摘要：

  本文主要通过对化镍金生产中所产生的缺镀问题从原因入手，着重于S/M塞孔不良所引起的缺镀进行分析并通过实验验证，从而得出一套较稳定的解决方法。

关键词：化学镍金 BGA 缺镀 塞孔不良 ENIG

一、简介

随着电子通讯行业的飞速发展，化学镍金以其表面平坦性、良好的可焊性、金面优良的抗腐蚀性、可打线性及可散热性而倍受各种密集组装板的青睐，其应用跃居至表面处理技术的前列。对于密集组装板，特别是现在大量生产的手机板上均存有数个Mini-BGA，众多BGA位的焊接优良性成为生产中品质的关键。而小焊垫的易缺镀镍问题则是影响特别是BGA位置可焊性的其中一个关键因素。本文通过对生产中的小焊垫缺镀镍的问题跟进，根据反应机理的推断，并从中总结出稳定的生产控制方法。

二、问题初现

由于手机市场需求的不断上升，接到的智能手机订单量迅速上涨，而手机板在化学镍金板中占了大部分的比例。生产中一部分生产板中的BGA小焊垫位出现了颜色的差异，一个unit中有一到两个甚至更多BGA小焊垫金面上颜色比其他的小焊垫要浅、要白（也有人叫“金白”），甚至发暗、呈褐色，非常显眼，从切片中可以看出，金面颜色较白的BGA小焊垫镍厚严重不足。要求为3~4μm,实际上镍厚仅1~2μm，且在小焊垫的中间局部部位镍层断断续续，镍厚更小的甚至没有。整个镍层呈不连续状态。该独立的BGA小焊垫在内层亦未有任何与之相连的PAD、线或孔，这是典型的缺镀或薄镀镍。此种缺陷将严重影响可焊性，影响产品的品质，令到生产板报废。

具体见图一、图二：

         图一 缺镀表观                 图二 缺镀孔内情况

三、问题分析

1、影响缺镀的因素

众所周知，影响缺镀镍的基本影响因素有如下图三：

一般情况下通过在实际生产情况下优化调整生产条件，缺镀这种缺陷是可以降低到最低的范围内的。但是，对于由于绿油塞孔不良的情况下引发的缺镀镍，一般方法往往较难控制到一个理想的效果。

图三  缺镀镍鱼骨分析图

2、缺镀分析

   ATO的CNN系列镍缸药水，反应机理如下：

1）化学镍缸中反应机理分析

       一般公认的以次磷酸盐为还原剂的酸性化学镀镍反应如下：

       [H₂PO₂]^-+H₂O→H⁺+[HPO₃]^2-+2H（在催化表面上）    ………①

       Ni²⁺+2H(催化剂)→Ni↓+2H⁺（在催化表面上）           ………②

  [H₂PO₂]^-+H₂(催化剂)→H₂O+OH^-+P（在催化表面上）   ………③

        [H₂PO₂]^-+H₂O→H⁺+[HPO₃]+H²↑（在催化表面上）  ………④

A、决定镍还原反应速度为反应1的次磷酸盐分解形成氢原子的反应。由反应1式可见，反应的条件除了次磷酸盐浓度、温度、镍浓度外，最重要的是要在催化表面上进行。

B、由反应式4可见，反应中BGA位上的小焊垫上，大量的氢气产生也是在催化表面上进行；所以，催化表面的活性是重要一环。

2）影响缺镀的因素分析

①.活性

  镍缸活性对于缺镀或薄镀镍来说是影响力较大的因素，活性高时反应剧烈导致反缸，活性较低的时候则易导致缺镀镍。而活性又是由镍缸负载(loading)、溶液PH值、溶液温度、溶液成分浓度及生产时的拖缸（dummy planting）这几个因素构成。

a、负载

简单的说，是指单位体积药水中生产板的尺数，一般表达为dm²/L。对于镍缸的负载，在一定药水浓度条件下，需控制在额定的操作窗口内，使得镍缸的反应处于一个动态平衡的稳定过程中，当负载量过大时，反应激烈而不利于生产的控制及缩短药水的使用寿命，而负载量偏小时，由于无足够的源动力与溶液中一定浓度的稳定剂抗衡，使得启动及反应的速度受压制。对于小焊盘有较大的机会缺镀或薄镀镍。

b、拖缸（dummy plating）

化学镀在生产初期需要有较大的loading激活缸的活性。拖缸是为了使得新开的或一定时间内未生产的镍缸达到正常生产的活性时所必须做的工作。当拖缸不足时活性不足，容易引起缺镀或薄镀镍。

c、PH值与温度

在反应过程中不断的有氢离子产生，使得溶液中PH值慢慢降低，需不断地加入氨水。当PH值过高，反应迅速加快，镍缸活性偏高；PH过低，反应速度缓慢，则生产中镍厚易偏薄，化学镍是借助次磷酸盐在高温下（83-88℃）使镍在催化表面还原为金属。温度偏低影响反应活性，故有可能导致缺镀或薄镀镍缺陷的出现。

d、溶液组分浓度

镍缸中药水分为PART-A和PART-B两种，且比例为1:1添加，故浓度的控制十分关键，特别是自动添加泵之流量控制，如果比例偏差，很容易对镍缸的活性造成严重的影响。严格控制药水的自动添加量，确保PART-A与PART-B在规定比例内是最重要的。

e、MTO

从第一个MTO到第五个MTO，镍缸中的负载随着镍在缸壁或过滤器的沉积逐步增加，故缸中活性随之提高。前两个MTO内活性相对后三个MTO会稍弱。

②.保养

挂篮的保养与镍缸保养与镍缸生产时的活性紧密相关，保养的好与坏，做得足与不足，直接影响到镍缸的寿命，影响到生产的质量。当保养未做好时，挂架上落入鎳槽的銅碎、鎳屑、或金渣处理不彻底，再经过鈀槽所活化，故在鍍鎳的高溫操作中，其電位均將大幅下降，甚至低於磷化鎳槽液的起鍍電位0.68V，活性大幅提高。镍缸容易因活性太高导致自催化反应的加速而反缸，镍缸提前报废或需要倒缸。也会使得反应过程中气泡较多，进入到自动分析仪中导致显示值比实际值偏高而不能正常自动添加使得浓度下降，造成缺镀镍。

③.震荡器

由于现时本公司的沉金线飞巴摇摆方向与震荡器的震荡方向是互相垂直的。对于厚板或较大面积的板，孔内、小间距的地方从微观上看，药水的交换及搅拌的均匀性相对较好。振荡器的存在可以改善孔内药水流动情况从而减少缺镀情况的出现。

④.微蚀后浸

微蚀后浸是药水供应商ATO专门为针对塞孔板塞孔不良时易残留微蚀缸药水在孔内，与塞孔相连的PAD形成原电池效应导致在镍缸中缺镀或薄镀镍而设计的，提高做板时后浸缸的温度对缺镀或薄镀有改善。微蚀后浸剂对绿油会有攻击，可以使到塞孔不良的孔内的药水溶出；也就是说，对一般的S/M塞孔好的孔同样也会起作用，所以控制微蚀后浸缸的温度对于改善缺镀较为重要。

⑤.活化

活化主要分两步，一是通过预浸在整个铜面形成一层酸性的保护膜，防止副反应的产生；二是浸活化剂，使得暴露在溶液中任何铜表面上形成均匀的晶种薄层，主要通过铜于钯之间的离子交换（置换反应）产生。当活化缸的温度、浓度、时间偏出控制下限时及活化水洗时间过长时，铜面上附着的钯较少或被洗去，则催化中心就少或没有，启动速度就较慢，较为容易导致缺镀的产生。

    但对于S/M塞孔不良造成的缺镀，经跟进，以上的因素均不是主要的影响因素。影响的关键因素是S/M塞孔的状况。

3）.S/M塞孔

S/M的塞孔方式客户有较多的要求，基本上常用的有六种，而对缺镀镍有影响的主要有以下几种方式：

在生产中绿油经过丝印、预烘、对位、曝光、显影、后烘，或多或少地会产生以下孔内缺陷，常见的如下图七～十：

一面塞孔、一面开窗的情况，裂缝从孔口延伸到孔壁

双面塞孔情况，裂缝从孔口延伸到孔壁

此种情况生产中较难杜绝，特别是一面塞孔、一面开窗者的情况，开窗的那一面经过显影后对孔口部分的绿油产生攻击，导致以上孔内绿油的缺陷。此种缺陷在几种表面处理中都会有藏药水的缺点，对于大金面、大锡面（沉锡）、大银面（沉银）等均对表观有影响。

3、S/M塞孔缺镀的改善

1）S/M塞孔不良的困扰

在实际生产中我们做了较多的对比试验，包括升高专门为解决由于塞孔不良而设置的微蚀后浸缸的温度到70℃后做以下试验，见表一：

                                                                          表一：缺镀试验记录表

只能减少，但无法彻底解决。

该种缺镀主要有以下特征：

a、发生缺镀的PAD直接或间接与塞孔连接；

b、一旦发生缺镀，所连接在一起的PAD也都会发生缺镀；

c、绝大部分缺镀发生在小PAD，发生在大PAD的情况较少；

d、塞孔存在不良的情况；

e、当PCB板越厚，此类情况越容易出现。

2）.反应机理

普遍地认为机理是绿油塞孔不良的孔内藏匿了沉金前处理中微蚀缸的药水（含铜离子、过硫酸钠、硫酸），而在镍缸中，铜面与镍缸药水、孔内铜与孔内所藏匿的微蚀缸药水形成了原电池效应，见下图十一～十二：

                   图十一  塞孔不良形成原电池

                      图十二 原电池原型

化学镍中镍的沉积电极电位

Ni²⁺+2H(催化剂)→Ni↓+2H⁺（在催化表面上）    E⁰＝0.68V 

绿油塞孔内可能存在的反应

2H⁺ + Cu+ S₂O₈^2-=Cu²⁺+2HSO₄^-       E⁰＝1.673V

实际当存在上述原电池情况时，镍的还原反应没有产生，而是停止了。原因是由于塞孔内的存在可还原的离子且其反应电极电位比镍的沉积电位高。

3）.改善试验

根据反应的原理，首要的方法就是要切除根源：杜绝或尽量减少前处理药水进入到绿油塞孔不良的孔里面。从生产线可以了解到，沉金线上的板面微蚀处理是以浸泡的形式进行的，时间约为2.0～2.5min,这样的处理形式使得微蚀的药水很容易就可以进入到孔里面。如果用水平处理的方式可以达到要求微蚀量，缩短微蚀处理的时间，是否会有效果呢？经跟进，在正常的沉金条件下做了第三、第四两组试验，详见表二：

                                       表二：缺镀试验记录表

从表二可以看出，试验三的结果良好，试验四重复再试时的重现性不好，试验中又发现有缺镀的情况，但数量及比例均有较大比例的下降。所以方向是正确的。

    现在生产中的常用微蚀体系有两种，一种是过硫酸钠-硫酸体系，另一种是硫酸-双氧水体系。一直以来后者的铜面处理没有前者的细腻，且硫酸-双氧水的体系容易分解，不好控制，所以大部分的PCB厂家使用前者－过硫酸钠-硫酸体系。经过多年的发展，硫酸-双氧水微蚀体系控制上有了较大的改善，且最大的优点是不易于发生原电池反应。反应方程式如下：

Cu°+H₂O₂ +2H⁺ =Cu²⁺ +2H₂O           E⁰=1.433V

从双氧水-硫酸体系的电极电位来看，比过硫酸钠体系要弱。主要优点有：

①微蚀的速度快，微蚀处理的时间短；

②不易形成原电池腐蚀反应；

③双氧水易受热分解，减少在孔内、孔表面残留的机会

这些，都很符合解决绿油塞孔不良藏药水的条件，所以继续试验以双氧水做水平微蚀前处理改善缺镀，具体见表三：

       表三：缺镀试验记录表

从表三可以看出，两次重复性试验均可以达到较好的效果，缺镀基本上可以得到了控制。

在实际生产过程中，经过批量跟进，我们在沉金线的水平前处理采用双氧水-硫酸微蚀体系，控制适当的微蚀量，是完全可以解决S/M塞孔不良所造成的化镍金缺镀问题的。见表四、表五。

                                                                          表四 ：缺镀批量跟进表

             表五：统计批量试验三月底到四月份的缺镀情况

表五的缺镀跟进图

4）、试验结论

对由于绿油塞孔不良造成的沉镍金缺镀，使用双氧水-硫酸微蚀体系有较明显及稳定的改善作用，也提高了工艺能力。

四、结束语

对于化学镍金缺镀或薄镀镍的问题，以上是在生产中的一些体会，希望与同行有所交流，抛砖引玉。且随着PCB要求越来越高，很多的生产问题都会迎刃而解。