PCB表面OSP处理分析及化学镍金简介

1 引言

　　锡铅长期以来扮演着保护铜面，维持焊性的角色， 从熔锡板到喷锡板，数十年光阴至此，碰到几个无法克服的难题，非得用替代制程不可：

　　A. Pitch 太细造成架桥(bridging)

　　B. 焊接面平坦要求日严

　　C. COB(chip on board)板大量设计使用

　　D. 环境污染本章就两种最常用制程OSP及化学镍金介绍之

　　2 OSP

　　OSP是Organic Solderability Preservatives 的简称，中译为有机保焊膜，又称护铜剂，英文亦称之Preflux，本章就以护铜剂称之。

　　2.1

　　种类及流程介绍

　　A. BTA(苯骈三氯唑)：BENZOTRIAZOLE

　　BTA是白色带淡黄无嗅之晶状细粉，在酸碱中都很安定，且不易发生氧化还原反应，能与金属形成安定化合物。ENTHON将之溶于甲醇与水溶液中出售，作铜面抗氧化剂(TARNISH AND OXIDE RESIST)，商品名为CU-55及CU-56，经CU-56处理之铜面可产生保护膜，防止裸铜迅速氧化。操作流程如表14.1。

　　B. AI(烷基咪唑) ALKYLIMIDAZOLE PREFLUX是早期以ALKYLIMIDAZOLE作为护铜剂而开始，由日本四国化学公司首先开发之商品，于1985年申请专利，用于蚀刻阻剂(ETCHING RESIST)，但由于色呈透明检测不易，未大量使用。其后推出GLICOAT等，系由其衍生而来。

　　GLICOAT-SMD(E3)具以下特性：

　　-与助焊剂相容，维持良好焊锡性

　　-可耐高热焊锡流程

　　-防止铜面氧化

　　C. ABI (烷基苯咪唑) ALKYLBENZIMIDZOLE

　　由日本三和公司开发，品名为CUCOAT A ，为一种耐湿型护铜剂。能与铜原子产生错合物 (COMPLEX COMPOUND)，防止铜面氧化，与各类锡膏皆相容，对焊锡性有正面效果。

　　D.目前市售相关产品有以下几种代表厂家：

　　醋酸调整系统：

　　GLICOAT-SMD (E3) OR (F1)

　　WPF-106A (TAMURA)

　　ENTEK 106A (ENTHON)

　　MEC CL-5708 (MEC)

　　MEC CL-5800(MEC)

　　甲酸调整系统：

　　SCHERCOAT CUCOAT A

　　KESTER

　　大半药液为使成长速率快而升温操作，水因之蒸发快速，PH控制不易，当PH提高时会导致MIDAZOLE不溶而产生结晶，须将PH调回。一般采用醋酸(ACETIC ACID)或甲酸 (FORMIC ACID)调整。

　　2.2

　　有机保焊膜一般约0.4μm的厚度就可以达到多次熔焊的目的，虽然廉价及操作单纯，但有以下缺点：

　　A. OSP透明不易测量，目视亦难以检查

　　B. 膜厚太高不利于低固含量，低活性免洗锡膏作业，有利于焊接之Cu6Sn5 IMC也不易形成

　　C. 多次组装都必须在含氮环境下操作

　　D. 若有局部镀金再作OSP，则可能在其操作槽液中所含的铜会沉积于金上，对某些产品会形成问题

　　E. OSP Rework必须特别小心

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3 化学镍金

　　3.1基本步骤

　　脱脂→水洗→中和→水洗→微蚀→水洗→预浸→钯活化→吹气搅拌水洗→无电镍→热水洗→ 无电金→回收水洗→后处理水洗→干燥

　　3.2无电镍

　　A. 一般无电镍分为置换式与自我催化式其配方极多，但不论何者仍以高温镀层质量较佳

　　B. 一般常用的镍盐为氯化镍(Nickel Chloride)

　　C. 一般常用的还原剂有次磷酸盐类(Hypophosphite)/甲醛(Formaldehyde)/联氨 (Hydrazine)/硼氩化合物(Borohydride)/硼氢化合物(Amine Borane)

　　D. 螯合剂以柠檬酸盐(Citrate)最常见。

　　E. 槽液酸碱度需调整控制，传统使用氨水(Amonia)，也有配方使用三乙醇氨(Triethanol Amine)，除可调整PH及比氨水在高温下稳定，同时具有与柠檬酸钠结合共为镍金属螯合剂，使镍可顺利有效地沉积于镀件上。

　　F. 选用次磷二氢钠除了可降低污染问题，其所含的磷对镀层质量也有极大影率。

　　G. 此为化学镍槽的其中一种配方。

　　配方特性分析：

　　a. PH值的影响：PH低于8会有混浊现像发生，PH高于10会有分解发生，对磷含量及沉 积速率及磷含量并无明显影响。

　　b.温度的影响：温度影响析出速率很大，低于70°C反应缓慢，高于95°C速率快而无法控制.90°C最佳。

　　c.组成浓度中柠檬酸钠含量高，螯合剂浓度提高，沉积速率随之下降，磷含量则随螯合 剂浓度增加而升高，三乙醇氨系统磷含量甚至可高到15.5%上下。

　　d.还原剂次磷酸二氢钠浓度增加沉积速率随之增加，但超过0.37M后槽液有分解现像， 因此其浓度不可过高，过高反而有害。磷含量则和还原剂间没有明确关系，因此一般 浓度控制在O.1M左右较洽当。

　　e.三乙醇氨浓度会影响镀层的磷含量及沉积速率，其浓度增高磷含量降低沉积也变慢， 因此浓度保持约0.15M较佳。他除了可以调整酸碱度也可作金属螯合剂之用

　　f.由探讨得知柠檬酸钠浓度作通当调整可有效改变镀层磷含量

　　H. 一般还原剂大分为两类：

　　次磷酸二氢钠(NaH2PO2H2O，Sodium Hypophosphate)系列及硼氢化钠(NaBH4，Sodium Borohydride)系列，硼氢化钠价贵因此市面上多以次磷酸二氢钠为主 一般公认反应为：

　　[H2PO2]- + H2Oa H+ +[HPO3]2- + 2H(Cat) -----------(1)

　　Ni2+ + 2H(Cat)a Ni + 2H+----------------------------------(2)

　　[H2PO2]- + H(Cat)a H2O + OH- + P----------------------(3)

　　[H2PO2]- + H2Oa H+ + [HPO3]2- + H2------------------(4)

　　铜面多呈非活化性表面为使其产生负电性以达到启镀之目的铜面采先长无电钯的方式反应中有磷共析故，4-12%含磷量为常见。故镍量多时镀层失去弹性磁性，脆性光泽增加，有利防锈不利打线及焊接。

　　3.3无电金

　　A. 无电金分为置换式镀金与无电金前者就是所谓的浸镀金(lmmersion Gold plating) 镀层薄且底面镀满即停止。后者接受还原剂供应电子故可使镀层继续增厚无电镍。

　　B. 还原反应示性式为：还原半反应：Au+ + e- + Au0 氧化半反应式: Reda Ox + e- 全反应式:：Au+ + Red aAu0 + Ox.