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金手指与化学镍金复合表面处理加工工艺研究

分类:
技术交流
作者:
金百泽
2017/06/02 15:44

1  前言

金手指加化学镍金复合表面处理PCB,既具有电镀厚金工艺的局部强耐磨性、抗氧化性、导电性能好的优点,同时又结合了化学镍金工艺具有的突出的可焊性好和平整度好的优点,可以满足细密间距的同时在无铅工艺条件下经过2-3次的焊接后,未焊接的焊盘仍可以保持良好的可焊性此类复合表面处理常用于硬盘、内存、各类板卡的制作,应用领域广泛,需求量大,图1是复合表面处理在内存上的应用。本文针对行业内比较常用的金手指电镀厚金化学镍金复合表面处理加工方法进行研究,找出高效率、低成本、高品质的加工方法

 

                           

                                 

                                   图金手指电镀厚金+化学镍金复合表面处理应用于内存的PCB

 

传统加工说明

电镀镍金又称为闪金,意思就是快速镀金,在铜面上镀镍后,再在镍层表面电镀一层致密较薄的镀金层,电镀上的金层为纯金,质地较软,被称为软金,可应用于直接焊接与打线,也多用于电镀硬金的预镀金程序,一般控制1-3u”

电镀硬金是金钴合金,硬度比较硬,厚度控制在10-30u”的水平,适合用在受力摩擦的地方,如板与卡槽接触的接触点,俗称“金手指”。

化学镍金:利用还原与置换反应的化学镀的方式,在铜面上生成平整的镍层与金层,厚度与电镀镍金接近,由于化镍金置换出来的金为纯金,其同闪金一样,也经常被称为软金,可应用于直接焊接与打线,能够满足良好的焊接性能

在不考虑水洗的情况下,不同表面处理的主要流程如下:

电镀镍金(闪金):除油→微蚀→酸洗→电镀镍→电镀金(纯金)

电镀硬金:除油→酸洗→电镀金钴合金

化学镍金:除油→微蚀→酸洗→活化→酸洗→化学沉镍→化学沉金(纯金)

 

2是一款采用了复合表面处理的PCB各区域所使用的表面处理说明。

             

 

 

目前,行业内传统的加工工艺为阻焊后采用干膜保护非金手指区域(图3)→金手指位置电镀镍金(闪金)→金手指电镀厚金→退膜→印兰胶保护金手指区域(图4)→化学镍金→撕兰胶                              

                          

                             图3 干膜保护图形                        4 镀金手指后印兰胶保护

 

工艺优化与可靠性评估

3.1 工艺的优化评估

因为化学镍金与电镀镍金所得到的焊接表面均为纯金且厚度相当,是否可以用化学镍金代替电镀镍金工艺用于电镀硬金的预镀金程序呢?以下为假设结果成立的情况下进行的工艺优化:

阻焊后直接进行化学镍金(图5)→贴干膜(保护非金手指区域)→金手指电镀厚金(图6)→退膜;此工艺流程将金手指位置电镀镍金(镀镍与闪金)与化学镍金工艺合并、重排工艺流程,共节省三道工艺:金手指电镍金、丝印兰胶、撕兰胶

     
        5 整板化镍金                      6 干膜保护图形(露出金手指)

 

优化前后的流程设计如7所示。

 

7 金手指厚金+化学镍金复合表面处理产品工艺优化前后对比

 

3.2  SEM分析对比镍金镀层的结构

采用两种工艺各制作一款产品,使用扫描电镜SEM观察两种工艺所生产的镍金镀层的微观结构;用电镜在不同倍率下分别观察金手指位置采用化学镍金+电镀厚金与电镀镍金+电镀厚金工艺的表面结构差异,再用电镜观察并比较两种工艺条件所获得的镍镀层的微观状况,图8是不同放大倍数下金镀层表面的电镜照片,可简单描述试验如表1

                                                       表1分析项目表

 

           

化学镍金+电镀厚金  X1000  金镀层结构      电镀镍金+电镀厚金  X1000  金镀层结构

                

化学镍金+电镀厚金  X3000  金镀层结构      电镀镍金+电镀厚金  X3000  金镀层结构

             

化学镍金+电镀厚金  X1000  镍镀层结构     电镀镍金+电镀厚金  X1000  镍镀层结构

             

化学镍金+电镀厚金  X3000  镍镀层结构     电镀镍金+电镀厚金  X3000  镍镀层结构

8 不同倍率下化学镍金与电镀镍金的金镀层表面形貌SEM照片

 

上述试验结果,可见化学镍金与电镀镍金有显著的不同,前者有明显的不定形结晶颗粒结构,后者则结晶细腻平滑,去除金后镍镀层的外观结构与去金前的类似,均没有镍腐蚀问题,造成结构差异的原因与镀层形成机理不同有关,化学镍金是通过自催化反应的方式沉积上去的镍底层,置换反应沉积底金层,化学反映产生的沉积层一般洁净颗粒大而呈不定形的非晶态,而电化学反映沉积的镀层结晶细腻而规则。

 

3.3 可靠性评估

金手指采用化学镍金+电镀厚金工艺的产品取10PNL产品进行外观、结合力等可靠性检测,各项目指标合格,符合客户品质要求,测试结果见表2

 

                                                      表2  可靠性评估表

 

3.4测试小结

采用化学镍金替代电镀镍金用于电镀硬金的预镀金工艺,产品通过SEM、外观检查、可焊性、结合力测试的评估,表明其工艺可行

效率与成本方面取消了金手指电镍金、丝印兰胶、撕兰胶工艺流程,缩短加工流程5小时以上,消除图电金工序产能瓶颈、降低丝印工序负荷;因金手指指面积小,化金成本可以忽略,粗略估算所节约的工序成本之和即为节约费用。

在工艺能力上,丝印兰胶工艺存在局限性,需要金手指与化学镍金焊盘的间距在1mm以上,防止保护金手指时兰胶上焊盘,导致焊盘位置无法沉上镍金问题,优化后的工艺化学镍金后采用干膜保护焊盘,此工艺可加工金手指与焊盘0间距产品,工艺能力得到提升。

 

结论

金手指厚金+化学镍金复合表面处理工艺优化源于消除产能瓶颈、降低成本而开展的精益改善项目,利用电镀镍金与化学镍金性能的相似性特点,通过精益生产改善基本宗旨“删除、合并、重排、简化”的运用,实现了流程简化、品质提高、效率提升、成本下降、工艺能力提升,有效提高了公司此类产品的交付与竞争能力。

精益改善无止境,谨以此文献给大家,同时为PCB精益化生产提供参考思路。

 

参考文献

[1] 罗道军,贺光辉,化学镍金与电镀镍金表面处理焊盘的比较研究[J]

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