于金偉

（濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

基于穩(wěn)健設(shè)計的ENEPIG印制板化學(xué)鍍鈀工藝研究

于金偉

（濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

從化學(xué)鍍鈀反應(yīng)機理入手，分析了影響化學(xué)鍍鈀質(zhì)量的工藝參數(shù)，并運用DOE(試驗設(shè)計)中的健壯設(shè)計實驗方法，對這些參數(shù)進行了優(yōu)化，獲得了新型ENEPIG(化學(xué)鍍鎳、鈀與浸金)印制電路板生產(chǎn)中化學(xué)鍍鈀的最優(yōu)化工藝參數(shù)：氯化鈀質(zhì)量濃度2.2 g/L，次磷酸鈉質(zhì)量濃度13.2 g/L，氨水體積分?jǐn)?shù)165 mL/L，溫度55 °C，pH 9.6，氯化銨質(zhì)量濃度33 g/L。驗證試驗表明，應(yīng)用優(yōu)化后的化學(xué)鍍鈀工藝時，鈀的沉積速率均值從原來的0.64 mg/(cm2·min)提升到4.83 mg/(cm2·min)，分散度也有明顯改善。經(jīng)過大樣本量驗證，試驗具有良好的重復(fù)性和再現(xiàn)性。

印制電路板；化學(xué)鍍鈀；優(yōu)化；健壯設(shè)計；沉積速率

Author’s address:Weifang University, Weifang 261061, China

在MEMS(微機電系統(tǒng))封裝領(lǐng)域，印制電路板的應(yīng)用占了很大的比重，而其最大的隱患——“黑墊”問題困擾了業(yè)界很長時間。為徹底解決該問題，人們開發(fā)了新型的ENEPIG(化學(xué)鍍鎳、鈀與浸金)印制電路板，這種基板表面保護工藝最突出的改善是在化學(xué)鍍Ni層和浸Au層之間加入了化學(xué)鍍Pd層，它在化學(xué)鍍Au過程中阻擋了鍍鎳層與浸金溶液的接觸，避免了浸金制程對鎳層的氧化，從而解決了困擾業(yè)界多年的“黑墊”問題。對ENEPIG印制電路板表面保護這一新工藝來說，化學(xué)鍍 Pd是最關(guān)鍵的工藝[1-3]，其工藝參數(shù)的選擇會對這一新型基板的質(zhì)量和生產(chǎn)效率產(chǎn)生顯著影響。而影響ENEPIG印制電路板化學(xué)鍍Pd的因素較多，各因素相互之間又有影響。為統(tǒng)籌實驗分析，降低實驗成本，本文運用DOE(試驗設(shè)計)的穩(wěn)健設(shè)計實驗方法對這些參數(shù)進行優(yōu)化。

1 影響印制電路板化學(xué)鍍Pd的因素

1. 1 PdCl2濃度的影響

鍍液中隨著PdCl2濃度的增加，氧化-還原電位提高，化學(xué)反應(yīng)速率加快，沉積速率增加。但是，要提高PdCl2的濃度必須相應(yīng)提高次磷酸鈉的濃度，即PdCl2濃度的增加受制于次磷酸鈉的濃度。

1. 2 NaH2PO2·H2O濃度的影響

鍍液中隨著 NaH2PO2·H2O濃度的增加，次磷酸的氧化電位提高，NaH2PO2·H2O的還原能力增強，表現(xiàn)出沉積速率增加。但是，當(dāng)NaH2PO2·H2O濃度大于無活化表面引發(fā)臨界值時，鍍液會因氧化還原反應(yīng)而分解，所以NaH2PO2·H2O的濃度要適當(dāng)。

1. 3 NH3·H2O濃度的影響

使用氨水可防止產(chǎn)生 Pd(OH)2沉淀，而且通過控制沉積速率，使鍍層外觀得到改善。因為配合物生成氫氧化物的自由能高，所以[Pd(NH3)3]2+比Pd2+產(chǎn)生Pd(OH)2的傾向要小得多。另外，使用氨水可較快地增加鈀的沉積速率，并延緩鍍液pH的下降。

1. 4 NH4Cl濃度的影響

NH4Cl是作為緩沖劑來使用的，它能減慢鍍液pH的降低，使鍍液較為穩(wěn)定。

1. 5 pH的影響

如果鍍液的pH下降，那么氫離子濃度會增加，導(dǎo)致氧化還原電位降低，還原力減弱。因此還原劑的還原能力會隨著鍍液pH的變化而改變。

1. 6 鍍液溫度的影響

提高鍍液溫度可以提高離子的活性和擴散速率，從而提高氧化還原電位，使沉積速率增加。但是過高的溫度會加速鍍液的揮發(fā)，導(dǎo)致鍍液各種溶質(zhì)濃度的變化，造成鍍液成分不穩(wěn)定，同時伴有大量的氣體生成，影響顆粒的沉積，所以鍍液溫度要適當(dāng)。

2 化學(xué)鍍鈀工藝參數(shù)的優(yōu)化

穩(wěn)健設(shè)計是關(guān)于實際工程問題的一種很有價值的統(tǒng)計方法。它是通過對可控因素水平組合的選擇來減少系統(tǒng)對噪聲變化的敏感性，以此來降低系統(tǒng)性能的波動。

產(chǎn)品性能指標(biāo)除了受可控因子的影響外，還受到噪聲因子的影響。常規(guī)正交試驗設(shè)計對誤差的分析比較籠統(tǒng)，全都歸為隨機誤差或試驗誤差。對于生產(chǎn)過程中的某些要素，由于在常規(guī)正交試驗設(shè)計過程中沒有設(shè)置的改變，但在實際工作中，任何參數(shù)的控制都不可能完全準(zhǔn)確，這就造成了誤差。在穩(wěn)健設(shè)計中，通過分析可控因子與噪聲因子間的交互作用，從而用改變可控因子水平組合的辦法來減小響應(yīng)變量的變差。因為可控因子通常易于改變，所以穩(wěn)健設(shè)計比直接減小噪聲變差更經(jīng)濟、更方便。其建模的方法是對每個控制水平的組合用噪聲重復(fù)試驗的樣本均值y作為位置的度量，用樣本方差s2的對數(shù)lns2或樣本方差本身作為散度的度量。對這兩種度量，分別找出對它們有顯著影響的因子[4]。

2. 1 確定試驗?zāi)康暮椭笜?biāo)

(1) 試驗?zāi)康模簝?yōu)化化學(xué)鍍Pd工藝，改善過程工藝參數(shù)，力求鈀的沉積速率越大越好。

(2) 試驗指標(biāo)：鈀的沉積速率v ＞0.7 mg/(cm2·min)為合格。v為望大特性，即沉積速率越大越好。

2. 2 確定影響因子并制定因子水平表

影響化學(xué)鍍Pd的主要工藝參數(shù)為PdCl2含量、NaH2PO2·H2O含量、NH3·H2O含量、NH4Cl含量、鍍液溫度及pH，對于誤差因子，除pH選定±2%的誤差外，其余各因子選定±10%。這樣每個因子選取3個水平制定因子水平表，見表1。各因子的1水平組合為現(xiàn)有鍍鈀槽液工藝參數(shù)，其具體數(shù)值為：PdCl2質(zhì)量濃度(A0)2.0 g/L、NaH2PO2·H2O質(zhì)量濃度(B0)12 g/L、NH3·H2O體積分?jǐn)?shù)(C0)150 mL/L、NH4Cl質(zhì)量濃度(D0)30 g/L、鍍液溫度(E0)50 °C，pH(F0) 9.8。根據(jù)表1，則各因子參數(shù)水平如表2所示。

表1 穩(wěn)健設(shè)計因子水平Table 1 Factors and levels of robust design

表2 各因子工藝參數(shù)Table 2 Values of various factors at different levels

2. 3 試驗方案的設(shè)計

在穩(wěn)健設(shè)計時，很少使用全因子試驗，多數(shù)采用部分試驗，而且不考慮其交互作用，以便可以在較少次數(shù)的試驗中考察較多的因子。這是非常經(jīng)濟和有效的。根據(jù)以上因子水平表選取L27(36)正交表，將上述因子排列在正交表的第1、2、3、4、5、6列。打開MINITAB軟件設(shè)計出試驗方案，選擇菜單“統(tǒng)計”/“DOE”/“田口”/“創(chuàng)建田口設(shè)計”，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，即可輸出設(shè)計表，見表3。

表3 穩(wěn)健試驗設(shè)計方案Table 3 Experimental scheme based on robust design

2. 4 鈀的沉積速率試驗結(jié)果

將試驗用印制電路板用電子天平稱重，精確至0.001 mg，計算鍍層平均厚度δ，換算出鈀的沉積速率v，如式(1)所示：

式中，m0、m分別為施鍍前、后PCB的質(zhì)量，A為PCB的鍍覆面積。

對表3中的每個試驗方案均用10 pnl(pnl為panel的縮寫)印制電路板進行化學(xué)鍍Pd試驗，測試結(jié)果取平均值，鈀的沉積速率測量結(jié)果如表4所示。

表4 鈀的沉積速率測量結(jié)果Table 4 Measurement results of palladium deposition rate

2. 5 S/N比的計算

鈀的沉積速率為望大特性，其計算公式是：

同理可得S/N2，S/N3，…，S/N27的值，見表4。

2. 6 對測得的沉積速率數(shù)據(jù)進行分析

使用MINITAB軟件，選擇菜單“統(tǒng)計”/“DOE”/“田口”/“分析田口設(shè)計”，將測得的10列結(jié)果都放入“響應(yīng)數(shù)據(jù)位于”內(nèi)，分析結(jié)果見表5及表6。

表5 各因素水平的信噪比均值(望大)Table 5 Average signal-to-noise ratio of different factors at different levels (larger the better)

從表 5信噪比可知，每個因子各水平的信噪比平均值和信噪比極差，極差越大，表明此因子效應(yīng)越顯著。從極差的大小排序可以看出，各因子對信噪比的影響程度以重要度從大到小依次排列為：因子 A(PdCl2質(zhì)量濃度)、因子C(NH3·H2O體積分?jǐn)?shù))、因子E(溫度)、因子B(NaH2PO2·H2O質(zhì)量濃度)、因子F(pH)、因子D(NH4Cl質(zhì)量濃度)，NH4Cl質(zhì)量濃度的影響最小，或者幾乎沒有影響。

從表 6速率均值可以看到，每個因子的各水平均值的平均值及其極差。從極差的大小排序中，可以看出各因子對均值的影響程度，以重要度從大到小依次排列為因子 A(PdCl2質(zhì)量濃度)、因子 E(溫度)、因子B(NaH2PO2·H2O質(zhì)量濃度)、因子C(NH3·H2O體積分?jǐn)?shù))、因子F(pH)、因子D(NH4Cl質(zhì)量濃度)。其中，因子D最小，幾乎沒有影響。

表6 各因素水平沉積速率的均值Table 6 Average deposition rate of various factors at different levels

對上述試驗結(jié)果進行分析，能夠看出各因子對位置及散度的影響：因子A、C、E對望大特性信噪比影響最大，因而為散度因子；因子A、E、B對均值影響最大，因而是位置因子。因為B是位置因子，而不是散度因子，所以認(rèn)定因子B為調(diào)節(jié)因子。A、E既是散度因子，又是位置因子。

對于望大特性響應(yīng)變量優(yōu)化的步驟分為 2步：首先，選擇位置因子的水平使位置達到最大；其次，選擇非位置因子的散度因子的水平，使散度最小化[5]。

通過MINITAB軟件輸出穩(wěn)健設(shè)計S/N主效應(yīng)分析圖如圖1所示，均值主效應(yīng)分析圖見圖2。

根據(jù)望大特性響應(yīng)變量優(yōu)化的步驟，首先選擇位置因子(A、E、B)的水平使位置達到最大。即因子 A(PdCl2質(zhì)量濃度)取3水平(2.2 g/L)，因子E(溫度)取3水平(55 °C)，因子B(NaH2PO2·H2O質(zhì)量濃度)取3水平(13.2 g/L)。在這些因子安排確定的情況下，用非位置因子的散度因子C(NH3·H2O體積分?jǐn)?shù))的水平進行調(diào)試，以使散度最小化。由于3個位置因子與散度因子C三水平的這種最佳搭配在試驗中未出現(xiàn)過，需要通過預(yù)測進行選擇。

使用 MINITAB軟件，選擇菜單“統(tǒng)計”/“DOE”/“田口”/“預(yù)測田口結(jié)果”進行相關(guān)設(shè)置，得到預(yù)測結(jié)果如表7所示。

圖1 穩(wěn)健設(shè)計信噪比主效應(yīng)分析圖Figure 1 Main effect analysis of signal-to-noise by robust design

圖2 穩(wěn)健設(shè)計均值主效應(yīng)分析圖Figure 2 Main effect analysis of average values by robust design

表7 穩(wěn)健設(shè)計預(yù)測結(jié)果Table 7 Prediction results by robust design

從表7可知，在因子C(NH3·H2O體積分?jǐn)?shù))取不同值時，信噪比都保持較好結(jié)果，當(dāng)NH3·H2O濃度取165 mL/L(即3水平)時，鈀的沉積速率信噪比和平均值達到最大值。

依據(jù)上述研究結(jié)果，最優(yōu)工藝參數(shù)選擇A3B3C3E3F3，因子D影響很小，可以依據(jù)鍍鈀工藝的要求，取任意水平均可。

3 驗證試驗

依據(jù)以上優(yōu)化工藝結(jié)果，重新設(shè)定化學(xué)鍍Pd工藝參數(shù)為：PdCl2質(zhì)量濃度2.2 g/L，NaH2PO2·H2O質(zhì)量濃度13.2 g/L，NH3·H2O體積分?jǐn)?shù)165 mL/L，鍍液溫度55 °C，pH 9.6，NH4Cl質(zhì)量濃度33 g/L，進行100 pnl化學(xué)鍍Pd試驗。圖3a、3b是化學(xué)鍍Pd參數(shù)優(yōu)化前、后鈀的沉積狀況(圖中LSL指規(guī)格下限，PPM即百萬分之一，指低于規(guī)格下限的概率)。可以看出，應(yīng)用優(yōu)化后的工藝參數(shù)，鈀的沉積速率均值從 0.64 mg/(cm2·min)提升到4.83 mg/(cm2·min)，有顯著提高，分散度也有明顯改善，而且經(jīng)過100 pnl的大樣本量驗證，試驗具有良好的重復(fù)性及再現(xiàn)性。

圖3 鍍鈀參數(shù)優(yōu)化前、后鈀的沉積狀況Figure 3 Deposition states of palladium before and after optimization of the parameters of electroless palladium plating

4 結(jié)論

本文使用穩(wěn)健設(shè)計方法，研究了ENEPIG印制電路板中化學(xué)鍍Pd的最優(yōu)化工藝參數(shù)，用較少次數(shù)的試驗考察了較多的因子，取得了非常經(jīng)濟和有效的結(jié)果。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，改進了化學(xué)鍍Pd這一關(guān)鍵工藝的參數(shù)設(shè)置：氯化鈀質(zhì)量濃度2.2 g/L，次磷酸鈉質(zhì)量濃度13.2 g/L，NH3·H2O體積分?jǐn)?shù)165 mL/L，鍍液溫度55 °C，pH 9.6，氯化銨質(zhì)量濃度33 g/L。驗證試驗表明，應(yīng)用優(yōu)化后的鍍鈀工藝參數(shù)，鈀的沉積速率均值從0.64 mg/(cm2·min)提升到4.83 mg/(cm2·min)，沉積速率有顯著的提高，分散度也有明顯的改善。經(jīng)過100 PNL的大樣本量驗證，試驗具有良好的重復(fù)性及再現(xiàn)性。

[1]章建飛, 張庶, 向勇, 等. 表面處理工藝的新發(fā)展[J]. 印制電路信息, 2014 (1): 18-22.

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[5]馬林, 何楨. 六西格瑪管理[M]. 2版. 北京: 中國人民大學(xué)出版社, 2007: 195-197.

[ 編輯：韋鳳仙 ]

Study on electroless palladium plating for ENEPIG printed circuit board based on robust design

YU Jin-wei

The process parameters affecting the quality of electroless palladium plating were analyzed based on the reaction mechanism of electroless palladium deposition and optimized by robust design, an approach of DOE (design of experiments), for the production of novel ENEPIG (electroless nickel/electroless palladium/immersion gold) printed circuit boards as follows: PdCl22.2 g/L, NaH2PO2·H2O 13.2 g/L, NH3·H2O 165 mL/L, NH4Cl 33 g/L, temperature 55 °C, and pH 9.6. The result of verification test showed that the average deposition rate of palladium is raised from 0.64 mg/(cm2·min) to 4.83 mg/(cm2·min) after the optimization of electroless palladium plating process and the dispersion is significantly improved. The test has good repeatability and reproducibility during large sample size verification.

printed circuit board; electroless palladium plating; optimization; robust design; deposition rate

TG178; TQ153.19

A

1004 -227X (2015) 19 - 1105 - 07

2015-05-07

2015-07-03

國家星火計劃項目（2011GA740047）；山東省自然科學(xué)基金項目（ZR2012EML03）；山東省國際科技合作計劃項目（201013）；山東省高等學(xué)?？萍加媱濏椖浚↗12LA57）；山東省星火計劃項目（2011XH06025）。

于金偉（1967-），女，山東濰坊人，碩士，教授，主要從事微機電系統(tǒng)研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) wfxyyjw@163.com。