏离，造成错位或短路；2）受热风整平操作时高温热冲击，印制板板面易产生翘曲；3）受热风整平操作时的热冲击，细导线易断裂造成短路，细间距的导线间容易产生桥接以及短路。4）焊料与铜间易形成晶间化合物，易脆；5）操作时的高温和噪声不利于环保，同时还存在火警的隐患；6）生产费用高。有机助焊保护膜（OrganicSolderabilityPreservative简称OSP）技术是通过将裸铜印制板浸入一种水溶液中，通过化学反应在铜表面形成一层厚度OSP0.2-0.5um的憎水性有机保护膜，这层膜能保护铜表面避免氧化，有助焊功能，对各种焊剂兼容并能承受三次以上热冲击，数年来的应用，已日益广泛，称为热风整平工艺的替代工艺。该工艺的特点是：1）表面均匀平坦，膜厚0.2-0.5um，适于SMT装联，适于细导线、细间距印制板的制造；2）水溶液操作，操作温度在80℃以下，不会造成基板翘曲；3）膜层不脆，易焊，与任何焊料兼容并能承受三次以上热冲击；4）避免了生产过程的高温、噪声和火警隐患；5）操作成本比热风整平工艺低25-50%；6）保存期可达一年，并且易于返修。2、OSP反应机理铜表面有机助焊保护膜分为两种类型：溶剂型和水溶型。1）溶剂型：也就是目前单面板生产中广泛应用的松香型预涂助焊膜。在松香基的预涂助焊剂中添加如咪唑类的化合物，涂于裸铜板表面上形成防氧化助焊膜。膜层厚度3-5um，用探针不易刺透，不利于探针对其进行电气性测试，并且必须在波峰焊及印锡膏前将其除去。由于膜层内含有溶剂和松香，容易出现发粘的现象，好像干不透一样，也不易清洗。这种工艺主要用于单面板生产。2）水溶型：根据膜层能承受设冲击的次数不同