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﹐達到銅面清潔及增加潤濕效果的目的。它應當具備不傷Soider Mask(綠油)﹐低泡型易水洗的特點。
除油缸之后通常為二級市水洗﹐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渣﹐保持銅面新鮮及增加化學鎳層的密著性﹐常用微蝕液為酸性過硫酸鈉溶液。
Na2S2O8﹕80~120g/L
硫酸﹕20~50ml/L
沉鎳金生產也有使用硫酸雙氧水或酸性過硫酸鉀微蝕液來進行的。
由于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﹐以保證微蝕速率處于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﹐由于帶出的微蝕殘液﹐會導致銅面在水洗過程中迅速氧化﹐所以微蝕后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)﹐微蝕后二級逆流水洗之后﹐再加入5%左右的硫酸浸洗﹐經二級逆流水洗之后進入預浸缸。
3 預浸缸
預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(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采用硫酸作預浸劑﹐鹽酸把鈀活化系列采用鹽酸作預浸劑﹐也有使用銨鹽作預浸劑(PH值另外調節)。否則﹐活化制程失去保護會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完全覆蓋后(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。
由于Pd的本身特性﹐活化缸存在著不穩定這一因素﹐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﹐否則會影響活化效果﹐引起漏鍍發生。
通常情況下﹐鈀缸溫度設定在20~30℃﹐其控制范圍應在±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﹐啟動循環泵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后﹐多加硫酸或鹽酸的后浸及逆流水洗的制程。
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干凈。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﹐如果說不正常因素導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﹐并不會對鎳缸造成太大的影響﹐所以不必太在意活化后水洗時間太短﹐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﹐活化后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。由于其催化能力劣于鈀晶體﹐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﹐于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位在沉金后呈現白色粗糙金面﹐而后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﹐伴隨著單質磷的析出。而且隨著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﹐隨著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于電鍍鎳﹐其硬度也比電鍍鎳高。
在化學沉鎳的酸性鍍液中﹐當PH<3時﹐化學鎳沉積的反應就會停止﹐而當PH>6時﹐鍍液很容易產生Ni(OH)2沉淀。所以一般情況﹐生產中PH值控制在4.5~5.2之間。由于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﹐說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淀粉末析出﹐隨著藥水擴散﹐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﹐其配制濃度不能太高﹐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﹐必須將槽液過濾干凈后﹐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﹐隨著生產的進行﹐亞磷酸鹽濃度會越來越高﹐于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。但此先天不足可采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后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﹐于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﹐于是部分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﹐負載應盡可能保持一致﹐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范圍就會變得很窄﹐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)﹐然后用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﹐有可能操作溫度不同。通常一個制板的良品操作范圍只有±2℃﹐個別制板也有可能小于±1℃。在濃度控制方面﹐采用對Ni的控制來調節其它組分的含量﹐當Ni濃度低于設定值時﹐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系。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(即增大鎳缸各參數的控制范圍)﹐可以考慮采用不同的活化時間﹐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﹐對于多程序生產﹐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。搖擺通常都是前后擺動設計﹐但對于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。由于鍍液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。一般來說﹐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。
對于PCB的沉金﹐其金面厚度也會因內層分布而相互影響﹐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﹐操作溫度一般在80~90℃﹐可以根據客戶的金厚要求﹐通過調節溫度來控制金厚。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﹐而且可以延長換缸周期。
為了節省成本﹐金缸之后需加裝回收水洗﹐同時也可減輕對環境的污染。回收缸之后﹐一般都是逆流水洗。
