表面處理之OSP及化學(xué)鎳金簡(jiǎn)介

1、表面處理之OSP及化學(xué)鎳金簡(jiǎn)介14.1 前言錫鉛長(zhǎng)期以來扮演著保護(hù)銅面，維持焊性的角色， 從熔錫板到噴錫板，數(shù)十年光陰至此，碰到幾個(gè)無法克服的難題，非得用替代製程不可：A. Pitch 太細(xì)造成架橋(bridging) B. 焊接面平坦要求日嚴(yán) C. COB(chip on board)板大量設(shè)計(jì)使用 D. 環(huán)境污染本章就兩種最常用製程OSP及化學(xué)鎳金介紹之 14.2 OSP OSP是Organic Solderability Preservatives 的簡(jiǎn)稱，中譯為有機(jī)保焊膜，又稱護(hù)銅劑，英文亦稱之Preflux，本章就以護(hù)銅劑稱之。14.2.1 種類及流程介紹 A. BTA(苯駢三氯唑)

2、：BENZOTRIAZOLEBTA是白色帶淡黃無嗅之晶狀細(xì)粉，在酸鹼中都很安定，且不易發(fā)生氧化還原反應(yīng)，能與金屬形成安定化合物。ENTHON將之溶於甲醇與水溶液中出售，作銅面抗氧化劑(TARNISH AND OXIDE RESIST)，商品名為CU-55及CU-56，經(jīng)CU-56處理之銅面可產(chǎn)生保護(hù)膜，防止裸銅迅速氧化。操作流程如表14.1。B. AI(烷基咪唑) ALKYLIMIDAZOLE PREFLUX是早期以ALKYLIMIDAZOLE作為護(hù)銅劑而開始，由日本四國(guó)化學(xué)公司首先開發(fā)之商品，於1985年申請(qǐng)專利，用於蝕刻阻劑(ETCHING RESIST)，但由於色呈透明檢測(cè)不易，未大量使

3、用。其後推出GLICOAT等，係由其衍生而來。 GLICOAT-SMD(E3)具以下特性： 與助焊劑相容，維持良好焊錫性 可耐高熱銲錫流程 防止銅面氧化 操作流程如表14.2。C. ABI (烷基苯咪唑) ALKYLBENZIMIDZOLE由日本三和公司開發(fā)，品名為CUCOAT A ，為一種耐濕型護(hù)銅劑。能與銅原子產(chǎn)生錯(cuò)合物 (COMPLEX COMPOUND)，防止銅面氧化，與各類錫膏皆相容，對(duì)焊錫性有正面效果。操作流程如表14.3。D.目前市售相關(guān)產(chǎn)品有以下幾種代表廠家：醋酸調(diào)整系統(tǒng)：GLICOAT-SMD (E3) OR (F1) WPF-106A (TAMURA) ENTEK 106A

4、 (ENTHON) MEC CL-5708 (MEC) MEC CL-5800(MEC) 甲酸調(diào)整系統(tǒng)： SCHERCOAT CUCOAT A KESTER 大半藥液為使成長(zhǎng)速率快而升溫操作，水因之蒸發(fā)快速，PH控制不易，當(dāng)PH提高時(shí)會(huì)導(dǎo)致MIDAZOLE不溶而產(chǎn)生結(jié)晶，須將PH調(diào)回。一般採用醋酸(ACETIC ACID)或甲酸 (FORMIC ACID)調(diào)整。14.2.2 有機(jī)保焊膜一般約0.4m的厚度就可以達(dá)到多次熔焊的目的，雖然廉價(jià)及操作單純，但有以下缺點(diǎn)：A. OSP透明不易測(cè)量，目視亦難以檢查 B. 膜厚太高不利於低固含量，低活性免洗錫膏作業(yè)，有利於焊接之Cu6Sn5 IMC也不易形

5、成C. 多次組裝都必須在含氮環(huán)境下操作D. 若有局部鍍金再作OSP，則可能在其操作槽液中所含的銅會(huì)沉積於金上，對(duì)某些產(chǎn)品會(huì)形成問題E. OSP Rework必須特別小心14.3 化學(xué)鎳金14.3.1基本步驟脫脂水洗中和水洗微蝕水洗預(yù)浸鈀活化吹氣攪拌水洗無電鎳熱水洗 無電金回收水洗後處理水洗乾燥14.3.2無電鎳 A. 一般無電鎳分為"置換式"與"自我催化"式其配方極多，但不論何者仍以高溫鍍層品質(zhì)較佳B. 一般常用的鎳鹽為氯化鎳(Nickel Chloride) C. 一般常用的還原劑有次磷酸鹽類(Hypophosphite)/甲醛(Formaldehyd

6、e)/聯(lián)氨 (Hydrazine)/硼氬化合物(Borohydride)/硼氫化合物(Amine Borane) D. 螯合劑以檸檬酸鹽(Citrate)最常見。E. 槽液酸鹼度需調(diào)整控制，傳統(tǒng)使用氨水(Amonia)，也有配方使用三乙醇氨(Triethanol Amine)，除可調(diào)整PH及比氨水在高溫下穩(wěn)定，同時(shí)具有與檸檬酸鈉結(jié)合共為鎳金屬螯合劑，使鎳可順利有效地沉積於鍍件上。F. 選用次磷二氫鈉除了可降低污染問題，其所含的磷對(duì)鍍層品質(zhì)也有極大影率。G. 此為化學(xué)鎳槽的其中一種配方。配方特性分析：a. PH值的影響：PH低於8會(huì)有混濁現(xiàn)像發(fā)生，PH高於10會(huì)有分解發(fā)生，對(duì)磷含量及沉 積速率及

7、磷含量並無明顯影響。b.溫度的影響：溫度影響析出速率很大，低於70°C反應(yīng)緩慢，高於95°C速率快而無法控制.90°C最佳。c.組成濃度中檸檬酸鈉含量高，螯合劑濃度提高，沉積速率隨之下降，磷含量則隨螯合 劑濃度增加而升高，三乙醇氨系統(tǒng)磷含量甚至可高到15.5%上下。d.還原劑次磷酸二氫鈉濃度增加沉積速率隨之增加，但超過0.37M後槽液有分解現(xiàn)像， 因此其濃度不可過高，過高反而有害。磷含量則和還原劑間沒有明確關(guān)係，因此一般 濃度控制在O.1M左右較洽當(dāng)。e.三乙醇氨濃度會(huì)影響鍍層的磷含量及沉積速率，其濃度增高磷含量降低沉積也變慢， 因此濃度保持約0.15M較佳。他除

8、了可以調(diào)整酸鹼度也可作金屬螯合劑之用 f.由探討得知檸檬酸鈉濃度作通當(dāng)調(diào)整可有效改變鍍層磷含量 H. 一般還原劑大分為兩類：次磷酸二氫鈉(NaH2PO2H2O，Sodium Hypophosphate)系列及硼氫化鈉(NaBH4，Sodium Borohydride)系列，硼氫化鈉價(jià)貴因此市面上多以次磷酸二氫鈉為主 一般公認(rèn)反應(yīng)為： H2PO2- + H2Oa H+ +HPO32- + 2H(Cat) -(1) Ni2+ + 2H(Cat)a Ni + 2H+-(2) H2PO2- + H(Cat)a H2O + OH- + P-(3) H2PO2- + H2Oa H+ + HPO32- +

9、H2-(4) 銅面多呈非活化性表面為使其產(chǎn)生負(fù)電性以達(dá)到"啟鍍"之目的銅面採先長(zhǎng)無電鈀的方式反應(yīng)中有磷共析故，4-12%含磷量為常見。故鎳量多時(shí)鍍層失去彈性磁性，脆性光澤增加，有利防鏽不利打線及焊接。14.3.3無電金A. 無電金分為"置換式鍍金"與"無電金"前者就是所謂的"浸鍍金"(lmmersion Gold plating) 鍍層薄且底面鍍滿即停止。後者接受還原劑供應(yīng)電子故可使鍍層繼續(xù)增厚無電鎳。 B. 還原反應(yīng)示性式為：還原半反應(yīng)：Au+ + e- + Au0 氧化半反應(yīng)式: Reda Ox + e- 全反

10、應(yīng)式:：Au+ + Red aAu0 + Ox. C. 化學(xué)鍍金配方除提供黃金來源的錯(cuò)合物及促成還原的還原劑，還必須併用螯合劑、安定劑、緩衝劑及膨潤(rùn)劑等才能發(fā)揮效用。D. 化學(xué)金配方組成及功用：E. 部份研究報(bào)告顯示化學(xué)金效率及品質(zhì)的改善，還原劑的選用是關(guān)鍵，早期的甲醛到近期的硼氫化合物，其中以硼氫化鉀最普遍效果也佳，若與他種還原劑並用效果更理想。代表反應(yīng)式如后：還原半反應(yīng)：Au(CN)-2 + e-a Au0 + 2CN-氧化半反應(yīng)式：BH4- + H2O a BH3OH- + H2 BH3OH- + 30H- a BO2- + 3/2H2 + 2H20 +3e- 全反應(yīng)式：BH3OH&qu

11、ot;+3AU(CN)z"+30H-， BOz吐 + /2Hz+2H，0 +3Auo 6CN- F. 鍍層之沉積速率隨氫氧化鉀及還原劑濃度和槽溫提高而提升，但隨氰化鉀濃度增加而降低。G. 已商業(yè)化的製程操作溫度多為9O左右，對(duì)材料安定性是一大考驗(yàn)。H. 細(xì)線路底材上若發(fā)生橫向成長(zhǎng)可能產(chǎn)生短路的危險(xiǎn) I. 薄金易有疏孔易形成Galvanic Cell Corrosion K。薄金層疏孔問題可經(jīng)由含磷後處理鈍化方式解決。14.3.4製程重點(diǎn)： A. 鹼性脫脂： 為防止鈀沉積時(shí)向橫向擴(kuò)散，初期使用檸檬酸系清潔劑。後因綠漆有疏水性，且鹼性清潔劑效果又較佳，同時(shí)為防止酸性清潔劑可能造成的銅面鈍

12、化，故採磷酸鹽系直鍊非離子性清潔劑，以容易清洗為訴求。 B. 微蝕：其目的在去除氧化獲得新鮮銅面，同時(shí)達(dá)到絕對(duì)粗度約0.5-1.0m之銅面，使得鍍鎳金後仍能獲得相當(dāng)粗度，此結(jié)果有助打線時(shí)之拉力。配槽以SPS 150g/l加少量鹽酸，以保持氯 離子約2OOppm 為原則，以提高蝕刻效率。 C. 銅面活化處理：鈀約3ppm，操作約40，一分鐘，由於氯化鈀對(duì)銅面鈍化比硫化鈀為快，為得較好的鎳結(jié)合力自然是硫化鈀較適當(dāng)。由於鈀作用同時(shí)會(huì)有少量Cu+會(huì)產(chǎn)生，它可能還原成Cu也可能 氧化成Cu+，若成為銅原子則沉積會(huì)影響鈀還原。為使鈀還原順利須有吹氣攪拌，風(fēng)量約 為0./O.15M3/M2*min以上，促使

13、亞銅離子氧化並釋出電子以還原鈀，完成無電鎳沉積的動(dòng)作。 D. 活化後水洗：為防止鎳層擴(kuò)散，清除線路間之殘鈀至為重要，除強(qiáng)烈水洗也有人用稀鹽酸浸漬以轉(zhuǎn)化死角的硫化鈀防止鎳擴(kuò)散。為促進(jìn)鎳還原，熱水預(yù)浸將有助於成長(zhǎng)及均勻性，其想法在提高活 性使大小面積及高低電壓差皆因提高活性而使差異變小以達(dá)到均一的目的。E. 無電鎳：操作溫度85±5 ，PH4.54.8，鎳濃度約為4.95.1 g/l間，槽中應(yīng)保持鎳濃度低於5.5 ，否則有氫氧化沉澱的可能，若低於4.5g/l則鍍速會(huì)減慢，正常析出應(yīng)以15m/Hr，Bath loading則應(yīng)保持約0.51.5)dM2/l，鍍液以5 g/l為標(biāo)準(zhǔn)鎳量經(jīng)過5

14、個(gè)Turn即必須更槽否則析出鎳品質(zhì)會(huì)變差。鎳槽可以316不銹鋼製作，槽體事先以50%硝酸鈍化，並以槽壁 外加電解陽極以防止鎳沉積，陰極可接於攪拌葉通以0.20.4 A/M2(0.0180.037 ASF)低 電流，但須注意不能在槳葉區(qū)產(chǎn)生氣泡否則代表電流太強(qiáng)或鎳鍍層太厚必須燒槽。建浴操 作應(yīng)維持在PH=54.7間，可用NaOH或H2S04調(diào)整，PH低於4.8會(huì)出現(xiàn)混濁，槽液老化PH 操作範(fàn)圍也會(huì)逐漸提高才能維持正常析出速度。因線路底部為死角，易留置反應(yīng)後所留的殘鹼，因此對(duì)綠漆可能產(chǎn)生不利影響，必須以加強(qiáng)攪拌及震動(dòng)使殘鹼及氣泡去除。 F. 無電鎳磷含量：一般無電鎳多以"次磷酸二氫鈉&q

15、uot;為還原劑，故鍍層會(huì)含有一定量的磷約46%，且部份呈結(jié)晶狀?？嗪吭?8% 中含量則多數(shù)呈非結(jié)晶狀，當(dāng)高達(dá)12%的以上則幾乎全呈非結(jié)晶組織。就打線而言，中磷含量及硬度在500600HV最佳，焊錫性也以9%最好。一般在添加四回後析出磷含量就會(huì)達(dá)到10%應(yīng)考慮換槽，打線用厚度應(yīng)在130以上。G. 無電金：以檸檬酸為錯(cuò)合劑的化學(xué)金槽，含金5g/l，槽體以PP為材質(zhì)。PH=5.15.3時(shí)可與銅作用，PH=4.54.8時(shí)可與鎳作用實(shí)行鍍金，PH可以檸檬酸調(diào)整之。一般操作溫度在85，厚度幾乎會(huì)停止在2.5"左右，大約五分鐘就可達(dá)到此厚度，高的溫度固然可加快成長(zhǎng)但因結(jié)晶粗反而防蝕能力較差。由於大半採置換反應(yīng)，因此會(huì)有不少的鎳溶入液中，良好的管理最好不要讓鎳濃度超過2OOppm，到40Oppm時(shí)金屬外觀及附著力都變差，藥水甚至變綠變黑，此時(shí)必須更槽。金槽對(duì)銅離子極敏感，2Oppm以上析出就會(huì)減緩，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力增大。鍍鎳後也不宜久置，以免因鈍化而無法析鍍，故鎳後水洗完應(yīng)儘速進(jìn)入金槽，有時(shí)為了特定狀況則作10%檸檬酸浸泡再進(jìn)入金槽也能改善一些結(jié)合力