【PCB技术】邬通芳:还原型厚化金性能分析

文/广东成德电子科技股份有限公司 邬通芳

PCB酸性化学镀镍/金工艺是在PCB涂覆阻焊层之后进行的，它的最初想法是使化学镀镍/金层既使能作绑定用(即打底)，又能适用于高温焊接，而酸性化学镍/金工艺正是实现这一目的的有效途径，它向PCB板提供集可焊、导通、散热功能于一身的理想镀层，由于整个施镀过程是在无电沉积下进行的，镀层厚度均匀一致性可达施镀的任何部位，并且设备与操作简单、工艺成熟、可焊性和焊点的可靠性高，能经受2~3次焊接。化学镀镍/金工艺主体是化学镀镍，而化学镀金只是起到防止镍层钝化的作用。化学镍层厚度一般为3~5μm，薄金(又称置换金或浸金)，其镀层厚度要求为0.025~0.1μm，厚金(又称还原金)，其镀层厚度要求为0.3~1μm，特殊情况下可高达2μm，但是用这种置换型厚化金存在着固有的尼凡提效应，在金镍界面上形成微电池，再加上镍层氧化缺陷，加速了金镍界面的氧化。为此我司开发出了还原型厚化金工艺，该工艺的要点是在镀金液里增加还原性的添加剂9026M，它能有效将已氧化的镍还原成镍，而又不影响到沉金效果。

在化学镀镍过程中，会产生大量的氢离子，致使溶液PH值降低很快，同时还伴有大量的氢气从镀液中逸出，如果在沉积镍过程中产生的氢离子来不及从离开反应界面，就被后续的镍覆盖上；这样，残存于阻焊层与铜 界面的氢离子在高温条件下(80~90℃)从空隙中逸出，导致阻焊层起泡，所以要选择温度较低，反应不能过猛，尽量避免氢离子的大量生成。同时因化学镀镍层位于元件插脚与焊盘之间，它的可焊性对于连接点的强度至关重要，又因为元件与基材的热膨胀系数不匹配，为了确保焊点的可靠性，要求化学镍层有较高的延展性。实验和经验表明，镍层中磷含量对镀层的可焊性和耐蚀性有关，一般要求镀层中磷含量为7~9%，磷含量过低，镀层耐蚀性减弱、易钝化和电化学腐蚀，生成多晶NimOn的黑膜，导致可焊性和焊点的强度降低，磷含量高，镀层抗蚀性提高，可焊性也会得到改善。

2.1 镍离子浓度

实验证明，镍的析出速率与镍离子浓度关系如下图1所示。当镍离子浓度低于5.5g/L时，析出速率随着镍离子的浓度增大而增大；而当5.5g/L≤镍离子浓度≤5.85g/L, 析出速率随着镍离子的浓度增大反而减小，但减小幅度不大，而当镍离子浓度≥5.85g/L，析出速率随着镍离子的浓度增大快速上升。

2.2 次磷酸钠浓度

在本次实验中，我们将镍离子浓度控制在5.5g/L，PH值=5.0，温度为800C，然后依次配制18 g/L、22 g/L、26 g/L、30 g/L、34 g/L，沉积60分钟后，取出清洗、晾干，用M-900金镍厚度测试仪测得结果如下图2所示。从图2中我们得出：镍的析出速率是随着次磷酸钠浓度增大而增大；当变化极不规则，总的变化趋势是增中有减，减中有增。

2.3 PH值

在本次实验中，我们将镍离子浓度调整为5.5g/L，次磷酸钠浓度调整为22 .5g/L，将温度控制在80℃左右，然后用氨水将镀液依次调整到适度PH值，用M-900金镍厚度测试仪测得结果如下图3所示，得出结论是：在工艺允许的范围内，镍的析出速率与镀液PH值基本上呈线性上升。

2.4 施镀温度

在本次实验中，我们将镍离子浓度调整为5.5g/L，PH值=5.0，次磷酸钠浓度22 .5g/L，然后依次将镀液温度调整到75℃、77.5℃、80℃、82.5℃、85℃、87.5℃、90℃，施镀60分钟后，用M-900金镍厚度测试仪测得结果如下图4所示。从图4中可以看出：温度对析出速率是有影响的，主要原因是提高反应物种游离镍离子和次磷酸根离子平均动能，加速游离镍离子和次磷酸根离子在反应界面上的移动，使反应物种游离镍离子和次磷酸根离子有效碰撞次数增多而加快施镀进程的，一般说来，温度每升高10℃，施镀速率将增加2~4倍，但考虑温度对设备和镀层结构、镀层性能等多方面的影响，最终把化学镀镍温度定在80~85℃范围之内。

2.5 老化度的影响

在本次实验中，我们测得析出速度与MTO次数关系如下表1所示，从表中测试数据来看，析出速度随着MTO增长而明显降低，当MTO增长到6时，沉积速率变得非常缓慢，这时就必须重新开缸。

2.6 搅拌

化学镀镍可采用空气搅拌、工件移动(移动速度为0.5~1m/min)和连续过滤，不宜用超声搅拌。在化学镀镍过程中，搅拌的主要作用有：①使镀液浓度均一，减小浓差。②使镀液的有效成分(Ni+、H2PO2-等)迅速达到施镀部位，而跟镀层无关的生成物(如H2、Na+等)快速脱离施镀部位，起到加速反应的作用。③使镀液温度一致，避免局部过热对设备和施镀的影响。

2.7 主盐(KAu(CN)2)的浓度

主盐(KAu(CN)2)的镀金层离子供给体，作为施镀的供给体，其浓度不仅在很大程度上影响到镀层的结构和性能，还直接影响到沉金速率，具体实施过程如下，先配制好1g/L、2 g/L镀金液，把20块已经沉镍过的30×50cm板，分别浸入上述配制好的镀金液中，每隔10分钟从两种镀金液中各取1块，经清洗、晾干后，用M-900金镍厚度测试仪测得镀层厚度如下图5所示。从图5中可以看出：2g/L沉积曲线始终位于1g/L沉积曲线的上面，这就说明，金盐浓度越高，沉积速度越快，反之亦然，此外我们还可以看出，不论金盐浓度变化如何，金层厚度均随时间延长而增加，只是到后来，沉积速度变得越来越缓慢，这是可以理解到的，因为镍镀层界面越来越小，后续的金沉积严重依赖于镍镀层界面面积，当界面面积被沉积的金晶粒所占据后，所露出的界面越来越小，沉积速度当然就变得缓慢起来了。另外KAu(CN)2的浓度过低沉积速度减慢，过高沉积速度加快，影响镀层的内应力和结构，一般施镀时KAu(CN)2的浓度可望控制在0.5~2.5g/L之间。

2.8 沉积速率与施镀温度关系

在本次实验中，我们将预先配制好1.5g/L金盐镀液分装在3个镀缸中，将3个镀缸温度依次调整为80℃、85℃、90℃，再把21块已经沉镍过的30×50cm板，分别浸入上述镀缸中，每隔5分钟，从上述3个镀缸中各取1块，清洗、晾干后，用M-900金镍厚度测试仪测得厚度如下图6所示。从图6中可以看出：90℃的沉积曲线位于85℃的沉积曲线上面，85℃的沉积曲线又位于80℃的沉积曲线，这就充分说明了金的沉积速度随温度的升高而增大的。

3.1 还原型镍镀层和传统置换型厚化金在电镜下的形貌对比

分别取1块30×50cm双面覆铜板,进行传统的置换型厚化金和还原型厚化金，去掉金镀层，清洗、晾干，拿到电镜下观察，得到镍层形貌如下图7左右两图所示。可以看出，左边还原型厚化金图像中基本上没有氧化的斑点，而右边置换型厚化金图像有很多细小的氧化斑点，这就充分说明了还原型厚化金好于置换型厚化金。再分取30×50cm各1块,进行传统的置换型厚化金和还原型厚化金，用FIB拍摄到的剖截面如下图8所示，可以看到，还原型厚化金金晶粒细致，而置换型厚化金金晶粒粗糙，且在金镍界面上伴有轻微氧化。

3.2 还原型厚化金打线强度测试

在本次实验中，我们分取金镀层厚度为0.098μm、0.140μm、0.187μm、0.202μm，面积为30×50cm的4块沉镍金板，置于150℃恒温箱中，在三个时间段做打线强度测试，测试结果下图9所示，这些数据表明，我们的产品是完全符合客户要求的。

3.3 还原型厚化金高温变色测试

本次实验中，分取金镀层厚度为0.098μm、0.140μm、0.187μm、0.202μm，面积为30×50cm的4块沉镍金板，依次置于C SUN SMQ-18型恒温箱中，将温度调至150℃，恒温24小时后取出，冷却，拍摄的焊盘照片如下图10所示，可以看出，金镀层越厚，变色越不明显。

3.4 还原型厚化金球型切应力、打线绑定及绑定能量测试

这里，我们分取还原型厚化金和传统置换型厚化金做球型切应力和打线绑定测试，测得结果如图11、12、13所示。从图11中可以看出：还原型厚化金切应力失效率为零，而传统置换型厚化金切应力在100时，失效率为零，在其他情形下都不为零。在图12中，还原型厚化金打线绑定均高于还原型厚化金打线绑定率。而在图13中，还原型厚化金绑定能量曲线图均位于传统置换型厚化金绑定能量曲线图的上方，这就表明，还原型厚化金绑定效果强于传统置换型厚化金绑定效果。

3.5 还原型厚化金和传统置换型厚化金锡回流测试

从还原型厚化金和传统置换型厚化金成品板中任取两块，分别作锡回流测试，测试结果如图14所示，从图14中我们看出两者基本上是无差异的。

3.6 还原型厚化金和传统置换型厚化金可焊性测试

从还原型厚化金和传统置换型厚化金成品板中任取两块，在265℃下，连续漂锡三次，每次3秒，测得结果如图15所示。从图15中可以看出，还原型厚化金比传统置换型厚化金的可焊性要好。

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