1 除油缸
一般情況﹐PCB沉鎳金采用酸性除油劑來處理制板﹐其作用在于去除銅面之輕度油脂及氧化物﹐達(dá)到銅面清潔及增加潤(rùn)濕效果的目的。它應(yīng)當(dāng)具備不傷Soider Mask(綠油)﹐低泡型易水洗的特點(diǎn)。
除油缸之后通常為二級(jí)市水洗﹐如果水壓不穩(wěn)定或經(jīng)常變化﹐則將逆流水洗設(shè)計(jì)為三及市水洗更佳。
2 微蝕缸
微蝕的目的在于清潔銅面氧化及前工序遺留殘?jiān)o保持銅面新鮮及增加化學(xué)鎳層的密著性﹐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(chǎn)也有使用硫酸雙氧水或酸性過硫酸鉀微蝕液來進(jìn)行的。
由于銅離子對(duì)微蝕速率影響較大﹐通常須將銅離子的濃度控制有5~25g/L﹐以保證微蝕速率處于0.5~1.5μm﹐生產(chǎn)過程中﹐換缸時(shí)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(qiáng)微蝕效果。
另外﹐由于帶出的微蝕殘液﹐會(huì)導(dǎo)致銅面在水洗過程中迅速氧化﹐所以微蝕后水質(zhì)和流量以及浸泡時(shí)間都須特別考慮。否則﹐預(yù)浸缸會(huì)產(chǎn)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)﹐微蝕后二級(jí)逆流水洗之后﹐再加入5%左右的硫酸浸洗﹐經(jīng)二級(jí)逆流水洗之后進(jìn)入預(yù)浸缸。
3 預(yù)浸缸
預(yù)浸缸在制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(tài)(無(wú)氧化物)下﹐進(jìn)入活化缸。
理想的預(yù)浸缸除了Pd之外﹐其它濃度與活化缸一致。實(shí)際上﹐一般硫酸鈀活化系列采用硫酸作預(yù)浸劑﹐鹽酸把鈀活化系列采用鹽酸作預(yù)浸劑﹐也有使用銨鹽作預(yù)浸劑(PH值另外調(diào)節(jié))。否則﹐活化制程失去保護(hù)會(huì)造成鈀離子活化液局部水解沉淀。
4 活化缸
活化的作用是在銅面析出一層鈀﹐作為化學(xué)鎳起始反應(yīng)之催化晶核。其形成過程則為Pd與Cu的化學(xué)置換反應(yīng)。
從置換反應(yīng)來看﹐Pd與Cu的反應(yīng)速度會(huì)越來越慢﹐當(dāng)Pd與Cu完全覆蓋后(不考慮浸鍍的疏孔性)﹐置換反應(yīng)即會(huì)停止﹐但實(shí)際生產(chǎn)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(huì)使Pd的消耗大幅大升。更重要的是﹐這容易造成滲鍍等嚴(yán)重品質(zhì)問題。
由于Pd的本身特性﹐活化缸存在著不穩(wěn)定這一因素﹐槽液中會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的(5m濾芯根本不可能將其過濾)鈀顆粒﹐這些顆粒不但會(huì)沉積在PCB的Pad位上﹐而且會(huì)沉積在基材﹑綠油以及缸壁上。當(dāng)其積累到一定程度﹐就有可能造成PCB滲鍍以及缸壁發(fā)黑等現(xiàn)象。
影響鈀缸穩(wěn)定性的主要原因除了藥水系列不同之外﹐鈀缸控制溫度和鈀離子濃度則是首要考慮的問題。溫度越低﹐鈀離子濃度越低﹐越有利于鈀缸的控制。但不能太低﹐否則會(huì)影響活化效果﹐引起漏鍍發(fā)生。
通常情況下﹐鈀缸溫度設(shè)定在20~30℃﹐其控制范圍應(yīng)在±1℃﹐而鈀離子濃度則控制在20~40ppm﹐至于活化效果﹐則按需要選取適當(dāng)?shù)臅r(shí)間。
當(dāng)槽壁及槽底出現(xiàn)灰黑色的沉積物﹐則需硝槽處理。其過程為﹕
加入1﹕1硝酸﹐啟動(dòng)循環(huán)泵2小時(shí)以上或直到槽壁灰黑色沉積物完全除去為止。適當(dāng)時(shí)可考慮加熱﹐但不可超過50℃﹐以免空氣污染。
另外﹐也有人認(rèn)為活化帶出的鈀離子殘液在水洗過程中會(huì)造成水解﹐從而吸附在基材上引起滲鍍﹐所以﹐應(yīng)在活化逆流水洗之后﹐多加硫酸或鹽酸的后浸及逆流水洗的制程。
事實(shí)上﹐正常情況下﹐活化帶出的鈀離子殘液體﹐在二級(jí)逆流水洗過程中可以被洗干凈。吸附在基材上的微量元素﹐在鎳缸中不足以導(dǎo)致滲鍍的出現(xiàn)。另一方面﹐如果說不正常因素導(dǎo)致基材吸附大量活化殘液﹐并不是硫酸或鹽酸能將其洗去﹐只能從根源去調(diào)整鈀缸或鎳缸。增加后浸及逆流水洗﹐其作用只是避免水中Pd含量太多而影響鎳缸。
需要留意的是﹐水洗缸中少量的Pd帶入鎳缸﹐并不會(huì)對(duì)鎳缸造成太大的影響﹐所以不必太在意活化后水洗時(shí)間太短﹐一般情況下﹐二級(jí)水洗總時(shí)間控制在1~3min為佳。尤其重要的是﹐活化后水洗不可使用超聲波裝置﹐否則﹐不但導(dǎo)致大面積漏鍍﹐而且滲鍍問題依然存在。
5 沉鎳缸
化學(xué)沉鎳是通過Pd的催化作用下﹐NaH2PO2水解生成原子態(tài)H﹐同時(shí)H原子在Pd催化條件下﹐將鎳離子還原為單質(zhì)鎳而沉積在裸銅面上。
作為化學(xué)沉積的金屬鎳﹐其本身也具備催化能力。由于其催化能力劣于鈀晶體﹐所以反應(yīng)初期主要是鈀的催化作用在進(jìn)行。當(dāng)鎳的沉積將鈀晶體完全覆蓋時(shí)﹐如果鎳缸活性不足﹐化學(xué)沉積就會(huì)停止﹐于是漏鍍問題就產(chǎn)生了。這種滲鍍與鎳缸活性嚴(yán)重不足所產(chǎn)生的漏鍍不同﹐前者因已沉積大約20μ"的薄鎳﹐因而漏鍍Pad位在沉金后呈現(xiàn)白色粗糙金面﹐而后者根本無(wú)化學(xué)鎳的沉積﹐外觀至發(fā)黑的銅色。
從化學(xué)鎳沉積的反應(yīng)看出﹐在金屬沉積的同時(shí)﹐伴隨著單質(zhì)磷的析出。而且隨著PH值的升高﹐鎳的沉積速度加快的同時(shí)﹐磷的析出速度減慢﹐結(jié)果則是鎳磷合金的P含量降低。反之﹐隨著PH值的降低﹐鎳磷含金的P含量升高。
化學(xué)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(yōu)于電鍍鎳﹐其硬度也比電鍍鎳高。
在化學(xué)沉鎳的酸性鍍液中﹐當(dāng)PH<3時(shí)﹐化學(xué)鎳沉積的反應(yīng)就會(huì)停止﹐而當(dāng)PH>6時(shí)﹐鍍液很容易產(chǎn)生Ni(OH)2沉淀。所以一般情況﹐生產(chǎn)中PH值控制在4.5~5.2之間。由于鎳沉積過程產(chǎn)生氫離子(每個(gè)鎳原子沉積的同時(shí)釋放4個(gè)氫離子)﹐所以生產(chǎn)過程中PH的變化是很快的﹐必須不斷添補(bǔ)堿性藥液來維持PH值的平衡。
通常情況下﹐氯水和氫氧化鈉都可以用于生產(chǎn)維持PH值的控制﹐兩者在自動(dòng)補(bǔ)藥方面差別不大﹐但在手動(dòng)補(bǔ)藥時(shí)就應(yīng)特別關(guān)注。加入氨水時(shí)﹐可以觀察到藍(lán)色鎳氨絡(luò)離子出現(xiàn)﹐隨即擴(kuò)散時(shí)藍(lán)色消失﹐說明氨水對(duì)化學(xué)鎳是良好的PH調(diào)整劑。在加入氫氧化鈉溶液時(shí)﹐槽液立即出現(xiàn)白色氫氧化鎳沉淀粉末析出﹐隨著藥水?dāng)U散﹐白色粉末在槽液的酸性環(huán)境下緩慢溶解。所以﹐當(dāng)使用氫氧化鈉溶液作為化學(xué)鍍的PH調(diào)整劑時(shí)﹐其配制濃度不能太高﹐加藥時(shí)應(yīng)緩慢加入。否則會(huì)產(chǎn)生絮狀粉末﹐當(dāng)溶解過程未徹底完成前﹐絮狀粉末就會(huì)出現(xiàn)鎳的沉積﹐必須將槽液過濾干凈后﹐才可以重新開始生產(chǎn)。
在化學(xué)鎳沉積的同時(shí)﹐會(huì)產(chǎn)生亞磷酸鹽(HPO3)的副產(chǎn)物﹐隨著生產(chǎn)的進(jìn)行﹐亞磷酸鹽濃度會(huì)越來越高﹐于是反應(yīng)速度受生成物濃度的長(zhǎng)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(xiàn)象。但此先天不足可采用調(diào)整反應(yīng)物濃度方式予以彌補(bǔ)﹐開缸初期Ni濃度控制在4.60g/L﹐隨著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(wěn)定﹐以確保鍍層品質(zhì)。
影響鎳缸活性最重要的因素是穩(wěn)定劑的含量﹐常用的穩(wěn)定劑是Pb(CH3COO)2或硫脲﹐也有兩種同時(shí)使用的。穩(wěn)定劑的作用是控制化學(xué)沉鎳的選擇性﹐適量的穩(wěn)定劑可以使活化后的銅面發(fā)生良好的鎳沉積﹐而基材或綠油部分則不產(chǎn)生化學(xué)沉積。當(dāng)穩(wěn)定劑含量偏低時(shí)﹐化學(xué)沉鎳的選擇性變差﹐PCB表面稍有活性的部分都發(fā)生鎳沉積﹐于是滲鍍問題就發(fā)生了。當(dāng)穩(wěn)定劑含量偏高時(shí)﹐化學(xué)沉積的選擇性太強(qiáng)﹐PCB漏銅面只有活化效果很好的銅位才發(fā)生鎳沉積﹐于是部分Pad位出現(xiàn)漏鍍的現(xiàn)象。
鍍覆PCB的裝載量(以裸銅面積計(jì))應(yīng)適中﹐以0.2~0.5dm/L為宜。負(fù)載太大會(huì)導(dǎo)致鎳缸活性逐漸升高﹐甚至導(dǎo)致反應(yīng)失控﹔負(fù)載太低會(huì)導(dǎo)致鎳缸活性逐漸降低﹐造成漏鍍問題。在批量生產(chǎn)過程中﹐負(fù)載應(yīng)盡可能保持一致﹐避免空缸或負(fù)載波動(dòng)太大的現(xiàn)象。否則﹐控制鎳缸活性的各參數(shù)范圍就會(huì)變得很窄﹐很容易導(dǎo)致品質(zhì)問題發(fā)生。
鍍液應(yīng)連續(xù)過濾﹐以除去溶液中的固體雜質(zhì)。鍍液加熱時(shí)﹐必須要有空氣攪拌和連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)﹐使被加熱的鍍液迅速傳播。當(dāng)槽內(nèi)壁沉積鎳層時(shí)﹐應(yīng)該及時(shí)倒缸(將藥液移至另一備用缸中進(jìn)行生產(chǎn))﹐然后用25%~50%(V/V)的硝槽進(jìn)行褪除﹐適當(dāng)時(shí)可考慮加熱,但不可超過50℃。
至于鎳缸的操作控制﹐在溫度方面﹐不同系列沉鎳藥水其控制范圍不同。一般情況下﹐鎳缸操作范圍86±5℃﹐有的藥水則控制在81±5℃。在生產(chǎn)中﹐具體設(shè)定根據(jù)試板結(jié)果來定﹐不同型號(hào)的制板﹐有可能操作溫度不同。通常一個(gè)制板的良品操作范圍只有±2℃﹐個(gè)別制板也有可能小于±1℃。在濃度控制方面﹐采用對(duì)Ni的控制來調(diào)節(jié)其它組分的含量﹐當(dāng)Ni濃度低于設(shè)定值時(shí)﹐自動(dòng)補(bǔ)藥器開始添加一定數(shù)量的藥水來彌補(bǔ)所消耗的Ni﹐而其它組分則依據(jù)Ni添補(bǔ)量按比例同時(shí)添加。
鎳層的厚度與鍍鎳時(shí)間呈線性關(guān)系。一般情況下﹐200μ"鎳層厚度需鍍鎳時(shí)間28min﹐150μ"鎳層百度需鍍鎳時(shí)間21min左右。由于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(shù)的控制范圍)﹐可以考慮采用不同的活化時(shí)間﹐例如正常生產(chǎn)Pd缸有一個(gè)時(shí)間﹐容易滲鍍的制板另設(shè)定活化時(shí)間。這樣一來﹐則可以組合成六個(gè)程序來進(jìn)行生產(chǎn)。需要留意的是﹐對(duì)于多程序生產(chǎn)﹐應(yīng)當(dāng)遵循一個(gè)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(xù)生產(chǎn)中切換程序容易造成過多的麻煩。
鎳缸的循環(huán)量一般設(shè)計(jì)在5~10turn over(每小時(shí))﹐布袋式過濾應(yīng)優(yōu)先選擇考慮。搖擺通常都是前后擺動(dòng)設(shè)計(jì)﹐但對(duì)于laser盲孔板﹐鎳缸和金缸設(shè)計(jì)為上下振動(dòng)為佳。
6 沉金缸
置換反應(yīng)形式的浸金薄層﹐通常30分鐘可達(dá)到極限厚度。由于鍍液Au的含量很低﹐一般為1~2g/L﹐溶液的擴(kuò)散速度影響到大面積Pad位與小面積Pad位沉積厚度的差異。一般來說﹐獨(dú)立位小Pad位要比大面積Pad位的金厚度高100%也屬正常現(xiàn)象。
對(duì)于PCB的沉金﹐其金面厚度也會(huì)因內(nèi)層分布而相互影響﹐其個(gè)別Pad位也會(huì)出較大的差異。
通常情況下﹐沉金缸的浸鍍時(shí)間設(shè)定在7~11分鐘﹐操作溫度一般在80~90℃﹐可以根據(jù)客戶的金厚要求﹐通過調(diào)節(jié)溫度來控制金厚。需要留意的是﹐金缸容積越大越好﹐不但其Au濃度變化小而有利于金厚控制﹐而且可以延長(zhǎng)換缸周期。
為了節(jié)省成本﹐金缸之后需加裝回收水洗﹐同時(shí)也可減輕對(duì)環(huán)境的污染。回收缸之后﹐一般都是逆流水洗。
