談電鍍光亮金板金面變色的控制

梅紹裕 楊建勇 杜 軍

( 廣東東莞康源電子有限公司，廣東 東莞 52300 )

0 前言

電鍍銅鎳閃金已經(jīng)是PCB制程中較為成熟的一種工藝，這種表面處理的產(chǎn)品在裝配時(shí)，有時(shí)會(huì)使用鋁線綁定，部分客戶在綁定時(shí)會(huì)要求金面鏡面光亮。但這種光亮的金面會(huì)存在較多外觀的問題，金面變色即為其中一種。電鍍閃金的產(chǎn)品，經(jīng)過一段時(shí)間的儲(chǔ)存后，會(huì)出現(xiàn)金面變色、發(fā)紅，在放大鏡下觀察，好像金面有的細(xì)小凹坑（如圖1、圖2）。

金是惰性金屬，正常情況下不會(huì)被腐蝕。金面變色的PAD（連接盤），使用剝金液退掉金層后，SEM觀察鎳面，可以發(fā)現(xiàn)鎳層有較多的孔洞。因此，金面變色實(shí)際上是鎳層被腐蝕后，形成了較多的孔洞，閃金層（厚約0.03 μm）在孔洞處塌陷，在外觀上反應(yīng)出來的密集金面點(diǎn)狀腐蝕凹坑。2016年我公司因金面變色導(dǎo)致的報(bào)廢，占此類產(chǎn)品總報(bào)廢的40%以上，針對此問題，我們初步探究了影響的因子，組織專項(xiàng)改善，制定了相應(yīng)的管控措施。

圖1 金面變色外觀

圖2 剝金后鎳面SEM圖像（3000X）

1 金面變色原理分析

金面變色實(shí)際上是一種電化學(xué)腐蝕，即賈凡尼效應(yīng)[1]（Galvanic Erosion），也叫作原電池反應(yīng)[2]。與典型的銅鋅原電池對比，其產(chǎn)生機(jī)理（如圖3）。

（A）電鍍銅鎳金鍍層中存在間隙，電解液可滲透于其中

（B）當(dāng)不同活性的金屬，與電解液相接處時(shí)，比較活潑的金屬會(huì)失去電子被氧化。

銅鎳的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢如下：

金為惰性金屬，鎳的標(biāo)準(zhǔn)電極電位較負(fù)，較為活潑，在原電池反應(yīng)中，作為負(fù)極優(yōu)先被腐蝕掉。在腐蝕過程中，電解質(zhì)溶液穿透金層（0.03 μm厚）及鎳層的間隙（2.5～15 μm厚），銅鎳金層形成原電池，隨著時(shí)間的推移，發(fā)生緩慢的原電池反應(yīng)，Ni失去電子，進(jìn)入溶液，金表面發(fā)生析氫（酸性電解液）或析氧（堿性電解液）。隨著鎳的逐漸溶解，鎳層出現(xiàn)凹陷或空洞，薄薄的金層缺少支撐，出現(xiàn)塌陷，外觀上可以看出金面出現(xiàn)許多細(xì)小凹坑。金面變色的實(shí)質(zhì)是金層下的鎳層的腐蝕。從上可看出產(chǎn)生原電池腐蝕的必要條件是：不同活性的金屬與電解質(zhì)溶液接觸。因此，對金面變色的控制，可從以下兩方面著手：

（1）鍍層質(zhì)量方面：提高金面的致密性;

（2）存儲(chǔ)/停頓環(huán)境方面：減少板子與電解質(zhì)溶液的接觸。

2 金面變色影響因子分析

鍍金層致密性：電鍍過程中不可避免的有副反應(yīng)的發(fā)生（電鍍效率的降低），如電解水，在陰極析氫，造成鍍層存在微小的縫隙；抑或是雜質(zhì)金屬的析出，造成金層結(jié)晶缺陷。因此電鍍電流密度過大、金鍍液雜質(zhì)濃度過高、金鍍液比重過低、鍍液金濃度過低都會(huì)導(dǎo)致金鍍層致密性降低。因成本控制問題，鍍金槽的濃度一般管控較低，濃度范圍實(shí)際也不會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)或調(diào)整，因此，此處先不討論金濃度的影響。

在PCB制造過程中，受生產(chǎn)節(jié)奏的影響，產(chǎn)品在電鍍金后，到包裝之前，會(huì)在各制程停頓不同的時(shí)間。PCB制造過程，不可避免的會(huì)使用到較多的化學(xué)藥水，這些藥水的揮發(fā)或者隨水蒸發(fā)，會(huì)使車間空氣質(zhì)量變差。當(dāng)板子本身處在潮濕的環(huán)境（如制程加工后未烘干、空氣濕度較高等），空氣中又存在酸/堿性物質(zhì)，板子在長期與這些電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，就會(huì)發(fā)生賈凡尼腐蝕。

因此，本文主要探究以上兩個(gè)方面的影響。相關(guān)影響因子如下：

停頓環(huán)境的影響因子：金板未烘干（板面有水）、板子停頓環(huán)境的空氣質(zhì)量差、板子停頓時(shí)間過長

鍍層質(zhì)量的影響因子：電流密度過大、金缸雜質(zhì)金屬離子濃度過高、鍍液相對密度過低

針對以上兩組因子，進(jìn)行DOE驗(yàn)證，確認(rèn)各因子的影響程度。

2.1 存儲(chǔ)/停頓環(huán)境對金面變色的影響驗(yàn)證

圖3 金面變色產(chǎn)生機(jī)理

針對影響金板存儲(chǔ)/停頓環(huán)境的三個(gè)因子，設(shè)計(jì)三因子兩水平的全因子試驗(yàn)。試驗(yàn)方案見表1。

實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)結(jié)果為超過接受標(biāo)準(zhǔn)的金面變色的比例，結(jié)果（見表2）。

實(shí)驗(yàn)響應(yīng)的主效應(yīng)圖結(jié)果（如圖4）。

從DOE主效應(yīng)圖結(jié)果看，板子的干燥、空氣質(zhì)量、板子停頓時(shí)間均會(huì)對金面變色有明顯的影響。其中板子所處的環(huán)境（空氣質(zhì)量）影響最大，其次為板子停頓時(shí)間以及板子烘干與否的影響。

2.2 鍍層致密性的影響因子驗(yàn)證

針對影響金鍍層致密性的三個(gè)因子，設(shè)計(jì)兩水平正交試驗(yàn)，確認(rèn)主要影響因素。因子水平和試驗(yàn)方案（見表3）。

為加強(qiáng)組間結(jié)果的差異，將實(shí)驗(yàn)板停放在電鍍車間24 h，然后統(tǒng)計(jì)超過接受標(biāo)準(zhǔn)的變色板的比例。結(jié)果（見表4）。

鍍層質(zhì)量影響因子的主效應(yīng)（如圖5）。

從試驗(yàn)結(jié)果看，金缸電流密度大小是顯著影響因素，其次為雜質(zhì)濃度。密度值在工藝要求范圍內(nèi)，影響較小。金缸因成本較高，鍍液雜質(zhì)做樹脂吸附，功效不大。實(shí)際生產(chǎn)中只能靠帶出和加強(qiáng)清洗減少雜質(zhì)帶入。經(jīng)兩組實(shí)驗(yàn)對比結(jié)論如下：

表1 停頓環(huán)境的DOE試驗(yàn)因子-水平表

表2 停頓環(huán)境的DOE方案與結(jié)果

圖4 停頓環(huán)境的主效應(yīng)圖

表3 度層致密性的DOE試驗(yàn)因子-水平表

表4 鍍層質(zhì)量影響因子的試驗(yàn)方案與結(jié)果

圖5 鍍層質(zhì)量影響因子的主效應(yīng)圖

（1）金面的干燥狀況、停放環(huán)境空氣質(zhì)量、停放時(shí)間均對金面變色有較大影響。保持金面干燥、避免將金板長時(shí)間停放在有酸堿性氣體或蒸汽的環(huán)境中，有助于減少減金面變色。

（2）鍍金電流大小和金缸雜質(zhì)金屬離子濃度對金面變色有較大影響，比密度重對金面變色影響較小。降低電流、控制雜質(zhì)濃度在較低水平，有助于提高金面致密性。

3 改善措施及改善效果驗(yàn)證

經(jīng)過以上DOE試驗(yàn)驗(yàn)證，對金面電鍍后的干燥、停放環(huán)境、停頓時(shí)間，金缸的電流密度、鎳離子濃度均需做重點(diǎn)管控。相關(guān)措施（見表5）。

經(jīng)過3個(gè)月的改善后，金面變色的報(bào)廢率改善效果（如圖6）。

表5 金面變色改善措施

圖6 金面變色改善情況

從改善報(bào)廢率變化上看，從三月份陸續(xù)采取措施后，開始報(bào)廢率逐步下降，在6月份達(dá)到公司年初制定指標(biāo)，并穩(wěn)定在較低水平。金面變色報(bào)廢占總報(bào)廢的比例從40%下降至5%左右，取得良好的改善效果。

4 結(jié)論

綜合整個(gè)過程的驗(yàn)證結(jié)果來看，對各因子的影響總結(jié)如下：

（1）金面變色是產(chǎn)品表面處理結(jié)構(gòu)、鍍層致密性、停放環(huán)境、停放時(shí)間等各因素綜合影響的結(jié)果；

（2）提高鍍層的致密性、保持板子表面干燥、保持板子停放在良好的環(huán)境中，這三點(diǎn)是防止金面變色的關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品在不同制程的實(shí)際情況，分別做重點(diǎn)的管控。