PCB表面OSP处理及化学镍金简介 - 全文

 

　　1 引言

　　锡铅长期以来扮演着保护铜面，维持焊性的角色， 从熔锡板到喷锡板，数十年光阴至此，碰到几个无法克服的难题，非得用替代制程不可：

　　A. Pitch 太细造成架桥(bridging)

　　B. 焊接面平坦要求日严

　　C. COB(chip on board)板大量设计使用

　　D. 环境污染本章就两种最常用制程OSP及化学镍金介绍之

　　2 OSP

　　OSP是Organic Solderability Preservatives 的简称，中译为有机保焊膜，又称护铜剂，英文亦称之Preflux，本章就以护铜剂称之。

　　2.1

　　种类及流程介绍

　　A. BTA(苯骈三氯唑)：BENZOTRIAZOLE

　　BTA是白色带淡黄无嗅之晶状细粉，在酸碱中都很安定，且不易发生氧化还原反应，能与金属形成安定化合物。ENTHON将之溶于甲醇与水溶液中出售，作铜面抗氧化剂(TARNISH AND OXIDE RESIST)，商品名为CU-55及CU-56，经CU-56处理之铜面可产生保护膜，防止裸铜迅速氧化。操作流程如表14.1。

　　B. AI(烷基咪唑) ALKYLIMIDAZOLE PREFLUX是早期以ALKYLIMIDAZOLE作为护铜剂而开始，由日本四国化学公司首先开发之商品，于1985年申请专利，用于蚀刻阻剂(ETCHING RESIST)，但由于色呈透明检测不易，未大量使用。其后推出GLICOAT等，系由其衍生而来。

　　GLICOAT-SMD(E3)具以下特性：

　　-与助焊剂相容，维持良好焊锡性

　　-可耐高热焊锡流程

　　-防止铜面氧化

　　C. ABI (烷基苯咪唑) ALKYLBENZIMIDZOLE

　　由日本三和公司开发，品名为CUCOAT A ，为一种耐湿型护铜剂。能与铜原子产生错合物 (COMPLEX COMPOUND)，防止铜面氧化，与各类锡膏皆相容，对焊锡性有正面效果。

　　D.目前市售相关产品有以下几种代表厂家：

　　醋酸调整系统：

　　GLICOAT-SMD (E3) OR (F1)

　　WPF-106A (TAMURA)

　　ENTEK 106A (ENTHON)

　　MEC CL-5708 (MEC)

　　MEC CL-5800(MEC)

　　甲酸调整系统：

　　SCHERCOAT CUCOAT A

　　KESTER

　　大半药液为使成长速率快而升温操作，水因之蒸发快速，PH控制不易，当PH提高时会导致MIDAZOLE不溶而产生结晶，须将PH调回。一般采用醋酸(ACETIC ACID)或甲酸 (FORMIC ACID)调整。

　　2.2

　　有机保焊膜一般约0.4μm的厚度就可以达到多次熔焊的目的，虽然廉价及操作单纯，但有以下缺点：

　　A. OSP透明不易测量，目视亦难以检查

　　B. 膜厚太高不利于低固含量，低活性免洗锡膏作业，有利于焊接之Cu6Sn5 IMC也不易形成

　　C. 多次组装都必须在含氮环境下操作

　　D. 若有局部镀金再作OSP，则可能在其操作槽液中所含的铜会沉积于金上，对某些产品会形成问题

　　E. OSP Rework必须特别小心

　　3 化学镍金

　　3.1基本步骤

　　脱脂→水洗→中和→水洗→微蚀→水洗→预浸→钯活化→吹气搅拌水洗→无电镍→热水洗→ 无电金→回收水洗→后处理水洗→干燥

　　3.2无电镍

　　A. 一般无电镍分为"置换式"与"自我催化"式其配方极多，但不论何者仍以高温镀层质量较佳

　　B. 一般常用的镍盐为氯化镍(Nickel Chloride)

　　C. 一般常用的还原剂有次磷酸盐类(Hypophosphite)/甲醛(Formaldehyde)/联氨 (Hydrazine)/硼氩化合物(Borohydride)/硼氢化合物(Amine Borane)

　　D. 螯合剂以柠檬酸盐(Citrate)最常见。

　　E. 槽液酸碱度需调整控制，传统使用氨水(Amonia)，也有配方使用三乙醇氨(Triethanol Amine)，除可调整PH及比氨水在高温下稳定，同时具有与柠檬酸钠结合共为镍金属螯合剂，使镍可顺利有效地沉积于镀件上。

　　F. 选用次磷二氢钠除了可降低污染问题，其所含的磷对镀层质量也有极大影率。

　　G. 此为化学镍槽的其中一种配方。

　　配方特性分析：

　　a. PH值的影响：PH低于8会有混浊现像发生，PH高于10会有分解发生，对磷含量及沉 积速率及磷含量并无明显影响。

　　b.温度的影响：温度影响析出速率很大，低于70°C反应缓慢，高于95°C速率快而无法控制.90°C最佳。

　　c.组成浓度中柠檬酸钠含量高，螯合剂浓度提高，沉积速率随之下降，磷含量则随螯合 剂浓度增加而升高，三乙醇氨系统磷含量甚至可高到15.5%上下。

　　d.还原剂次磷酸二氢钠浓度增加沉积速率随之增加，但超过0.37M后槽液有分解现像， 因此其浓度不可过高，过高反而有害。磷含量则和还原剂间没有明确关系，因此一般 浓度控制在O.1M左右较洽当。

　　e.三乙醇氨浓度会影响镀层的磷含量及沉积速率，其浓度增高磷含量降低沉积也变慢， 因此浓度保持约0.15M较佳。他除了可以调整酸碱度也可作金属螯合剂之用

　　f.由探讨得知柠檬酸钠浓度作通当调整可有效改变镀层磷含量

　　H. 一般还原剂大分为两类：

　　次磷酸二氢钠(NaH2PO2H2O，Sodium Hypophosphate)系列及硼氢化钠(NaBH4，Sodium Borohydride)系列，硼氢化钠价贵因此市面上多以次磷酸二氢钠为主 一般公认反应为：

　　[H2PO2]- + H2Oa H+ +[HPO3]2- + 2H(Cat) -----------(1)

　　Ni2+ + 2H(Cat)a Ni + 2H+----------------------------------(2)

　　[H2PO2]- + H(Cat)a H2O + OH- + P----------------------(3)

　　[H2PO2]- + H2Oa H+ + [HPO3]2- + H2------------------(4)

　　铜面多呈非活化性表面为使其产生负电性以达到"启镀"之目的铜面采先长无电钯的方式反应中有磷共析故，4-12%含磷量为常见。故镍量多时镀层失去弹性磁性，脆性光泽增加，有利防锈不利打线及焊接。

　　3.3无电金

　　A. 无电金分为"置换式镀金"与"无电金"前者就是所谓的"浸镀金"(lmmersion Gold plating) 镀层薄且底面镀满即停止。后者接受还原剂供应电子故可使镀层继续增厚无电镍。

　　B. 还原反应示性式为：还原半反应：Au+ + e- + Au0 氧化半反应式: Reda Ox + e- 全反应式:：Au+ + Red aAu0 + Ox.