化镍金生产中缺镀问题的原因分析及解决方法

化镍金生产中缺镀问题的原因分析及解决方法

概括：

本文主要从原因上对化学镀镍、金生产中的镀层缺陷问题进行分析，重点对由于S/M塞孔不良引起的镀层缺陷进行分析，并通过实验进行验证，以得到较为稳定的解决方案。

关键词：化学镍金BGA、缺镀、塞孔、ENIG

1. 简介

随着电子通讯产业的快速发展，化学镍金以其表面平整性、良好的可焊性、金面优异的耐腐蚀性、线性度及散热性等优点受到各种密集组装板的青睐，其应用已跃居表面处理技术的最前沿。对于密集组装板，特别是现在量产的手机板，有数个Mini-BGA，许多BGA位置的焊接质量已成为生产中品质的关键。焊盘镀镍不足问题是影响可焊性的关键因素之一，尤其是在BGA位置。本文对生产中小焊盘镀镍不足问题进行跟踪，推断其反应机理，并总结稳定生产的控制方法。

2. 初始问题

由于手机需求量不断增加，智能手机订单量快速增长，而手机板又占化学镍金板的绝大部分。在生产过程中，有些生产板中的BGA焊盘出现颜色变化，一个单元内有一两个甚至多个BGA焊盘，金面颜色比其他焊盘浅而白（有人称之为“金白斑”），甚至颜色较深，呈褐色，十分显眼。从切片中我们可以看到，金面较白的BGA小焊盘镍厚严重不足，要求是3~4μm，但实际镍厚只有1~2μm，而且小焊盘中间镍层断续，镍厚更小甚至没有，整个镍层不连续，独立的BGA焊盘在内层也没有与其相连的PAD、导线或过孔，这是典型的缺镀或镀层薄镍的情况。 这种缺陷会严重影响焊接性，影响产品质量，甚至使生产板报废。

详情参见图1和图2：

图1 镀层缺失的表面状况 图2 镀层缺失孔内状况

3.问题分析

1、影响镀层不足的因素

众所周知，影响镀镍缺陷的基本因素如图3所示：

一般来说，在实际生产中通过优化调整生产条件，可以将镀层不足的缺陷降低到最低范围，但对于绿油塞孔不良而导致的镀镍不足，一般的方法往往难以控制到理想的效果。

图3 缺失镀镍鱼骨分析

2.镀层缺失分析

ATO公司的CNN系列镍缸溶液具有以下反应机理：

1）化学镍缸内反应机理分析

目前普遍接受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）…①

Ni2++2H(催化剂)→Ni↓+2H+(催化表面)…②

[H2PO2]-+H2(催化剂)→H2O+OH-+P(催化表面)…③

[H2PO2]-+H2O→H++[HPO3]+H2↑（在催化表面）…④

A.镍还原反应的反应速率是由反应1中次磷酸盐分解生成氢原子决定的，从反应1可以看出，除了次磷酸盐浓度、温度、镍浓度外，最重要的反应条件是反应的进行。

B、由反应式4可知，反应过程中BGA位置上小焊盘上的催化表面也会产生大量氢气；因此，催化表面的活性是重要的环节。

2）影响电镀缺陷的因素分析

①.活动

镍缸的活性是造成镀层不足或镀镍层薄影响较大的因素，活性高时反应剧烈，引起缸内反转，活性低时易造成镀层不足。活性由生产时镍缸负荷（）、溶液PH值、溶液温度、溶液组分浓度及假槽决定。

负载

简单的说就是指单位体积药液生产极板数，一般以dm2/L表示。对于镍缸的负荷，在一定的药液浓度条件下，必须控制在额定的操作窗口内，使镍缸的反应处于动态平衡、稳定的过程，负荷过大时，反应激烈，不利于生产控制和缩短药液的使用寿命；负荷过小时，由于药液中药液缺乏足够的源功率和一定浓度的稳定性，药液会抵消启动和反应速度，对于小的焊盘，出现缺镀或镍镀层薄的几率较大。

b. 假人

化学镀在生产前期需要较大的活化槽，拖槽是使新开的或者未使用的镍槽达到正常生产活性所必需的，镀镍不足容易导致镀镍不足或者镀镍薄。

c. PH值与温度

反应过程中不断产生氢离子，导致溶液pH值缓慢下降，需要不断补充氨水。pH值过高时，反应加快较快，镍柱活性高；pH值过低时，反应速度慢。生产时容易出现镍层厚度过薄的情况。化学镍在高温（83-88℃）下，被次磷酸盐在催化表面还原为金属，低温影响反应活性，因此容易导致镀层不足或镀层过薄，从而出现镍层缺陷。

d.溶液组分浓度

镍缸中的中药水分为PART-A和PART-B两种，配比为1：1，因此浓度控制很重要，特别是自动添加泵的流量控制，配比若有偏差，容易影响镍缸的活性。严格控制溶液的自动添加量，保证PART-A和PART-B在规定配比内最为重要。

即 MTO

从第一次MTO到第五次MTO，由于镍在缸壁或滤清器上沉积，镍缸内的负荷逐渐增加，因此缸内的活性也随之略微减弱。

维护

挂篮和镍缸的保养与生产过程中镍缸的活性息息相关，保养的好坏，是否充分或不足，直接影响镍缸的寿命和生产的质量。从挂篮上掉入镍槽的铜屑、镍屑或金渣，由于没有完全处理好，再经钯槽活化，所以在镀镍的高温操作过程中，它们的电位会大幅下降，甚至比磷化还要低。镍槽的镀层电位为0.68V，活性大大提高。由于活性高，加速自催化反应，镍缸容易发生倒镀，提前报废镍缸或需要倒镀，也会使反应过程中产生较多的气泡，进入自动分析仪时，显示值高于实际值，不能正常自动添加，造成浓度降低，从而导致缺镍。

③ 振荡器

由于我公司沉金线飞杆的摆动方向与振荡器的振荡方向垂直，所以对于厚板或者面积较大的板子，在孔内以及间距较小的地方，药水的交换和搅拌是很重要的，药水的均匀度是比较好的，振荡器的存在可以提高孔内药水的流动性，减少镀层不足的发生。

④. 微蚀后浸泡

微蚀后浸是药水供应商ATO针对塞孔没塞好时，微蚀药水容易残留在孔内，与塞孔所连PAD形成电化效应，造成镍缸缺镀或镍镀层薄的问题而特别设计的一种设计，就是在制板时提高后浸槽的温度，来改善缺镀或镀层薄的问题，微蚀后浸剂会攻击绿油，溶解塞孔不好的孔内溶液；也就是说，它对一般的S/M塞孔也会起作用，所以控制微蚀后浸槽的温度，对改善缺镀是比较重要的。

⑤. 激活

活化主要分为两个步骤，第一步是借由预浸的方式，使整个铜面形成一层酸性保护膜，防止副反应的发生；第二步是浸入活化剂，使任何暴露于溶液的铜面都形成一层均匀的籽晶膜。该层主要由铜与钯发生离子交换（置换反应）而产生。当活化槽的温度、浓度、时间偏离控制下限，以及活化水洗时间过长时，铜面附着的钯较少或被洗掉，就会出现催化中心少或无催化中心的情况，启动速度较慢，也较容易造成镀层不足。

但对于S/M堵漏不良造成的缺镀现象，经过跟踪，上述因素并不是主要影响因素，关键影响因素是S/M堵漏的状况。

3).S/M插孔

客户对于S/M堵漏方法的要求很多，基本上常用的有六种方法，而影响镀镍不足的主要有以下几种：

在生产中，绿墨会经过网印、预烤、对位、曝光、显影、后烤等工序，或多或少会产生以下几种孔内缺陷，其中最常见的如下图7至图10所示：

在一侧堵住洞口，另一侧开窗的情况下，裂缝从洞口延伸到洞壁

双面封堵，裂缝从孔口延伸至孔壁

这种情况在生产中很难预防，特别是一边塞孔，一边开孔时，经过显影后，有窗口的一边会侵蚀孔口处的绿油，导致孔内绿油出现缺陷。几次表面处理都会出现缺陷，大块金面、大块锡面（沉锡）、大块银面（沉银）等外观都会受到影响。

3. S/M塞孔电镀不良改善

1）S/M 堵塞不良的问题

在实际生产中我们进行过多次对比试验，包括将为解决塞孔不良问题专门设置的微蚀后浸槽温度提高到70℃并进行如下试验，见表1：

表一：缺乏电镀测试记录

只能减轻，不能完全解决。

此类镀层缺陷主要有以下特点：

a.电镀不足的PAD与塞孔直接或间接相连;

b.一旦出现缺镀现象，连接着的PAD也会出现缺镀现象；

c.大部分电镀缺陷发生在小PAD中，大PAD中较少出现；

d. 存在堵孔问题；

e.PCB板越厚，越容易出现这种情况。

2). 反应机理

一般认为其机理是绿油塞堵性较差的孔在沉金前处理时隐藏了微蚀槽溶液（含铜离子、过硫酸钠、硫酸），而在镍槽中，铜面与镍槽溶液、孔内铜与隐藏在孔内的微蚀槽溶液形成了原电池效应，如下图11、12所示：

图11 通孔堵塞不良导致形成原电池

图12 原电池原型

化学镀镍中镍沉积的电极电位

Ni2++2H(催化剂)→Ni↓+2H+(催化表面)E0＝0.68V

绿油塞孔中可能产生的反应

2H+ + Cu+ S2O82-=Cu2++2HSO4- E0＝1.673V

事实上，当上述原电池存在时，镍的还原反应并不发生而是停止的，其原因是塞孔内存在可还原离子，反应电极电位高于镍的沉积电位。

3）改进测试

根据反应原理，第一种方法是除根：防止或尽量减少前处理溶液进入绿油塞孔效果不好的孔内。从生产线上我们可以知道，沉金线上板面的微蚀处理是要浸入处理时间大概在2.0~2.5分钟，这种处理方式可以让微蚀溶液很容易进入孔内，如果采用横向处理的方式，既能达到要求的微蚀量，又能缩短微蚀处理时间，会不会有效果呢？经过后续的跟踪，在正常沉金条件下进行了第三、第四组试验，详情见表2：

表2：缺少电镀测试记录

状况

数量（块）

镍缸条件

缺镀（套）

缺少电镀面板

三

普通涂层微蚀前处理+微蚀槽跳过沉金线

15

温度=88℃,pH=5.0

四

普通涂层微蚀前处理+微蚀槽跳过沉金线

三十

温度=88℃,PH=4.9

1.11%(2/180)

6.67%（2/30）

从表2中我们可以看出，试验3的结果良好，但是试验4的重现性不佳，试验中发现有缺镀现象，但是数量和比例都有明显下降，证明该方法是正确的。

现在生产中常用的微蚀体系有两种，一种是过硫酸钠-硫酸体系，一种是硫酸-双氧水体系，后者的铜面处理始终不如前者细腻，而且硫酸-双氧水体系容易分解，控制难度大，所以大部分PCB厂家采用的是前者-过硫酸钠-硫酸体系。硫酸-双氧水微蚀体系经过多年的发展，在控制上已经有了很大的提高，它的最大优点就是不容易发生原电池反应。其反应方程式如下：

Cu°+H2O2 +2H+ =Cu2+ +=1.433V

从过氧化氢-硫酸体系的电极电位来看，较过硫酸钠体系的电极电位要弱一些，主要优点有：

①微蚀速度快，微蚀时间短；

②不易形成原电池腐蚀反应；

③过氧化氢容易受热分解，减少残留在毛孔内和毛孔表面的机会

这些都符合解决绿油堵漏不良及化学水积聚问题的条件，所以我们继续试验使用双氧水作为横向微蚀的前处理，以改善镀层不足的问题。详情见表3：

表三：缺少电镀测试记录

状况

数量（块）

镍缸条件

缺镀（套）

缺少电镀面板

五

卧式微蚀前处理（过氧化氢-硫酸体系）+沉金跳跃式微蚀槽（过硫酸钠-硫酸体系）

15

温度=86℃,PH=4.9

六

60

温度=88℃,pH=5.0

七

60

温度=86℃,PH=4.9

从表3可以看出，两次重复性试验均能取得良好的结果，缺镀现象基本能得到控制。

在实际生产过程中，经过批量跟进，我们在沉金线路横向前处理中采用双氧水-硫酸微蚀体系，控制合适的微蚀量，可以彻底解决因S/M塞孔不良造成的镀镍、镀金不足的问题。见表4、表5。

表 4：缺失镀层批次的跟进表

生产模型

数量（面板）

堵孔法

沉金后镀层缺失

150

堵住洞，打开窗户

无缺失镀层

120

无缺失镀层

180

无缺失镀层

表5：3月底至4月镀层缺货统计批次测试

时期

输出 ft2

因缺镀而报废的脚数

缺镀废品率（%）

03/30-04/05

14781.098

2.141

0.0145

04/06-04/12

16500.844

2.035

0.0123

04/13-04/19

25188.279

0.296

0.0012

04/20-04/27

31839.300

1.461

0.0046

04/28-05/05

25518.500

表 5：镀层缺失的跟进图

4）试验结论

采用双氧水-硫酸微蚀体系，对绿油塞孔不良造成的镀镍金缺陷有更明显、稳定的改善效果，同时也提高了工艺能力。

四、结论

关于化学镍金镀镍不足或镀镍薄的问题，以上是我在生产中的一些经验，希望和同行们交流一下，给同行们一些启发。而且随着对PCB的要求越来越高，很多生产问题都会迎刃而解。

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