研究PCB 镀金层孔隙率检验方法

　　1、前言
　　电气、电子产品及装置在各种各样的环境状态下使用，其连接处暴露于空气中易发生腐蚀，通常使用表面镀金予以保护。但国际金价不断上涨，2008 年国际黄金价格更是突破1000 美元整数关口，金价的上扬进一步加剧了印制板生产企业的生产成本，降低镀金层厚度同时又不影响其性能成为了印制板生产工艺中的研发重点。
　　在降低镀金层厚度的同时，要满足印制电路板焊盘表面镀层的防氧化、高可焊性、高导电性和高散热性等特点，采用的技术有：有机可焊性保护涂层（OrganicSolderabilityPreservatives OSP ）、化学沉镍金和电镀镍金表面处理。
　　有机可焊性保护涂层（OSP ）工艺的不足之处是所形成的保护膜极薄，易于划伤（或擦伤），必须精心操作和运放。同时，经过多次高温焊接过程的OSP 膜会发生变色或裂缝，影响可焊性和可靠性。透明OSP 层厚度不容易测量，覆盖面程度也不容易看出，给上游采购商对这些方面的质量稳定性评估造成了不小难度。
　　化学镀镍金或电镀镍金表面处理能够使得印制电路板焊盘表面非常平整，可焊性良好。其次由于金在常态环境中的化学惰性使其能在相当长的时期内保护PCB 焊盘表面不会发生氧化、具有其它表面处理工艺所不具备的对环境侵蚀的抵抗能力及优良的电性能。同时提高了插拔时的耐磨性，降低接触电阻，提高了连接可靠性。
　　由于目前国内镀金工艺、材料加工仍存在一些问题，即使经过OSP 工艺，镀金层表面仍有微孔出现，因此采用如何检测和控制镀金质量就具有重要的实际意义。孔隙率就是一个重要的表征镍金表面镀层连续性的指标。
　　本文分析了常用孔隙率检验方法，并以经过电镀镍金工艺和OSP 工艺的PCB 焊盘样品为例，研究一种新的检验镀金层孔隙率的方法。
　　2、常用孔隙率检验方法[1][2][3]
　　目前对金镀层表面孔隙率的检测方法主要分为三大类：①气体暴露法；②电解显像测试方法；③盐雾试验。在国家标准GB/T17720-1999（ 金属覆盖层孔隙率试验评述）,GB/T4677-2002 （印制板测试方法），GB/T19351-2003 （金属覆盖层金属基体上金属覆盖层孔隙率的检验硝酸蒸汽试验）中对铜基体上镍金镀层的孔隙率检验方法做了详细规定。
　　①气体暴露法
　　该方法中使用的气体主要有二氧化硫、硫化氢、氯气、硝酸蒸气等。对试验试剂、试验装置和试验环境有较高要求，并且耗时过长，且所用气体均具强烈的刺激性和毒性，对大气可造成严重污染，对试验操作者也存在安全隐患。检验结果是通过低倍光学显微镜观测锈斑个数和腐蚀程度来计算孔隙率，准确性受操作人员影响较大。此测试方法的可用性和测试结果的可靠度都不高。
　　②电解显像测试方法
　　该方法主要有丙烯酰胺电解试验、丁二酮肟纸电解现象试验、环己二酮二肟纸电解现象试验，这种方法操作简单，检验结果受操作人员影响较小。缺点是需要专门的仪器，其测试纸和显影剂需要特别制作，并且涉及到镍镀层上金、钯、铑等镀层的检测操作是有毒操作，因而只有少数印制板厂商在使用。
　　③盐雾试验
　　该方法主要使用氯化钠溶液在一定的温度下，长时间内持续喷雾。这种方法操作简单，缺点是需要专门的仪器，耗时太久，不易准确计算孔隙率。目前多数印制板厂商用该方法定性地评价镀层质量。
　　3、孔隙率检验实验[4]
　　3.1 检验前准备
　　（1）取经过电镀镍金工艺和OSP 工艺的PCB 成品板单件做试样，每一整板上不少于三个单件。试样要有裸露的镀层，如金手指、接地铜皮、焊盘等，用乙醇清洗表面除油。
　　（2）制作能够置于低倍光学显微镜内的带刻度网格，具体方法：设计直径23mm ，线宽0.1mm 的圆型菲林底片，圆内为正方形网格，网格间线距1mm ，网格线宽0.1mm ，在网格内四角标出刻度，刻度间距为0.1mm ，刻度线宽0.1mm 。如图-1 所示，将圆型网格装于20X 光学显微镜的目镜下。
　　（3）用橡皮或木块制作一个斜面体。其尺寸为高5mm ，长25mm ，宽15mm ，倾角tanα 为0.2， 如图-2 所示
　　3.2 检验溶液成分与配制
　　检验溶液的成分如表-1
　　表-1 溶液成分
　　检测溶液 基体金属或下层镀层金属 镀层
　　成分名称 成份含量
　　HCl  2%~2.7% 铜、镍 镍/金
　　NaCl  0.5~2.0%
　　渗透剂 0.02%~0.2%
　　检测溶液基体金属或下层镀层金属镀层
　　成分名称成份含量
　　HCl 2%~2.7% 铜、镍镍/金
　　NaCl 0.5~2.0%
　　渗透剂0.02%~0.2%
　　表-1 溶液成分
　　检测溶液 基体金属或下层镀层金属 镀层
　　成分名称 成份含量
　　HCl  2%~2.7%  铜、镍 镍/金
　　NaCl  0.5~2.0%
　　渗透剂 0.02%~0.2%
　　其中渗透剂是含有如下一种或一种以上表面活性剂的复配剂：脂肪醇聚氧乙烯（5~6 ）醚、脂肪酸聚氧乙烯醚、烷基萘磺酸钠、二丁基萘磺酸钠和丁基萘磺酸钠等。渗透剂的作用增强溶液的渗透作用，提高检验溶液与镀层的接触程度。
　　检验溶液的配制：
　　在250ml 的容量瓶内加入100ml 的去离子水，量取11.77~15.88ml36% 浓HCl ，混合均匀，加入NaCl ，再加入浓度为10 ％的渗透剂0.50~5.00ml ，完全溶解后加入去离子水至刻度线。HCl 与NaCl 均用分析纯级。
　　3.3 检验步骤
　　（1）控制温度在21℃-24 ℃，将试样浸于溶液内，静止5~8min ，取出并用吸水纸吸去水分。
　　（2）将试样放在斜面体上，用20X 光学显微镜观测。移动试样，避免镀层边缘位置，观测孔隙。
　　（3）计算孔隙率：选择连续网格为观测区域，并且总观测区域不小于总镀层面积的50% ，数出孔隙数，计算孔隙率（孔隙数/厘米2）。孔隙计算按照表-2 进行，孔隙的直径由网格上的刻度测量。
　　表-2 孔隙大小计算方法
　　孔隙尺寸计算孔隙个数
　　最大直径≤0.05mm 0
　　0.05mm< 最大直径<0.1 mm 1
　　0.1mm≤ 最大直径<0.2mm 2
　　最大直径≥0.2mm 5
　　孔隙尺寸 计算孔隙个数
　　最大直径≤0.05mm  0
　　0.05mm< 最大直径<0.1 mm  1
　　0.1mm≤ 最大直径<0.2mm  2
　　最大直径≥0.2mm  5
　　孔隙尺寸 计算孔隙个数
　　最大直径≤0.05mm 0
　　0.05mm< 最大直径<0.1 mm 1
　　0.1mm≤ 最大直径<0.2mm 2
　　最大直径≥0.2mm 5
　　4、检验溶液和镀层间的反应机理
　　（1）反应机理
　　挠性印制电路板厂商为增加产品的耐挠曲性，镀镍金层很薄，一般镍层约1.5μm ，金层0.02－0.1μm 。镀金层极薄，为达到镀金层的有效覆盖保护，生产中使用有机可焊性保护涂层（OSP ）作为镀金层的封端剂。保护涂层是极其微薄的保护膜，不与盐酸反应。
　　测定孔隙率的反应机理是在酸性溶液中，盐酸在渗透剂的作用下通过未被镀金层覆盖的孔隙渗入到镀镍层，并与镀层镍发生氧化还原反应，镍被溶出，留下微细针孔，在低倍显微镜即可观测和计算微孔数量。其反应机理如下：
　　Ni +2HCl → NiCl2 + H2↑
　　氯化钠为体系提供了电解质环境，金属镍作为腐蚀原电池的负极，金作为腐蚀原电池的正极，形成腐蚀原电池，加速了本来存在的针孔腐蚀，。针孔腐蚀作用如图-3 所示。
　　腐蚀原电池电极反应如下：
　　原电池反应负极：Ni -2e→ Ni2+
　　原电池反应正极：2H+ +2e→H2
　　（2）试样放在斜面体上观测原因
　　由于盐酸不与铜反应，当针孔内的镍溶出后底层是铜层，当光线照射时，金面反射光线，孔洞也能反射光线，从而减弱孔洞与金面的区分度，在光学显微镜下无法分辨孔隙。因此采用倾斜角度增大反射区分度，如图-4 。
　　（3）检验溶液各成分的作用和温度时间的影响
　　HCl 的作用：检验溶液的主要成分，提供酸性环境，与裸露的镍反应。NaCl 的作用：提供离子，加速针孔腐蚀作用。渗透剂的作用：作为耐酸渗透剂，增强溶液的渗透作用，提高检验溶液与镀层的接触程度，对反应有促进作用。温度：温度对反应速率影响显着，温度过高反应迅速，孔隙扩大最后导致镍层被溶解，金层脱落。应结合生产条件，选择合适温度。时间：浸泡时间对孔隙影响较大，时间越久，溶出的镍越多，孔隙越大，但是时间过久会造成镍层完全溶解，金层脱落，一般5min 为宜。
　　5、孔隙率检验结果分析
　　一个样品上有不同的裸露的镀金区域，本文分别对压平手指、插头手指和接地铜皮进行检验。
　　5.1 样品经过检验溶液处理的前后对比（以不合格品为例）
　　经检验溶液处理前后的金相图片有明显的不同，检验溶液中的盐酸在渗透剂的作用下通过未被镀金层覆盖的孔隙渗入到镀镍层，发生原电池反应。从而使孔隙扩大，可以在低倍光学显微镜下观测到。
　　5.2 温度对检验结果的影响
　　分别在温度22 ℃、30 ℃的条件下，合格品与不合格品经过检验溶液处理中。温度对检验结果影响不大，因此检验溶液能在有较广的温度范围内使用。
　　通过合格品和不合格品的对比可知，检验溶液同样能很好的区别出合格品和不合格品，如图-6 所示。通过对孔隙直径加权处理，计算出孔隙率。根据我司大量实验计算出孔隙率≤5 个/mm2 为合格品（仅供参考）。
　　6、总结
　　（1）检验溶液主要成分为盐酸、氯化钠及渗透剂，不与有机可焊性保护涂层反应，测定的孔隙率是封端后的孔隙率，真实表征了表面镀层的质量。
　　（2）采用溶液浸泡法，观测使用低倍光学显微镜，利用斜面体能够轻易观测到薄金镀层上的微小孔隙。在显微镜内放置带有刻度的网格菲林，并对孔隙大小进行加权处理，方便了孔隙率的计算。