化學鎳金工藝中金面異色分析及改善

 自上世紀90年代至今，隨著電子產品追求輕、薄、短、小、高頻化和數字化等因素的推動下，化學鎳金表面處理工藝在PCB中得到迅速地推廣，這主要得益于化學鎳金層具有良好的保護性、焊接性、平整性以及優良的電性能，因此，對比OSP(有機保護膜)、噴錫等其它PCB表面處理，化學鎳金可滿足更多種smt要求，被廣泛應用于手機、電腦、IC卡等諸多電子工業。

    化學鎳金（Electroless Nickel and Immersion Gold，簡寫為ENIG）又稱化鎳金、沉鎳金或者無電鎳金，化學鎳金是通過化學反應在銅的表面置換鈀再在鈀核的基礎上化學鍍上一層鎳磷合金層，然后再通過置換反應在鎳的表面鍍上一層金。

    化學鎳金作為PCB表面處理之一，如果來料銅面異常會導致化學鎳金后出現漏鍍、甩鎳金、金面異色等品質異常，其中的金面異色問題通常情況下會從化學鎳金前處理方面著手解決。而本文中所講的金面異色為金厚偏薄異色，并且異色問題均集中在IC和BGA位置,如圖1所示。本文將就此問題產生的原因進行分析，并給出改善措施，終解決這類金面異色問題。

    二、原因分析
    2.1沉金反應原理
    當PCB板面鍍好鎳層放入金槽后，其鎳面即受到槽液的攻擊而溶出鎳離子，所拋出的兩個電子被金氰離子獲得而在    鎳面上沉積出金層，反應機理如下：
    陽極反應：Ni→Ni2++2e-    E0=0.25V
    陰極反應：Au(CN)2-+e-→Au+2CN-    E0=0.6V
    總反應式  Ni + Au(CN)2- → Ni2+ + Au + 2CN-

    從以上沉金反應機理可以得出此反應屬于典型的置換反應，總反應的電位為-0.35V，在Ni和Au+的接觸便可自發進行，理論上鎳面上完全覆蓋上一層Au之后，金的析出便停止，實際上由于金層表面上孔隙較多，故多孔金屬下的鎳仍可溶解拋出電子而金繼續析出在鎳上，只不過速率會愈來愈低，直至終止。

    2.2 金面異色原因分析

    2.2.1正常IC與異常IC鎳厚切片分析

    從以上切片鎳厚測量得出，IC異色處與正常IC位鎳厚無明顯差異，說明造成IC異色原因不是沉金假鍍(鎳厚偏薄)引起，即此類IC露鎳異色與鎳厚無關系。

    2.2.2正常IC與異色IC金鎳厚測量

    從以上異常IC與正常IC金厚測試數據得出，異常IC與正常IC鎳厚無明顯差距，但異常IC金厚比正常IC金厚大相差0.82微英寸，因此可以判定IC異色為金厚過薄呈現鎳的顏色所致。

    2.2.3正常IC與異色IC鎳層SEM及EDS分析

    從以上鎳面SEM及EDS分析得出，IC異色處與正常IC位鎳面晶體結構和P含量均無明顯差異，說明造成IC露鎳異色原因不是鎳面晶體異常引起。

    2.2.4通過魚骨圖對金面異色可能存在原因進行分析，如下圖所示。

    2.2.5原因篩選
    (1)現場跟進發現同一時間、同一條件生產出來的板，有些板有異色，有些板無異色，因此可以排除人員、機器和環境方面的因素；
    (2)現場跟進中還發現發生異色的板都發生在有BGA和IC的板上，并且異色板主要集中在雜色油墨上，因此將原因得點鎖定在物料和方法上。

    三、實驗驗證
    3.1實驗流程
    來料→水平噴砂處理→上板→除油→微蝕→預浸→活化→后浸→化沉鎳→化學金→金回收→下板

    3.2實驗參數
    實驗參數如下頁表3所示。

    3.3實驗方案

    四、實驗驗證結果及分析
    從下頁表4中的5組實驗結果對比得出：
    (1) 將沉金金缸金濃度提高至1.2g/L仍有異色現象，說明金濃度不是導致IC或BGA異色的原因；
    (2) 將沉金活化時間提高至120S仍有異色現象，說明金活化時間不是導致IC或BGA異色的原因；
    (3) 對比本廠沉金和外發沉金都有BGA或IC異色現象，說明沉金藥水不是導致沉金板異色的主要原因；
    (4) 阻焊工序采用不同油墨絲印沉金后都有金異色現象，說明油墨不是導致金面異色的原因；
    (5)在阻焊工序采用鋁片塞孔處理的板在沉金后無金面異色現象，而未采用鋁片塞孔的板沉金后均出現金面異色現象,說明阻焊鋁片塞孔對BGA和IC金面異色有很大的改善作用；鋁片塞孔與非鋁片塞孔孔內切片對比如圖3和圖4所示。

    五、結論
    針對沉金板BGA或IC金面異色問題，曾經困擾我司許久，在生產過程中我們也進行過很多嘗試，但均未得到完全杜絕之目的，后通過對沉金的反應原理和異常板進行仔細分析，并且通過試板對比及量產驗證，終找到通過阻焊鋁片塞孔能徹底解決BGA或IC金面異色問題。

來源：化學鎳金工藝中金面異色分析及改善