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1、表面处理工艺简介,前言,电子产品一直趋向体积细小及轻巧，同时包含更多功能而又有更快速的运作效率。为了达到以上要求，电子封装工业便发展出多样化的封装技术及方法，使之能在同一块线路板上增加集成电路（IC）的密度，数量及种类。 增加封装及连接密度推动封装方法从通孔技术（THT）到面装配技术（SMT）的演化，它导致了更进一步的应用打线结合的方法（Wire bonding）。缩小了连接线的间距和应用芯片尺寸封装技术（CSP），使得封装的密度增大，而多芯片组件（MCM）及系统封装技术（SIP）使得在同一芯片上嵌入更多功能从不可能变为现实。 至今，当半导体工业多年来从缩小线宽来致力于增进装置的性能时，很少有
2、设计这样的想法，也就是在一个电子系统中，装置间应该通过包含这个系统的封装来传递信息。大量的I/O需求及信号传送质量已成为半导体工业重要考虑的因素，无论在IC内部的连接或把装置封装在线路板上，为了达到可靠的连接，封装过程的要求及线路板最终表面处理技术同样重要。 本文将就线路板的最终表面处理技术做简单介绍。,电镀技术,电镀(Electroplating)就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止腐蚀,提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用。 工艺要求： 1）镀层与基体金属镀层与镀层之间，应有良好的结合
3、力。 2）镀层应结晶细致平整厚度均匀。 3） 镀层应具有规定的厚定和尽可能少的孔隙。 4） 镀层应具有规定的各项指标，如光亮度硬度导电性等。 线路板的最终表面处理用到的电镀工艺主要有电镀镍、电镀镍金、电镀锡等。,1、概述 镍：元素符号Ni，原子量58.7，密度8.88g/cm3，Ni2+的电化当量1.095g/Ah。 用于印制板的镀镍层分为半光亮镍（又称为低应力镍或哑镍）和光亮镍两种类型。主要作为板面镀金或插头镀金的底层，根据需要也可作为面层，镀层厚度按照IPC-6012标准规定不低于2-2.5um。 镍镀层应具有均匀细致，孔隙率低，延展性好等特点，而且低应力镍应具有宜于钎焊或压焊的功能。 2
4、、镀镍机理 阴极：在阴极上，镀液中的镍离子获得电子沉积出镍原子，同时伴随有少量氢气析出。 Ni2+2eNi 0Ni2+/Ni= -0.25V 2H+2e H2 0H+/ H2 = -0.0V,电镀镍,阳极：普通镀镍使用可溶性镍阳极。阳极的主反应为金属镍的电化学溶解： Ni 2e Ni2+ 3、 常见故障和纠正方法,1、概述 金：元素符号Au，原子量197，密度19.32g/cm3，Au2+的电化当量0.1226g/Ah。 板面镀金：板面镀金层是24K纯金，具有柱状结构，它有极好的导电性和可焊性。镀层厚度0.01-0.05um。 板面镀金层是以低应力镍或光亮镍为底层，镀镍层厚度3-5um，镀镍层
5、作为中间层起着金、铜之间的阻挡层的作用，它可以阻止金铜间的相互扩散和阻碍铜穿透到金表面。镍层存在相当于提高了金镍层的硬度。 板面镀金层既是碱性蚀刻的保护层，也是有IC铝线压焊和按键式印制板的最终表面镀层。 插头镀金：插头镀金也称镀硬金，俗称“金手指”。它是含有Co、Ni、Fe、Sb等合金元素的合金镀层，它的硬度、耐磨性都高于纯金镀层，硬金镀层具有层状结构。用于印制板的插头镀金层一般0.5-1.5um或更厚。合金元素含量0.2%。插头镀金用于高稳定、高可靠的电接触的链接，对镀层厚度、耐磨、孔隙率均有要求，硬金镀层的技术指标见下表。,电镀金,硬金镀层的技术指标,硬金镀层以低应力镍为阻挡层，防止金铜
6、之间的相互扩散。为了提高硬金镀层的结合力和减少孔隙率，也为了保护镀液减少污染，在镍层和硬金层之间需镀以0.02 0.05um的纯金层。,2、镀镍机理 镀金通常采用不溶性阳极，如果槽电压比较高，阳极上会发生析氧反应： H2O - 4e O2+4H+ 在微氰镀液中，Au以Au（CN）2-的形式存在，在电场的作用下，金氰络离子在阴极放电： Au（CN）2-+e Au+2CN- 0Au/ Au（CN）2- = -0.60V 在阴极上同时发生析氢反应： 2H+2e H2 镀液中有足够的金氰络离子供应，阴极上机会不断得到金镀层。 3、 常见故障和纠正方法,我国行业标准SJ-2431对插头镀镍、镀金层厚度有
7、所规定，见下表。,化学镀是一种新型的金属表面处理技术，该技术以其工艺简便、节能、环保日益受到人们的关注。化学镀使用范围很广，镀金层均匀、装饰性好。在防护性能方面，能提高产品的耐蚀性和使用寿命；在功能性方面，能提高加工件的耐磨导电性、润滑性能等特殊功能，因而成为全世界表面处理技术的一个发展。 化学镀是在金属表面的催化作用下，经控制化学还原反应进行的金属沉积过程。反应必须在具有自催化性的材料表面进行，金属的沉积过程是纯化学反应，因不用外电源也称为无电镀或不通电镀。 化学沉积过程可分为三类：置换法、接触镀、还原法。 置换法：将还原性较强的金属（基材、待镀的工件）放入另一种氧化性较强的金属盐溶液中，还
8、原性强的金属是还原剂，它给出的电子被溶液中金属离子接收后，在基体金属表面沉积出溶液中所含的那种金属离子的金属涂层。这种工艺又称为化学浸镀，应用不多。,化学镀技术,接触镀：将待镀的金属工件与另一种辅助金属接触后浸入沉积金属盐的溶液中，辅助金属的电位应低于沉积出的金属。金属工件与辅助金属浸入溶液后构成原电池，后者活性强是阳极，被溶解放出电子，阴极（工件）上就会沉积出溶液中金属离子还原出的金属层。本法虽然缺乏实际应用意义，但想在非催化活性基材上引发化学镀过程时是可以应用的。 还原法：在溶液中添加还原剂，由它被氧化后提供的电子还原沉积出金属镀层。这种化学反应如不加以控制，在整个溶液中进行沉积是没有实用
9、价值的。目前讨论的还原法是专指在具有催化能力的活性表面上沉积出金属涂层，由于施镀过程中沉积层仍具有自催化能力，使该工艺可以连续不断的沉积形成一定厚度且有实用价值的金属涂层。这就是我们所指的“化学镀”工艺，前面讨论的两种方法只不过在原理上同属于化学反应范畴，不用外电源而已。用还原剂在自催化活性表面实现金属沉积的方法是唯一能用来代替电镀法的湿法沉积过程。 目前印制板行业常用的化学镀层主要有： OSP、化学镀镍、化学镀金、化学镀钯、化学镀锡、化学镀银等。,1、概述 随着表面贴装技术（SMT）的广泛应用，对印制板焊盘的平整度及板面翘曲度的要求越来越严格，而细导线、细间距的印制板对其制作技术也提出了更高
10、的要求。但传统的热风焊料整平（HASL）工艺存在以下缺点： 1）焊盘不平整，致使SMT贴片时易偏离，造成错位或短路； 2）受热风整平操作时高温热冲击，印制板板面易产生翘曲； 3）受热风整平操作时的热冲击，细导线易断裂造成短路，细间距的导线间容易产生桥接以及短路。 4）焊料与铜间易形成晶间化合物，易脆； 5）操作时的高温和噪声不利于环保，同时还存在火警的隐患； 6）生产费用高。 有机助焊保护膜（Organic Solderability Preservative简称OSP）技术是通过将裸铜印制板浸入一种水溶液中，通过化学反应在铜表面形成一层厚度,OSP,0.2-0.5um的憎水性有机保护膜，这层
11、膜能保护铜表面避免氧化，有助焊功能，对各种焊剂兼容并能承受三次以上热冲击，数年来的应用，已日益广泛，称为热风整平工艺的替代工艺。该工艺的特点是： 1）表面均匀平坦，膜厚0.2-0.5um，适于SMT装联，适于细导线、细间距印制板的制造； 2）水溶液操作，操作温度在80以下，不会造成基板翘曲； 3）膜层不脆，易焊，与任何焊料兼容并能承受三次以上热冲击； 4）避免了生产过程的高温、噪声和火警隐患； 5）操作成本比热风整平工艺低25-50%； 6）保存期可达一年，并且易于返修。 2、OSP反应机理 铜表面有机助焊保护膜分为两种类型：溶剂型和水溶型。 1）溶剂型：也就是目前单面板生产中广泛应用的松香型
12、预涂助焊膜。在松香基的预涂助焊剂中添加如咪唑类的化合物，涂于裸铜板表面上形成防氧化助焊膜。膜层厚度3-5um，用探针不易刺透，不利于探针对其进行电气性测试，并且必须,在波峰焊及印锡膏前将其除去。由于膜层内含有溶剂和松香，容易出现发粘的现象，好像干不透一样，也不易清洗。这种工艺主要用于单面板生产。 2）水溶型：根据膜层能承受设冲击的次数不同，水剂型工艺非为能承受一次热冲击和能承受三次热冲击两种。 将含有苯骈三氮唑，咪唑，烷基咪唑，苯骈咪唑等化合物的水溶液与铜表面作用，这些化合物中的氮杂环与铜表面形成络合物，这层保护层防止了铜表面被继续氧化。但这层膜太薄，耐热性差，只能承受一次热冲击，而且保存期短
13、。 近年来引起广泛注意的有机助焊保护膜是能承受三次以上热冲击的保护膜，膜厚0.2-0.5um，可以代替热风整平工艺，并且比热风整平板更具优点。 3、故障及纠正方法,1、概述 化学镀镍工艺广泛用于金属和非金属表面处理行业，依据不同的基体，化学镀镍可以在酸性、中性、碱性溶液中进行。但PCB化学镀镍只能在酸性溶液中进行。 化学镀镍所用还原剂有次磷酸钠、氨基硼烷、肼等，化学镀镍层的组成，依还原剂不同也不同，如以次磷酸钠为还原剂可达含P 4-14%，以氨基硼烷为还原剂可达含B 0.2-5%，以肼为还原剂可得含Ni 99.5%以上的镀层。 2、化学镀镍机理 以次磷酸钠为还原剂的化学镀镍溶液中，次磷酸根离子
14、H2PO2-在有催化剂（如Pd、Fe）存在时，会释放出具有很强活性的原子氢。 H2PO2- + H2O H2PO3- + 2H+2e Ni2e + 2e Ni H2PO2- + 2H+e 2H2O +P 2H+2e H2 从机理来看，化学镀镍过程中，产生大量H+使溶液PH降低，同时也产生氢气，故有大量气泡逸出。,化学镀镍,就印制板化学镀镍而言，在沉镍过程中产生大量H+，而H+存在于阻焊层与铜的界面处，在高温条件下（80-90）， H+的大量产生会破坏阻焊层，严重时导致阻焊剂起泡。所以需要选择操作温度比较低，反应速度适中的镀液，尽量减少H+的大量生成。 3、 常见故障和纠正方法,1、概述 用于化
15、学镀金的工艺有两种：化学镀薄金和化学镀厚金。化学镀镍薄金工艺，即适用于锡焊，又是铝基导线压焊的理想表面，化学镀镍厚金工艺提供了金丝导线压焊的理想表面。 2、化学镀金机理 化学镀薄金又称为浸金、置换金。它直接沉积在化学镍的基体上。其基理应为置换反应： Ni + 2Au（CN）- 2Au+Ni2+2CN- Ni和Au的电极电位相差极大，Ni可以置换出溶液中的金，当镍表面置换金后，由于金层多孔隙，其孔隙下的镍仍可继续置换，但反应速度减慢直至镍全部被覆盖为止。因此这层金的厚度仅为0.03-0.1um，不可能再增厚。 化学镀厚金是在化学浸金的镀层上进行，镀液中加入特殊的还原剂，使在置换与自催化作用下镀金
16、。镀层厚度达0.5-1um，是金线压焊的理想镀层。有特殊要求也可镀2um。,化学镀金,化学镀Pd是PCB上理想的铜、镍保护层，它即可焊接又可“邦定”（压焊）。它可直接镀在铜上，而且因为Pd具有自催化能力，镀层可以增厚。其厚度可达0.08-0.2um，它也可以镀在化学镍层上。Pd层耐热性高，稳定，能经受多次热冲击。在置换与自催化作用下镀金。镀层厚度达0.5-1um，是金线压焊的理想镀层。有特殊要求也可镀2um。 在组装焊接时，对Ni/Au镀层，当镀金层与熔化焊料接触后，金被熔与焊料中形成AuSn4，当焊料中重量比达3%，焊料会发脆影响焊点的可靠性，但被熔的焊料不与Pd形成化合物，Pd漂浮在焊料表面，很稳定。 随着IC集成度的提高和组装技术的进步，化学镀Pd在芯片极组装（CSP）上将发挥更有效的作用。,化学镀钯,1、概述 PCB裸铜板化学镀锡也是近年来受到普遍重视的可焊性镀层。 2、化学镀锡机理 铜基体上化学镀锡从本
