印制板局部電鍍金懸邊問題的研究

鄭 威 肖德東 紀龍江 谷建伏

（大連崇達電路有限公司，遼寧 大連 116000）

1 遇到的問題

自印制電路板（PCB）誕生以來，PCB產業一直在不斷地迅速發展之中。PCB加工技術在經歷了多年的技術沉淀后，已經非常成熟；但是在PCB實際生產和使用過程中還是會遇到各式各樣的問題，影響PCB的品質和客戶的使用；本文所闡述的就是局部電金板在實際生產過程中遇到的問題，并通過深入的研究確定解決問題的方案，滿足客戶的需求。

在PCB加工流程中，局部電金板、全板電金板因其工藝流程的特殊性：需要用金層做抗蝕刻層，蝕刻過程中的側蝕會造成連接盤（PAD）邊緣銅層相比鎳金層向內凹陷，形成鎳金懸邊（見圖1所示）。銅層越厚側蝕越大則懸邊越大，當懸邊支撐力量不足以抵抗后工序如氧化鋁磨板或其他外力沖擊時極易因懸邊脫落導致短路問題，每年因此類問題造成的廠內報廢和客戶索賠是需解決的問題。防止懸邊斷裂脫落有三個改善方向：減少懸邊寬度；增加或保持懸邊支撐力；減少或避免后工序外力擠壓。本文主要從前兩個方向進行研究。

圖1 連接盤（PAD）邊緣的鎳金懸邊

2 電金懸邊產生機理分析

2.1 電金板懸邊產生工序分析

局部電金板流程如下：開料→鉆孔→沉銅→板電→外層圖形1（只電金PAD露出）→圖形鎳金→局部電金→退膜→外層圖形2（其他位置圖形轉移）→圖形電鍍→SES（蝕刻）→AOI（自動光學檢測）→阻焊后流程。

在整板鍍銅后進行外層圖形制作，只露出電金位，其余位置干膜覆蓋，局部電金完成后，做其他位置的外層圖形后做圖形電鍍、SES，局部電金位依靠金層的抗蝕能力進行蝕刻；蝕刻過程中鎳層下面的銅層因為側蝕會有鎳金懸邊產生。其他部位是正常的圖形電鍍流程，需再經過退錫，退錫液含有硝酸對鎳層有腐蝕，懸邊經過退錫水后懸邊鎳層局部腐蝕再經過阻焊前處理氧化鋁磨板，金層完全塌陷或者折斷造成金絲短路。缺陷問題主要是堿性蝕刻和退錫過程中產生的，其主要表象：懸邊過大后續受外力容易折斷、支撐鎳層被腐蝕造成支撐力不足折斷。

2.2 支撐力不足-鎳層過度腐蝕原理解析

此鎳層腐蝕符合電化學原理中的原電池腐蝕原理，局部電金鍍層中有三種金屬Cu、Ni、Au,退錫液有混合電解質：HNO3、SnNO3、CuNO3、NiNO3；此三種金屬理論上在此電解液中會形成3組原電池（見圖2所示），即Cu、Ni原電池,Ni、Au原電池，Cu、Au原電池，因Cu、Au不直接接觸，且此原電池中Cu作為陽極、Au作為陰極，跟鎳層腐蝕沒有直接關系，所以不做重點解析，以下重點解析Cu、Ni原電池，Ni、Au原電池對鎳層腐蝕的影響。

圖2 鎳層原電池示意圖

2.2.1 Cu-Ni原電池腐蝕原理解析

如圖2（a）中，Cu-Ni原電池中，Ni作為活潑金屬作為原電池的負極，Cu作為相對穩定金屬作為原電池的正極，在混合電解質（HNO3、SnNO3、CuNO3、NiNO3）強酸性溶液中發生析氫腐蝕反應如下：

（-）Ni：Ni－2e-＝Ni2+

（+）Cu：2H+＋2e-＝H2↑

總反應：Ni＋2H+＝Ni2+＋H2↑

Ni層作為負極失去電子被腐蝕成為Ni2+進入退錫液中，退錫液中含有約20～30 g/L護銅劑，當護銅劑濃度過高時，圖1中Cu表面A和Ni表面B大部分都被護銅劑保護起來，只在A和B的交匯處（接觸點）進行大量的電子交換，即原電池腐蝕集中在了C位置處，最終導致C處鎳層被大部分或全部腐蝕掉，鎳金層懸邊失去鎳層的支撐（正常7 μm～10 μm）后工序受外力時發生折斷造成掉懸邊。

2.2.2 Au-Ni原電池腐蝕原理解析

Au-Ni原電池中，因Au比Cu更不活潑，所以Au-Ni原電池的電勢差比Cu-Ni原電池的電勢差更大，電子交換速度更快；Ni作為活潑金屬作為原電池的負極，Au作為穩定金屬作為原電池的正極，在混合電解質（HNO3、SnNO3、CuNO3、NiNO3）強酸性溶液中發生析氫腐蝕反應如下：

（-）Ni：Ni－2e-＝Ni2+

(+)Au：2H+＋2e-=H2↑

總反應：Ni＋2H+＝Ni2+＋H2↑

Au-Ni原電池的反應原理和Cu-Ni原電池的反應原理一樣，在這里不再重復闡述；下面重點闡述不同點；最主要的差異在于初始反應的位置不一樣，如圖1所示，在C處鎳層沒完全腐蝕掉之前，因Au和Ni的接觸點在D處，D處即使發生嚴重的原電池腐蝕時，因D處位于懸邊末端，不起支撐作用，所以對品質沒有影響；只有在C處發生了強烈的原電池反應，鎳層被腐蝕穿漏出金層時，Au-Ni原電池才會在C處發生比Cu-Ni原電池更強的腐蝕反應，會致使Ni腐蝕面積擴大；所以Au-Ni原電池腐蝕在此腐蝕中占次要地位。

2.3 減少懸邊寬度-側蝕大小控制原理

堿性氯化銅溶液蝕刻是PCB加工的典型工藝，各PCB廠經過長時間的實踐，參數比較成熟，原理也清楚。關鍵控制因子：銅含量Cu2+、氯離子含量Cl-、氧氣（空氣）、添加劑含量、pH值、溫度、壓力、速度；

曾有多種文獻對以上關鍵因子對蝕刻速率的影響進行過研究，本文不再做深入分析描述?，F只對影響側蝕的添加劑濃度、蝕刻壓力、抽風量（進氧量相關）、氯離子含量做相關說明。

（1）添加劑濃度：添加劑中含有銅“護岸劑”，顧名思義護岸劑就是在蝕刻過程中可以附著在銅側蝕方向上的物質，可以減緩銅蝕刻的速度，減少側蝕的大小。

（2）蝕刻壓力：噴淋壓力大，蝕刻速率快，相對大的壓力除了會快速蝕刻掉板面上的銅之外，同時過大的壓力也會散射沖擊到銅的側面，造成銅向側面蝕刻過多即側蝕會大；過小的壓力會較大影響蝕刻速率，造成蝕刻不凈。

（3）抽風量（進氧量相關）：氧氣供應有兩種方式，一是通過適量的抽風造成蝕刻槽內環境的輕微負壓，空氣（氧氣）從傳送出入口通過外界大氣壓力進入蝕刻槽；二是在蝕刻集液槽內安裝打氣管，用鼓風機往槽內打氣，增加蝕刻液內的含氧量。未采用槽內打氣的情況下，抽風過小會造成槽內負壓太小沒有足夠的空氣（氧氣）進入蝕刻槽，再生反應不能順利進行，一價銅含量增高，會嚴重影響蝕刻速率，蝕刻速率低，則蝕刻面銅需要更長的時間，相對應的側蝕也會大。

（4）氯離子（Cl-）含量：Cl-的來源主要是NH4Cl，NH4Cl主要參加Cu(NH3)2Cl的再生反應，NH4Cl含量低時，再生反應不能順利進行，一價銅含量增高，會嚴重影響蝕刻速率，同抽風量原理一樣側蝕會變大。

3 實際應用案例分析

3.1 實際生產中遇到的問題

實際生產中遇到的電金懸邊圖見圖3所示。

圖3 電金懸邊過大、脫落圖

3.2 分析過程-蝕刻參數對側蝕/懸邊大小的對比

3.2.1 測試方案

蝕刻參數測試方案見表1所示，做切片確認懸邊狀況。

表1 蝕刻參數影響測試方案

3.2.2 測試結果

（1）蝕刻添加劑濃度對比測試結果。

取局部電金測試板正常生產條件蝕刻，然后貼干膜保護金面退錫，打切片分析。蝕刻添加劑濃度對比測試結果見圖4所示。

圖4 蝕刻添加劑濃度對比測試結果圖

小結：通過實驗測試，蝕刻添加劑濃度對蝕刻懸邊沒有影響，貢獻度為0。

（2）噴淋壓力對懸邊影響測試結果。

調整蝕刻壓力，噴淋壓力對懸邊影響測試結果見圖5所示。

圖5 堿性蝕刻噴淋壓力對懸邊影響測試結果圖

小結：通過以上實驗測試數據，蝕刻壓力越大，除了會快速蝕刻掉板面上的銅之外，也會散射沖擊到銅的側面，造成銅向側面蝕刻過多即側蝕會大，蝕刻懸邊越大，降低蝕刻壓力，可以有效改善蝕刻懸邊，蝕刻壓力對懸邊大小貢獻度15%。過小的壓力會較大影響蝕刻速率，造成蝕刻不凈。

（3）堿性蝕刻抽風（氧氣）對懸邊的影響。

改變堿性蝕刻時抽風風速，對懸邊的影響見圖6所示。

小結：通過以上實驗測試，蝕刻抽風調大，蝕刻局部鍍金板蝕刻懸邊變小，增加抽風量可有效改善蝕刻懸邊，抽風量對蝕刻懸邊大小改善貢獻度40%。抽風量不是越大越好，關鍵控制點是要維持槽中pH值和蝕刻速率的穩定，同時兼顧蝕刻因子，風速以4～6 m/s為宜，pH值控制在8.5～9.0為最佳。

（4）堿性蝕刻液氯離子含量對懸邊的影響。

堿性蝕刻液中不同氯離子含量對懸邊的影響見圖6所示。

圖6 抽風量對懸邊的影響測試結果圖

小結：蝕刻氯離子濃度越低，局部厚金懸邊越??；但氯離子濃度越低，則會影響蝕刻速率，適當降低氯離子含量，可以改善蝕刻懸邊，氯離子含量（185±5）g/L為宜（各家藥水特性不一樣可能會有偏差）。蝕刻藥水中氯離子過高對懸邊減小貢獻度11%。

圖7 氯離子含量對懸邊的影響測試結果圖

蝕刻參數對電金板懸邊大小的影響從大到小排列為：蝕刻抽風量40%＞蝕刻壓力15%＞氯離子含量11%＞添加劑含量0

3.3 分析過程-退錫添加劑（護銅劑）含量對懸邊支撐力的影響

3.3.1 測試方案

退錫因素測試方案見表2所示，做切片確認退錫水咬鎳深度。

表2 退錫因素對懸邊支撐力的影響測試方案表

3.3.2 測試結果

（1）蝕刻后貼干膜再退錫測試。

取局部電金板正常生產條件蝕刻局部電金板（其他位置形成圖形時需要鍍錫做抗蝕層），然后貼干膜保護金面退錫，切片分析。銅和鎳接口位置鎳層有咬蝕5 μm～6 μm，此現象不合格，見圖8（a）所示，方法無效。蝕刻后貼干膜蓋住局部厚金位置，并不能有效防護退錫過程中退錫液對鎳層的咬蝕。

（2）退錫水中護銅劑含量對比測試結果。

取局部電金測試板在本公司按照正常生產條件蝕刻退錫，進行切片分析測試結果銅和鎳結合位置鎳被全部咬斷，只剩下0.7 μm的金連接，此現象會造成鎳層支撐力不足，后工序稍受外力就會折斷，不合格。退錫液護銅劑濃度降低20%后過退錫，打切片分析測試結果銅和鎳接口位置良好，懸空的鎳層基本沒有咬蝕現象，此現象合格，見圖8（b）所示。通過以上測試，現用的退錫液中護銅劑濃度偏高，加劇了對局部鎳層的咬蝕，降低退錫液護銅劑含量，可以有效改善退錫過程對鎳層的咬蝕，退錫藥水護銅劑含量是關鍵因子。

圖8 蝕刻后再退錫

3.3.3 解決方案與原理分析

（1）解決方案是在退錫水中減少護銅劑的使用量（約減少20%用量，因各家配方不同，具體減少比例根據退錫液蝕銅量和原電池腐蝕量綜合平衡確定）；

（2）原理是當退錫水中護銅劑濃度過高時，護銅劑把銅層和鎳層覆蓋得比較完全，只是在銅和鎳的交接處因電子交換速度快不能覆蓋，導致所有的Cu-Ni原電池效應全部集中在交接處，形成了“點蝕”。護銅劑減少后，覆蓋在鎳層表面的護銅劑分子中間出現縫隙，護銅劑縫隙中裸露的鎳表面面積變大，Cu-Ni原電池中鎳腐蝕不會集中在銅和鎳的交接處，而是相對平均地分配到裸露出整個鎳表面上；整個鎳表面原電池腐蝕的負極面積增大，則交接處腐蝕也減小了；原來鎳層被腐蝕掉5 μm～6 μm，改善后變成0.5 μm～0.6 μm，這樣鎳層對電金懸邊的支撐作用還保留90%，可以抵抗住后工序外力作用。

（3）以上實際案例的結果符合上面條的Cu-Ni原電池原理解析，既解決了實際問題，又做到了理論與實際相結合。

3.4 其他解決方案

上面是對于局部電金板減小懸邊和防止懸邊脫落的電化學解決方案，但是對于不允許電金懸邊存在的客戶需用先單面蝕刻、再去電鍍鎳金的流程去生產，這樣可以把線路側面徹底用鎳金層包裹起來，徹底消除懸邊，如圖9所示。

圖9 懸空與包覆的不同狀態

優化后流程：開料→鉆孔→沉銅→板電→外層圖形1→負片蝕刻→外層圖形2→圖形鎳金→局部電金→退膜→外層圖形3→負片蝕刻→AOI

但是此流程有三個局限性：（1）必須局部電金盤上有PTH（金屬化孔）導通孔，才能利用另一面銅皮給電金PAD導電；（2）多做一遍外層圖形流程，成本會高；（3）單面蝕刻完再做電金PAD的外層圖形時因圖形的高度差會有干膜貼不實滲鍍的風險，特別是不適合銅厚大于40 μm以上的板。

3.5 改善效果

綜合運用以上兩項技術方案，對于局部電金PAD上有導通孔且基銅小于等于18 μm的板采用第二種方案可以消除懸邊；對于基銅大于18 μm的局部電金板，通過蝕刻、退錫段的藥水及參數控制，可以最大限度地減小懸邊和防止懸邊折斷脫落，改善效果非常明顯。

4 總結

通過控制蝕刻參數可以最大限度地減少懸邊的大小，通過控制退錫水中護銅劑的含量可以最大限度避免點狀原電池反應的發生。在Ni-Cu交界處發生嚴重的原電池腐蝕是造成懸邊斷裂脫落的主要原因，在強酸性退錫液中，原電池腐蝕是不可避免的；而造成原電池腐蝕加劇或集中的主要原因是退錫液中的護銅劑濃度過高引起的，適當降低護銅劑的濃度會有效降低原電池腐蝕，避免鎳金懸邊斷裂。退錫液中護銅劑是不穩定的有機物，它的分解速度跟速度高低有著直接的關系；同一濃度在溫度比較高的夏天可能是合適的，因為溫度高會分解一些；但是在溫度比較低的冬天可能未必會合適，具體含量需根據工廠所在的地理位置及冬夏季溫度自行實驗調節。