1 前言
在一個印制電路板的制造工藝流程中，產品最終之表面可焊性處理，對最終產品的裝配和使用起著至關重要的作用。
綜觀當今國內外，針對印制電路板最終表面可焊性涂覆表面處理的方式，主要包括以下幾種：Electroless Nickel and Immersion Gold
（1） 熱風整平；
（2） 有機可焊性保護劑；
（3） 化學沉鎳浸金；
（4） 化學鍍銀；
（5） 化學浸錫；
（6） 錫 / 鉛再流化處理；
（7） 電鍍鎳金；
（8） 化學沉鈀。
其中，熱風整平是自阻焊膜于裸銅板上進行制作之制造工藝（SMOBC）采用以來，迄今為止使用最為廣泛的成品印制電路板最終表面可焊性涂覆處理方式。
對一個裝配者來說，也許最重要的是容易進行元器件的集成。任何新印制電路板表面可焊性處理方式應當能擔當N次插拔之重任。除了集成容易之外，裝配者對待處理印制電路板的表面平坦性也非常敏感。與熱風整平制程所加工焊墊之較惡劣平坦度有關的漏印數(shù)量，是改變此種表面可焊性涂覆處理方式的原因之一。
鍍鎳/金早在70年代就應用在印制板上。電鍍鎳/金特別是閃鍍金、鍍厚金、插頭鍍耐磨的Au-Co 、Au-Ni等合金至今仍一直在帶按鍵通訊設備、壓焊的印制板上應用著。但它需要“工藝導線”達到互連，受高密度印制板SMT安裝限制。90年代，由于化學鍍鎳/金技術的突破，加上印制板要求導線微細化、小孔徑化等，而化學鍍鎳/金，它具有鍍層平坦、接觸電阻低、可焊性好，且有一定耐磨等優(yōu)點，特別適合打線（Wire Bonding）工藝的印制板，成為不可缺少的鍍層。但化學鍍鎳/金有工序多、返工困難、生產效率低、成本高、廢液難處理等缺點。
銅面有機防氧化膜處理技術，是采用一種銅面有機保焊劑在印制板表面形成之涂層與表面金屬銅產生絡合反應，形成有機物-金屬鍵，使銅面生成耐熱、可焊、抗氧化之保護層。目前，其在印制板表面涂層也占有一席之地，但此保護膜薄易劃傷，又不導電，且存在下道測試檢驗困難等缺點。
目前，隨著環(huán)境保護意識的增強，印制板也朝著三無產品（無鉛、無溴、無氯）的方向邁進，今后采用化學浸錫表面涂覆技術的廠家會越來越多，因其具有優(yōu)良的多重焊接性、很高的表面平整度、較低的熱應力、簡易的制程、較好的操作安全性和較低的維護費。但其所形成之錫表面的耐低溫性（-55℃）尚待進一步證實。
隨著SMT技術之迅速發(fā)展，對印制板表面平整度的要求會越來越高，化學鍍鎳/金、銅面有機防氧化膜處理技術、化學浸錫技術的采用，今后所占比例將逐年提高。本文將著重介紹化學鍍鎳金技術。
2 化學鍍鎳金工藝原理
化學鍍鎳金最早應用于五金電鍍的表面處理，后來以次磷酸鈉（NaH2PO2）為還原劑的酸性鍍液，逐漸運用于印制板業(yè)界。我國港臺地區(qū)起步較早，而大陸則較晚，于1996年前后才開始化學鍍鎳金的批量生產。
2.1 化學鍍鎳金之催化原理
作為化學鎳的沉積，必須在催化狀態(tài)下，才能發(fā)生選擇性沉積。銅原子由于不具備化學鎳沉積的催化晶種的特性，所以需通過置換反應，使銅面沉積所需要的催化晶種。
（1）鈀活化劑
Pd2+ + Cu → Pd + Cu2+
（2）釕活化劑
Ru2+ + Cu → Ru + Cu2+
2.2 化學鍍鎳原理
化學鍍鎳是借助次磷酸鈉（NaH2PO2）在高溫下（85~100℃），使Ni2+ 在催化表面還原為金屬，這種新生的Ni 成了繼續(xù)推動反應進行的催化劑，只要溶液中的各種因素得到控制和補充，便可得到任意厚度的鎳鍍層。完成反應不需外加電源。
以次磷酸鈉為還原劑的酸性化學鍍鎳的反應比較復雜，以下列四個反應加以說明：
H2PO2— + H2O → H + + HPO32— + 2 H
Ni2+ + 2 H → Ni + 2 H +
H2PO2— + H → H2O + OH— + P
H2PO2— + H2O → H + + HPO32— + H2
由上可見，在催化條件下，化學反應產生鎳沉積的同時，不但伴隨著磷（P）的析出，而且產生氫氣（H2）的逸出。
另外，化學鍍鎳層的厚度一般控制在4~5μm，其作用同金手指電鍍鎳一樣，不但對銅面進行有效保護，防止銅的遷移，而且具備一定的硬度和耐磨性能，同時擁有良好的平整度。
在鍍件浸金保護后，不但可以取代拔插不頻繁的金手指用途（如電腦內存條），同時還可以避免金手指附近連接導電線處斜邊時所遺留之裸銅切口。
2.3 浸金原理
鎳面上浸金是一種置換反應。當鎳浸入含Au（CN）2—的溶液中，立即受到溶液的浸蝕拋出2個電子，并立即被Au（CN）2—所捕獲而迅速在鎳上析出Au：
2 Au（CN）2— + Ni → 2 Au + Ni2+ + 4 CN —
浸金層的厚度一般在0.03~0.1μm之間，但最多不超過0.15μm。其對鎳面具有良好的保護作用，而且具備很好的接觸導通性能。很多需按鍵接觸的電子器械（如手機、電子字典），都采用化學浸金來保護鎳面。
另外需指出，化學鍍鎳/金鍍層的焊接性能是由鎳層來體現(xiàn)的，金只是為了保護鎳的可焊性能而提供的。作為可焊鍍層金的厚度不能太高，否則會產生脆性和焊點不牢的故障，但金層太薄防護性能變壞。
3 化學鍍鎳金工藝流程
作為化學鍍鎳金流程，只要具備以下6個工作站就可滿足其生產要求：
除油（3~7min）→ 微蝕（1~2min）→ 預浸（0.5~1.5min）→ 活化（2~6min）→ 沉鎳（20~30min）→ 浸金（7~11min）
3.1 安美特（Atotech）公司的化學鍍鎳金Aurotech工藝流程
Aurotech 是安美特公司開發(fā)的化學鍍鎳/金制程的商品名稱。適用于制作阻焊膜之后的印制電路板的裸銅區(qū)域（一般是焊腳或連接盤的導通孔）進行選擇性鍍覆的化學法。
Aurotech 工藝能在裸露的銅表面和金屬化孔內沉積均勻的化學鎳/金鍍層，即使是高厚徑比的小孔也如此。Aurotech 還特別用于超細線電路，通過邊緣和側壁的最佳覆蓋達到完全抗蝕保護，同熱風整平相比較，Aurotech 沒有特別高的溫度，印制板基材不會產生熱應力變形。此外，熱風整平對通孔拐角處的覆蓋較差，而化學鍍鎳/金卻很好。
與有機可焊涂層相比較，除了熔焊性能之外，Aurotech 鍍層還具有好的搭接焊、接觸導通和散熱功能。Aurotech 的工藝流程及操作參數(shù)見表1。
表1 Aurotech 之工藝流程及操作參數(shù)
工序號 工序名稱 藥品名稱 配制濃度 PH值 溫度 處理時間
1 酸性清潔劑 CupraprosH2SO4（d=1.84） 100ml/L10ml/L <1 35~40°C 4~6￠
3級逆流水洗 自來水 3~4￠
2 微蝕 Na2S2O8H2SO4（d=1.84） 100g/L20ml/L <1 25~35°C 2~3￠
3級逆流水洗 自來水 3~4￠
3 預浸 H2SO4（d=1.84） 50ml/L <1 22~32°C 3~5￠
活化 Aurotech-activatorH2SO4（d=1.84） 200ml/L50ml/L <1 23~25°C 1~2￠
3級逆流水洗 去離子水 3~4￠
4 化學鍍鎳 Aurotech CNN Mod配制液Aurotech CNN A 補充劑濃NH3水 150ml/L60ml/L15~20ml/L 4.8~5.3 82~90°C 20~30￠
化學鍍鎳 備用槽
3級逆流水洗 去離子水 3~4￠
5 化學浸金 Aurotech SF配制液Aurotech 起始液K[Au（CN）2]（Au68.3%） 238ml/L2ml/L3g/L 4.0~5.0 72~80°C 10~15￠
回收 去離子水 1~2￠
2級逆流水洗 去離子水 2~3￠
熱水洗 去離子水 0.5~1￠
烘干
4 化學鍍鎳/金之工藝控制
4.1 除油槽
一般情況下，印制板化學鍍鎳/金采用酸性除油劑來處理待加工印制板，其作用在于去除銅面之輕度油脂及氧化物，達到銅面清潔及增加潤濕效果的目的。它應當具備不傷阻焊膜、低泡型及易水洗的特性。
4.2 微蝕槽
微蝕的目的，在于清潔銅表面之氧化及前工序遺留殘渣，保持銅面新鮮及增加化學鍍鎳層的密著性。常用的微蝕液為酸性過硫酸鈉溶液，參見表1。
4.3 預浸槽
預浸槽在制程中沒有特別的作用，只是維持活化槽的酸度以及使銅面在新鮮狀態(tài)下（無氧化物），進入活化槽。
4.4 活化槽
活化的作用，是在銅面析出一層鈀，作為化學鍍鎳起始反應之催化晶核。如前所述，其形成過程為Pd與Cu的化學置換反應。
工藝控制需關心的問題有：鈀槽穩(wěn)定性問題、活化槽硝槽處理問題、增加后浸處理問題和活化后水洗問題。
4.5 化學鍍鎳槽
化學鍍鎳是通過在Pd的催化作用下，NaH2PO2水解生成原子態(tài)H，同時H原子在Pd催化條件下，將Ni2+還原為單質Ni而沉積在裸銅面上的過程。
工藝控制需關心的問題有：磷含量問題、溶液PH值控制問題、鎳槽壽命控制問題、溶液活性與穩(wěn)定劑關系問題、溶液負載量（Loading factor）問題、鍍鎳槽的配制問題、程式選擇問題和槽內壁鎳層之去除問題。
4.6 化學浸金槽
1）金槽之Au絡合劑、PH值、SG、溫度、浸漬時間要控制好。
在一般情況下，浸金槽的浸漬時間設定在7~11分鐘，操作溫度控制在80~90℃，可以根據客戶的要求，通過調節(jié)溫度來控制金厚。
2）沉積速率與浸金厚度問題
以勵樂公司“RONMERSE SMT 藥水”為例，其沉積速率一般控制在0.05μm/ 5min，使金層厚度最小為0.03μm，最大為0.12μm，此金層能防止鎳底不被氧化。
3）使用壽命問題
由于化學浸金是一個置換式反應過程，隨著金不斷在鎳底基上沉積，其反應速度逐漸下降，因而需注意浸金液的壽命，對于勵樂公司“RONMERSE SMT 藥水”體系，大約在3MTO，超過它要及時進行更換。
4）金回收處理問題
為了節(jié)省成本，金槽后需加裝回收水洗，同時還能減輕對環(huán)境的污染。
5 化學鍍鎳/金可焊性控制
5.1金層厚度對可焊性和腐蝕的影響
在化學鍍鎳/金上，不管是施行錫膏熔焊或隨后的波峰焊，由于金層很薄，在高溫接觸的一瞬間，金迅速與錫形成“界面合金共化物”（如AuSn、AuSn2 、AuSn 3等）而熔入錫中。故所形成的焊點，實際上是著落在鎳表面上，并形成良好的Ni-Sn合金共化物Ni3Sn4，而表現(xiàn)固著強度。換言之，焊接是發(fā)生在鎳面上，金層只是為了保護鎳面，防止其鈍化（氧化）。因此，若金層太厚，會使進入焊錫的金量增多，一旦超過3%，焊點將變脆性反而降低其粘接強度。
據資料報導，當浸鍍金層厚度達0.1μm時，沒有或很少有選擇性腐蝕；金層厚度達0.2μm時，鎳層發(fā)生腐蝕；當金層厚度超過0.3μm時，鎳層里發(fā)生強烈的不可控制的腐蝕。
5.2鎳層中磷含量的影響
化學鍍鎳層的品質決定于磷含量的大小。磷含量較高時，可焊性好，同時其抗蝕性也好，一般可控制在7~9%。當鎳面鍍金后，因Ni-Au層Au層薄、疏松、孔隙多，在潮濕的空氣中，Ni為負極，Au為正極，由于電子遷移產生化學電池式腐蝕，又稱焦凡尼式腐蝕，造成鎳面氧化生銹。嚴重時，還會在第二次波峰焊之后發(fā)生潛伏在內的黑色鎳銹，導致可焊性劣化與焊點強度不足。原因是Au面上的助焊劑或酸類物質通過孔隙滲入鎳層。如果此時鎳層中磷含量適當（最佳7%），情況會改善。
5.3鎳槽液老化的影響
鎳槽反應副產物磷酸鈉（根）造成槽液“老化”，污染溶液。鎳層中磷含量也隨之升高。老化的槽液中，阻焊膜滲出的有機物量增高，沉積速度減慢，鍍層可焊性變壞。這就需要更換槽液，一般在金屬追加量達4~5MTO時，應更換。
5.4 PH值的影響
過高的PH，使鍍層中磷含量下降，鍍層抗蝕性不良，焊接性變壞。對于安美特公司之Aurotech （酸性）鍍鎳/金體系，一般要求PH不超過5.3，必要時可通過稀硫酸降低PH。
5.5穩(wěn)定劑的影響
穩(wěn)定劑可阻止在阻焊Cu焊墊之間的基材上析出鎳。但必須注意，太多時不但減低鎳的沉積速度，還會危害到鎳面的可焊性。
5.6不適當加工工藝的影響
為了減少Ni/Au所受污染，烘烤型字符印刷應安排在Ni/Au工藝之前。光固型字符油墨不宜稀釋，并且也應安排在Ni/Au工藝之前進行。
做好Ni/Au之后，不宜返工，也不宜進行任何酸洗，因為這些做法都會使鎳層埋伏下氧化的危險，危及可焊性和焊點強度。
5.7兩次焊接的影響
對低檔卡板只做一次焊接，一般不會有問題。但如筆記型電腦的主板、手機或PC等高檔板，一般需兩次焊接。
第一次焊接后，助焊劑殘余會浸蝕鎳層。第二次焊接的高溫會促使氧化甚至變黑，其固有強度變壞，無法通過振動試驗。遇到這種情況，只能從槽液管理上入手進行改進，使鍍鎳層具有更好的抗蝕性能。
6 化學鍍鎳/金與其它表面鎳金工藝
化學鍍鎳/金除了通常所指之化學鍍薄金外，應打金線等需求，又派生出化學厚金工藝；出于耐磨導電等性能要求，也派生出化學鍍鎳金后的電鍍厚金工藝；針對HDI板BGA位拉力要求，也派生出選擇性沉金工藝。
6.1 化學厚金工藝
1） 工藝流程
除油?水洗?微蝕?水洗?預浸?活化?水洗?沉鎳?水洗?化學薄金?回收?水洗 ?化學厚金?回收?水洗?干板
2） 化學厚金之特點
化學厚金是指在還原條件下，金離子被還原為金單質（還原劑同化學鍍薄金），均勻沉積在化學薄金上面，在自催化作用下，達到所需要的厚度。
一般情況下，印制板化學厚金的金厚控制在20μin左右。某些情況下，也有超過30μin金厚的。
3）工藝控制
化學厚金最重要的是成本問題，所以，反應速度的控制尤為重要。絡合劑、還原劑、穩(wěn)定劑以及溫度，是影響反應速度的重要因素。
6.2 沉金金手指電鍍工藝
1）工藝流程
阻焊膜?沉鎳金?干板?包膠紙?電鍍金?去膠紙
其中，電鍍金為如下工藝流程：
酸洗?水洗?刷磨?水洗?活化?水洗?鍍金?回收?水洗?干板
2）沉金金手指電鍍的特點
沉金金手指這種類型的板，在制作過程中，先將整板的露銅部分，包括金手指部分進行化學鍍鎳金。然后，單獨將金手指按客戶要求之厚度進行電鍍金。
這種工藝流程簡單，性能可靠，既能滿足客戶元件粘貼要求，又能滿足插接性能。
3）工藝控制
包藍膠紙時，一定要防止藥水滲漏，避免金藥水污染。此外，電鍍厚金前，一定要將被鍍表面磨刷干凈，否則會引起分層。刷磨時，不可吝嗇沉金層的浪費，刷磨效果越好，電鍍金層的結合力越牢固。
6.3 選擇性沉金工藝
1）工藝流程
阻焊膜?干菲林?曝光?顯影?干板?沉鎳金?褪菲林?干板?有機保焊涂敷
2）選擇性沉金的特點
選擇性沉金既具有元件粘貼平整的特點，又具有良好的裝配焊接性能。同時，針對HDI板BGA位等小型Pad位采用有機保焊涂覆（如Cu106），避免因Pad位太小而造成鎳金拉力不足的缺點。而且，選擇性沉金的成本低于整板沉金，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ墓に嚒?/p>
3）工藝控制
干菲林是專用于沉鎳金的類型，它不但應具有耐高溫藥液能力，且須具備良好的掩孔能力。由于沉鎳金疏孔的局限性，其表面對微蝕藥水非常敏感，極易造成鎳層腐蝕。所以，在有機保焊涂覆制程中，微蝕率應在保證銅面清潔的前提下，控制的越低越好。能夠采用貼紅膠紙的制板，最好能象噴錫板那樣，貼紅膠紙加以保護。
7 化學鍍鎳/金常見問題分析
由于化學鎳/金制程敏感，化學鎳/金板的用途多種多樣，且對表觀要求極嚴，因此化學鍍鎳/金生產中所遇到的問題很多。其中常見的一些問題及解決方法參見下表2。