CN101256134A - 一种印制电路镀金层孔隙率测定方法 - Google Patents

一种印制电路镀金层孔隙率测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种印制电路板镀金层孔隙率的检验方法，属于化工技术领域，涉及印制电路板表面镀金层的检测，尤其适用于印制板导线及金手指镀金层的孔隙率检测。测试溶液主要成分为盐酸(HCl)、氯化钠(NaCl)及渗透剂，在一定温度、时间条件下使镀金层不连续处产生明显的腐蚀产物，利用带刻度的透明网格材料和斜面体辅助观测，对孔隙大小进行加权处理，在显微镜下观察计算孔隙率。本发明具有快速、简便、准确、安全的特点，可满足印制电路板生产过程中的表面品质检测要求。

Description

一种印制电路镀金层孔隙率测定方法
技术领域
本发明属于化工技术领域，涉及印制电路板表面镀金层的检测，尤其适用于印制板导线及金手指镀金层的孔隙率检测。
背景技术
表面封装技术(SMT)的兴起，要求印制电路板焊盘表面金属镀层具有防氧化、高可焊性、高导电性和高散热性等特点。有机可焊性保护涂层(Organic Solderability Preservatives OSP)、化学沉镍金或电镀镍金表面处理均能很好的满足SMT焊接要求而在工业化生产中得到广泛的应用。
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(PCB)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。
镍金(Ni/Au)表面镀层是在印制电路板上覆盖上阻焊膜之后通过电镀或化学镀镀上去的。镍(Ni)层的作用是作为阻挡层，阻止铜与金的相互扩散，提高电子互连的可靠性。金(Au)层的作用是提高耐磨性、降低接触电阻、防止铜/镍的氧化和提高连接可靠性。孔隙率就是一个重要的表征镍金(Ni/Au)表面镀层连续性的指标。
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/T 17720-1999(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测定硝酸蒸汽试验)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。
发明内容
本发明旨在提供一种快速、简便、准确、安全的印制板镀镍金层孔隙率的检验方法。反应原理是利用适当的试剂与覆盖层不连续处暴露的基体金属起作用形成可观察到的腐蚀产物。检验溶液组成为盐酸、氯化钠及渗透剂等。本方法在国内外尚未见相关资料报道。
本发明的技术方案为：
一种印制电路镀金层孔隙率测定方法，包括以下步骤：
步骤1.配制检验溶液
配制由HCl、NaCl、渗透剂混合而成的水溶液，各组分质量百分含量为：HCl：2％～2.7％，NaCl：0.5～2.0％，渗透剂：0.02％～0.2％，其余为H2O。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。渗透剂的作用是增强溶液的渗透作用，提高检验溶液与镀层的接触程度。
步骤2.清洗待测样品表面可能存在的油污。待测样品需有裸露的镀层，如金手指、接地铜皮、焊盘等。具体清洗时可采用乙醇作为清洗剂。
步骤3.将经表面除油处理后的待测样品放入检测溶液中，控制溶液温度在21℃-24℃，静置5～8分钟后，取出待测样品并除去待测样品表面的水分。
步骤4.将待测样品放置于倾角tanα为0.15～0.25之间的斜面上(如图1所示)，采用低倍光学显微镜观测样品表面的孔隙。总观测区域不小于样品总镀层面积的50％。
步骤5.计算孔隙率。数出步骤4中所观测面积内的孔隙数，计算孔隙率(孔隙数/厘米2)。孔隙计算按照表-1进行。
表-1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＜0.1mm   1
  0.1mm≤最大直径＜0.2mm   2
  最大直径≥0.2mm   5
上述步骤3中所述除去待测样品表面的水分的具体方法可以采用自然晾干、烘干的办法，也可以采用吸水纸吸取样品表面的水分。
上述步骤4中所述倾角tanα为0.15～0.25之间的斜面可利用具有相同倾角tanα的斜面体实现。
上述步骤4中采用低倍光学显微镜观测样品表面的孔隙时，可采用线宽为0.1毫米、间距为1毫米的透明正方形网格材料(如图2所示)安装于低倍显微镜的目镜下方以提高计算观测面积内的孔隙数的测量精度。所述透明正方形网格材料可以采用透明胶片、透明纸张或透明玻璃等制作。
检验溶液和镀层间的反应及孔隙测试原理：
(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，如果不采用一定的斜面在光学显微镜下无法分辨孔隙(如图4所示)。因此本发明采用倾斜角度增大反射区分度(如图5所示)。
(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著，温度过高反应迅速，孔隙极度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，一般21℃-24℃为宜。
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5～8min为宜。
本发明的有益效果：
1、本发明提供了一种快速、简便、准确、安全的印制板镀镍金层孔隙率的检验方法，满足产业化生产的表面品质检测要求。
2、本发明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。
3、本发明采用溶液浸泡法，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。
附图说明
图1本发明所采用的斜面体示意图。
图2本发明安装与光学显微镜目镜下的透明网格材料形状示意图。
图3本发明主要反映原理的针孔腐蚀示意图。
图4平面观测的反射对比示意图。
图5倾斜观测的反射对比示意图。
具体实施方式
本发明技术方案已经在发明内容部分作出了详细说明，以下仅给出几种不同待测样品的实际测试实验数据，以进一步说明本发明的可操作性和发明效果。实验在有金手指、接地铜皮和焊盘的印制板单件上进行。
实施例一
在250ml的容量瓶内加入100ml的去离子水，量取11.77ml 36％浓HCl，混合均匀，加入1.25g NaCl，再加入浓度为10％的渗透剂0.50ml，完全溶解后加入去离子水至刻度线。HCl与NaCl均用分析纯试剂。
取经电镀镍/闪镀金工艺的印制板(样品一)，测得Ni层的厚度为3.324μm，Au层的厚度为0.125μm。将样品一清除油污后放入温度为22℃的上述检验溶液中5min，用吸水纸吸干后在20X光学显微镜下观测，观测时，采用线宽为0.1毫米、间距为1毫米的透明正方形网格菲林底片安装于低倍显微镜的目镜下方，倾角tanα为0.15～0.25之间的斜面是利用橡皮或木材制作的具有相同倾角tanα的斜面体，最终按表-1计算孔隙率是10.2个/cm2。
实施例二
按照实施例一的方式配制250ml盐酸浓度为2.3％，氯化钠浓度为1.0％，渗透剂浓度为0.05％的检验溶液。
取经电镀镍/电镀厚金工艺的印制板(样品二)，测得Ni层的厚度为6.570μm，Au层的厚度为0.520μm。将样品二清除油污后放入温度为21℃的上述检验溶液中8min，用吸水纸吸干后在20X光学显微镜下观测，观测时，采用线宽为0.1毫米、间距为1毫米的透明正方形网格菲林底片安装于低倍显微镜的目镜下方，倾角tanα为0.15～0.25之间的斜面是利用橡皮或木材制作的具有相同倾角tanα的斜面体，最终按表-1计算孔隙率是0.3个/cm2。
实施例三
按照实施例一的方式配制250ml盐酸浓度为2.5％，氯化钠浓度为1.5％，渗透剂浓度为0.1％的检验溶液。
取经沉软镍/浸金工艺的印制板(样品三)，测得Ni层的厚度为1.248μm，Au层的厚度为0.070μm。将样品三清除油污后放入温度为22℃的上述检验溶液中5min，用吸水纸吸干后在20X光学显微镜下观测，观测时，采用线宽为0.1毫米、间距为1毫米的透明正方形网格菲林底片安装于低倍显微镜的目镜下方，倾角tanα为0.15～0.25之间的斜面是利用橡皮或木材制作的具有相同倾角tanα的斜面体，最终按表-1计算孔隙率是25.4个/cm2。
实施例四
按照实施例一的方式配制250ml盐酸浓度为2.7％，氯化钠浓度为2％，渗透剂浓度为0.15％的检验溶液。取经沉硬镍/浸金工艺的印制板(样品四)，测得Ni层的厚度为1.562μm，Au层的厚度为0.02μm。将样品四清除油污后放入温度为24℃的上述检验溶液中5min，用吸水纸吸干后在20X光学显微镜下观测，观测时，采用线宽为0.1毫米、间距为1毫米的透明正方形网格菲林底片安装于低倍显微镜的目镜下方，倾角tanα为0.15～0.25之间的斜面是利用橡皮或木材制作的具有相同倾角tanα的斜面体，最终按表-1计算孔隙率是32.5个/cm2。
实施例五
按照实施例一的方式配制250ml盐酸浓度为2.5％，氯化钠浓度为2％，渗透剂浓度为0.2％的检验溶液。取经沉软镍/化学镀金工艺的印制板(样品五)，测得Ni层的厚度为2.324μm，Au层的厚度为0.452μm。将样品五清除油污后放入温度为22℃的上述检验溶液中8min，用吸水纸吸干后在20X光学显微镜下观测，观测时，采用线宽为0.1毫米、间距为1毫米的透明正方形网格菲林底片安装于低倍显微镜的目镜下方，倾角tanα为0.15～0.25之间的斜面是利用橡皮或木材制作的具有相同倾角tanα的斜面体，最终按表-1计算孔隙率是1.2个/cm2。

Claims (7)

1、一种印制电路镀金层孔隙率测定方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1.配制检验溶液：
配制由HCl、NaCl、渗透剂混合而成的水溶液，各组分质量百分含量为：HCl：2％～2.7％，NaCl：0.5～2.0％，渗透剂：0.02％～0.2％，其余为H2O；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；
步骤2.清洗待测样品表面可能存在的油污，待测样品需有裸露的镀层，如金手指、接地铜皮、焊盘等；
步骤3.将经表面除油处理后的待测样品放入检测溶液中，控制溶液温度在21℃-24℃，静置5～8分钟后，取出待测样品并除去待测样品表面的水分；
步骤4.将待测样品放置于倾角tanα为0.15～0.25之间的斜面上，采用低倍光学显微镜观测样品表面的孔隙；总观测区域不小于样品总镀层面积的50％；
步骤5.计算孔隙率：
数出步骤4中所观测面积内的孔隙数，计算孔隙率，即孔隙数/厘米2；孔隙计算按照表-1进行。
表-1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＜0.1mm   1   0.1mm≤最大直径＜0.2mm   2   最大直径≥0.2mm   5
2、根据权利要求1所述的印制电路镀金层孔隙率测定方法，其特征是，所述步骤2清洗待测样品表面可能存在的油污时，采用乙醇作为清洗剂。
3、根据权利要求1所述的印制电路镀金层孔隙率测定方法，其特征是，步骤3中所述除去待测样品表面的水分的具体方法是采用自然晾干或烘干的办法。
4、根据权利要求1所述的印制电路镀金层孔隙率测定方法，其特征是，步骤3中所述除去待测样品表面的水分的具体方法是采用吸水纸吸取样品表面的水分的办法。
5、根据权利要求1所述的印制电路镀金层孔隙率测定方法，其特征是，步骤4中所述倾角tanα为0.15～0.25之间的斜面是利用具有相同倾角tanα的斜面体实现的。
6、根据权利要求1所述的印制电路镀金层孔隙率测定方法，其特征是，步骤4中采用低倍光学显微镜观测样品表面的孔隙时，采用线宽为0.1毫米、间距为1毫米的透明正方形网格材料安装于低倍显微镜的目镜下方以提高计算观测面积内的孔隙数的测量精度。
7、根据权利要求6所述的印制电路镀金层孔隙率测定方法，其特征是，所述透明正方形网格材料采用透明胶片、透明纸张或透明玻璃等制作。
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