CN101525744A - 印刷线路板的表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种印刷线路板的表面处理方法，要解决的技术问题是防止在化学镀镍金中出现黑盘现象，保障焊接及打线工艺的可靠性。本发明的印刷线路板的表面处理方法，包括以下步骤：化学沉镍，化学沉钯，化学镀金。本发明与现有技术相比，对线路板采用化学沉镍、化学沉钯、化学镀金处理，获得镍钯金镀层，有效的防止钯面长期在空气中氧化，保障了焊接结合或打线结合的可靠性。

Description

印刷线路板的表面处理方法
技术领域
本发明涉及一种印刷线路板的制作方法，特别是一种印刷线路板的表面处理方法。
背景技术
近几年来，电子产品的发展非常迅速，印刷线路板PCB制造业也相应增长，表面贴装SMT技术在我们国家稳步快速的发展，在无铅趋势的推动下，对印刷线路板的表面处理方法要求越来越高，集成电路IC载板的应用量增长幅度也很明显。现有技术的印刷线路板表面处理方法为：化学沉镍金，电镀镍金，化学沉锡，化学沉银，OSP工艺，或喷锡，这六种工艺中优点和缺点都很突出；化学沉镍金应用范围广，但黑盘(黑盘的意思：在微观，放大3000倍左右状态下，镍磷层的晶格上会有黑色的点状或条状的被腐蚀的痕迹称之为黑盘现象)现象始终无可避免；电镀镍金虽无该现象，但受导线的影响，给线路板的设计带来了很大的难题，化学沉锡易出现锡须而导致的短路不可避免，化学沉银镀层的厚度很薄，抗氧化性能要求很高，工艺稳定性不强，OSP工艺虽然抗氧化性很高，价格也有竞争力，但膜层薄，硬度低，抗外损能力弱，也不能满足布线要求，喷锡工艺较早采用，对于一些软性线路板，高密度板等无法适从，且喷锡工艺的环境恶劣，不利于长久使用。
现有技术用在线路板上细小引脚的方型扁平封装/球栅阵列封装QFP/BGA装置，有四种无铅表面处理：化学浸锡(Immersion Tin)、化学浸银(Immersion Silver)、有机焊锡保护剂(OSP)、化学镀镍浸金(ENIG)，表1列举出这四种表面处理跟化学镀镍化学镀钯化学镀金ENEPEG的比较。在这四种表面处理中，没有一种表面处理能满足无铅组装工艺的所有需求，尤其是当考虑到多次回流焊能力、组装前的耐储时间及打线接合能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种印刷线路板的表面处理方法，要解决的技术问题是防止在化学镀镍金中出现黑盘现象，保障焊接及打线工艺的可靠性。
本发明采用以下技术方案：一种印刷线路板的表面处理方法，包括以下步骤：(1)化学沉镍，在线路板铜表面均匀的覆盖镍磷合金，将药液加热到79至83℃，pH值在4.5至4.8，放入线路板，时间控制在15至25分钟，药液采用20-30g/l的硫酸镍、20-30g/l的次磷酸钠、5-20g/l的柠檬酸、5-30ml/l的乳酸和0.1-2ppm的硫脲，按比例水中溶解；(2)化学沉钯，在线路板镍表面自催化钯层，药液加热到40至50℃，pH值在8.0至9.0，放入线路板，时间控制在10至40分钟，药液采用0.1-10g/l的氯化钯、5-50g/l的氯化铵、5-50g/l的三乙醇胺、10-20g/l的次磷酸钠和0.1-10ppm的稳定剂，按比例在水中溶解；(3)化学镀金，在线路板钯表面的覆盖厚0.01-0.1um之间的金层，药液加热到84至90℃，pH值在5.0至5.4，放入线路板，时间控制在4至10分钟，药液采用1-5g/l的亚硫酸金钠、1-20g/l的柠檬酸铵、1-20g/l的苹果酸和1-15g/l的三乙醇胺，1-15g/l抗坏血酸和1-20g/l磷酸盐，按比例在水中溶解。
本发明的化学沉镍后采用双纯水清洗，常温，时间控制在各0.5至1分钟。
本发明的化学沉钯后采用双纯水清洗，常温，时间控制在各0.5至1分钟。
本发明的化学镀金后采用双纯水清洗，常温，时间控制在各0.5至1分钟。
本发明的化学沉镍前对线路板顺序采取化学除油、微蚀、酸洗、预浸、活化、后浸处理
本发明的化学除油采用酸性清洁剂清洁线路板铜表面的氧化物和油污，酸性清洁剂加热到40至50℃，放入线路板，时间控制在4至6分钟，酸性清洁剂采用10-100ml/l的硫酸溶液0.01-1ml/l的表面活性剂，按比例水中溶解；所述微蚀是将线路板放入微蚀液内，温度控制在20至30℃，时间控制在1至2分钟，微蚀液采用10-100g/l过硫酸钠和5-50ml/l 98％硫酸，按比例水中溶解；所述酸洗采用常温的稀硫酸，清洗0.5至1分钟；所述预浸将线路板放入10-100ml/l的硫酸溶液内，常温，时间控制在0.5至1分钟；所述活化采用钯活化剂，温度控制在26至30℃，放入线路板，时间控制在1至3分钟，活化液采用5-30mg/l的硫酸钯和1-50ml/l的98％硫酸，按比例水中溶解；所述后浸是将线路板放入浓度10-100ml/l的硫酸溶液内，常温，时间控制在1分钟。
本发明的化学除油、微蚀、活化、后浸后，分别都进行采用双纯水清洗，常温，时间控制在各0.5至1分钟。
本发明的化学除油后、双纯水清洗前采用热水清洗，使用普通自来水加热到50至60℃，清洗1至2分钟。
本发明的化学镀金、双纯水清洗后热纯水洗，采用热纯水，温度在50-60℃，时间控制在1至2分钟。
本发明的热纯水洗后，采用热风烘干温度控制在80至100℃，时间控制在1至2分钟。
本发明与现有技术相比，对线路板采用化学沉镍、化学沉钯、化学镀金处理，获得镍钯金镀层，有效了防止钯面长期在空气中氧化，保障了焊接结合或打线结合的可靠性。
附图说明
图1是现有技术镍金工艺后镍层被金液腐蚀示意图(一)。
图2是现有技术镍金工艺后镍层被金液腐蚀示意图(二)。
图3是本发明实施例1方法处理后的线路板镍层晶格状态示意图(一)。
图4是本发明实施例1的方法处理后的线路板镍层晶格状态示意图(二)。
图5是本发明实施例2的方法处理后的线路板镍层晶格状态示意图(一)。
图6是本发明实施例2的方法处理后的线路板镍层晶格状态示意图(二)。
图7是本发明实施例3的方法处理后的线路板镍层晶格状态示意图(一)。
图8是本发明实施例4的方法处理后的线路板镍层晶格状态示意图(二)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的印刷线路板的表面处理方法，包括以下步聚：
1、化学除油用化学除油清洁线路板铜表面的氧化物和油污，化学除油液加热到40至50℃，放入线路板，时间控制在4至6分钟，药水使用寿命：2TO(2TO的准确含义：以开缸所用的主物料量为基数，在后续的生产补加过程中，补加量累积到开缸量时为1个TO(turnover)，2倍开缸量时为2TO)或Cu2 +大于500ppm，化学除油采用10-100ml/l的硫酸溶液和0.01-0.1ml/l的表面活性剂，按比例水中溶解，温度在45？℃。本发明的ppm均是指毫克/升，ppm、ml/l、g/l均为总的体积内含有的各个液体、固体的浓度。
2、热水清洗使用普通自来水加热到50至60℃，清洗1至2分钟，彻底清洗线路板铜表面的酸性清洁剂，热水槽的热水要保证每天更换，来达到彻底洗净的目的。
3、双纯水清洗使用常温双水洗(连续两道水洗称之为双水洗)各清洗0.5至1分钟为达到清洗表面残留的化学除油液，双水槽内的双水要保证每天更换。
4、微蚀将线路板放入微蚀液内，温度控制在20至30℃，时间控制在1至2分钟，药水使用15g/L Cu2 +以上，其作用是：粗化铜面，使在后序的焊接工艺中，零件能更牢的锡焊在线路板上，微蚀液采用10-100g/l过硫酸钠和5-50ml/l 98％硫酸，按比例水中溶解，温度在25？℃。
5、酸洗用常温的硫酸，彻底洗去线路板表面的微蚀液及氧化铜，清洗0.5至1分钟，槽内的酸液要保证每两天更换一次，来达到彻底洗净的目的。
6、双纯水清洗用常温的双纯水清洗线路板，各清洗0.5至1分钟。
7、预浸将线路板放入浓度10-100ml/l的硫酸溶液内，常温，时间控制在0.5至1分钟，作用是保持活化槽内的酸度，不会因生产过程中活化槽液带出量的影响而发生变化。
8、活化用钯活化剂为铜表面提供催化活性，温度控制在26至30℃，放入线路板，时间控制在1至3分钟，药水中含有60ppm的Cu2 +以上时更换新药水，其作用是：使在下一个化学镀镍中更均匀，更快速的起镀，保证了表面镀层的一致性，活化液采用5-30mg/l的硫酸钯和1-50ml/l的98％硫酸，按比例水中溶解，温度在28？℃。
9、双纯水清洗，常温，时间控制在各0.5至1分钟，作用是洗去表面残留的活化液，双纯水要保证每天更换。
10、后浸将线路板放入10-100ml/l的硫酸溶液内，常温，时间控制在1分钟，目的是更好的清洗表面残留的活化液，并同时能保护好被还原的钯原子不被空气中的氧所钝化。
11、双纯水清洗，常温，时间控制在各0.5至1分钟，双纯水要保证每天更换。
12、化学沉镍在线路板铜表面均匀的覆盖一层镍磷合金，将药液加热到79至83℃，pH值在4.5至4.8，放入线路板，时间控制在15至25分钟，药液使用4TO时更换新药液，其作用是：防止铜面在空气中氧化并为SMT中提供零件焊接的平台，药液采用20-30g/l的硫酸镍、20-30g/l的次磷酸钠、5-20g/l的柠檬酸、5-30ml/l的乳酸和0.1-2ppm的硫脲，按比例水中溶解，调节pH值到4.5至4.8，温度到81？℃。
13、双纯水清洗，常温，时间控制在0.5至1分钟，双纯水要保证每天更换。
14、化学沉钯在线路板镍表面自催化一层钯层，药液加热到40至50℃，pH值在8.0至9.0，放入线路板，时间控制在10至40分钟，其作用是使再后工序中镍面不受金液的攻击，药液采用0.1-10g/l的氯化钯、5-50g/l的氯化铵、5-50g/l的三乙醇胺、10-20g/l的次磷酸钠和0.1-10ppm的稳定剂，按比例在水中溶解，调节pH值到7.0至7.4，温度到50？℃。
15、双纯水清洗，常温，时间控制在各0.5至1分钟，双纯水要保证每天更换。
16、化学镀金在线路板钯表面薄薄的覆盖一层厚度在0.01-0.1um之间的金层，药液加热到84至90℃，pH值在5.0至5.4，放入线路板，时间控制在4至10分钟，药液使用至4-6TO、5ppm以上的Cu2 +或800ppm以上的Ni2 +，其作用是有效了防止钯面长期在空气中氧化，进一步保障了SMT的可靠性，药液采用1-5g/l的亚硫酸金钠、1-20g/l的柠檬酸铵、1-20g/l的苹果酸和1-15g/l的三乙醇胺，1-15g/l抗坏血酸和1-20g/l磷酸盐，按比例在水中溶解，调节pH值到5.0至5.4，温度到84至90℃。
17、双纯水清洗，常温，时间控制在各0.5至1分钟，双纯水要保证每天更换。
18、热纯水洗用热纯水，温度在50℃，时间控制在1至2分钟，热纯水要保证每天更换，更好的清洗残留在产品表面的化学镀金液。
19、热风烘干用热风机烘干线路板，温度控制在80至100℃，时间控制在1至2分钟。
本发明的方法制备的印刷线路板采用北京中科科仪公司生产的KYKY-3200扫描电镜，对镀层表面进行形貌分析测试，在相同设备投资和人力资源的条件下，现有技术的电镍金方法与本发明的镍钯金方法的对比如表2所示。在SEM-3000X下现有技术抓镍金工艺中镍层被金液腐蚀的黑垫现象，如图1、图2所示，严重影响焊接的可靠度。在SEM-3000X下实施例1、实施例2、实施例3的镍层晶格状态，如图3至图8所示，无任何受腐蚀的痕迹，焊接可靠。
实例1：
工艺流程参数：
Figure A20091030186200081
Figure A20091030186200091
主要步骤物料名称及含量：
  品名   化学除油   微蚀   预浸   活化   后浸   化学镀镍   化学镀钯   化学镀金
  硫酸(ml/l)   10   10   10   10   10
  表面活性剂(g/l)   0.01
  过硫酸钠(g/l)   10
  硫酸钯(g/l)   0.01
  硫酸镍(g/l)   20
  次磷酸钠(g/l)   20
  柠檬酸(g/l)   6
  乳酸(ml/l)   8
  硫脲(g/l)   0.001
  氯化钯(g/l)   1
  氯化铵(g/l)   10
  三乙醇胺(ml/l)   5
  稳定剂(g/l)   0.001
  亚硫酸金钠(g/l)   2
  柠檬酸铵(g/l)   10
  苹果酸(g/l)   10
  抗坏血酸(g/l)   5
  磷酸三钠(g/l)   10
根据上述工艺所镀的产品外观均匀，各金属层之间的结合强度符合标准要求，镍的厚度为4.1um，钯的厚度为0.092um，金厚度为0.087um，做SMT(surface mount technology)和打线(Bonding)性能测试良好。成品退金后，观察镍面腐蚀状况，见图3、图4，结果显示表面无镍腐蚀之黑盘现象！
实例2：
工艺流程参数：
  步骤   流程(品名)   操作温度   处理时间
  1   化学除油   45℃   5.0min
  2   热水洗   55℃   1.5min
  3   双水洗   常温   0.5min
  4   微蚀剂   28℃   1.5min
  5   酸洗   28℃   1.0min
  6   双纯水洗   28℃   1.0min
  7   预浸   28℃   1.0min
  8   钯活化剂   28℃   1.5min
  9   双纯水洗   28℃   0.5min
  10   后浸酸   28℃   1.5min
  11   双纯水洗   28℃   1.0min
  12   化学镍   81℃PH＝4.7   20min
  13   双纯水洗   28℃   1.0min
  14   化学钯   45℃PH＝8.5   15min
  15   双纯水洗   28℃   1.0min
  16   化学镀金   86℃PH＝5.2   7min
  17   双纯水洗   28℃   0.5min
  18   热纯水洗   55℃   1.5min
  19   热风烘干   90℃   2min
主要步骤物料名称及含量：
  品名   化学除油   微蚀   预浸   活化   后浸   化学镀镍   化学镀钯   化学镀金
  硫酸(ml/l)   20   20   20   20   20
  表面活性剂(g/l)   0.05
  过硫酸钠(g/l)   50
  硫酸钯(g/l)   0.02
  硫酸镍(g/l)   24
  次磷酸钠(g/l)   24
  柠檬酸(g/l)   10
  乳酸(ml/l)   12
  硫脲(g/l)   0.002
  氯化钯(g/l)   2
  氯化铵(g/l)   12
  三乙醇胺(ml/l)   10
  稳定剂(g/l)   0.002
  亚硫酸金钠(g/l)   3
  柠檬酸铵(g/l)   15
  苹果酸(g/l)   15
  抗坏血酸(g/l)   10
  磷酸三钠(g/l)   12
根据上述工艺所镀的产品外观均匀，各金属层之间的结合强度符合标准要求，镍的厚度为4.8um，钯的厚度为0.086um，金厚为0.093um，做SMT(surface mount technology)和打线(Bonding)性能测试良好。成品退金后，观察镍面腐蚀状况，见图5、图6，结果显示表面无镍腐蚀之黑盘现象！
实例3：
工艺流程参数：
Figure A20091030186200111
Figure A20091030186200121
主要步骤物料名称及含量：
Figure A20091030186200122
根据上述工艺所镀的产品外观均匀，各金属层之间的结合强度符合标准要求，镍的厚度为4.2um，钯的厚度为0.090um，金厚度为0.079um，做SMT(surface mount technology)和打线(Bonding)性能测试良好。成品退金后，观察镍面腐蚀状况，见图7、图8，结果显示表面无镍腐蚀之黑盘现象！
本发明的工艺特点：1.酸性清洁剂是针对细线路、小孔径高精密度线路板，具有良好的清洁力，不会攻击线路板的防焊油墨，可强力去除铜面氧化，对线路表面具有清洁及活化作用。2.微蚀剂能对铜的表面进行轻微的蚀刻、粗化，确保完全清除铜箔表面的氧化物。3.活化剂针对现有技术同类型产品对铜面、防焊绿漆及基板树脂攻击之缺点加以改善，解决了活化槽液中的铜离子浓度上升太快，架桥渗镀、单点露铜或阴阳色差问题，对于铜面具有相当程度的保护功能，并以络合置换法，将钯均匀地置换在铜面上。4.化学镀镍镀液，不含铅、汞、镉、等有害物质，具有良好的启镀能力及稳定性，镀层皮膜磷含量稳定，结晶致密而且耐蚀性优良，配合自动添加器及析出防止装置的使用，可以得到一定的析出速度及均一的镀层，有利于自动化生产。满足客户在焊锡性、打线性能、低表面电阻等多项功能的要求。5.化学镀钯是为了满足线路板SMT制程中焊接的可靠性，适合用于改善原有的ENIG和Bonding工艺性能，无黑垫之隐患，并且在无铅制程的趋势下，提高了品质保障，表现出了极大的优势。6.化学镀金是为有利于SMT与芯片封装，具有良好的抗氧化性、焊接性及耐磨性，对镍污染容忍度高，镀液稳定，操作容易，适用于打线等工艺。
本发明化学镀钯作为阻挡层，不会有铜迁移至金层的问题出现而引起焊锡性焊锡差，化学镀钯层会完全溶解在焊料之中，在合金界面上不会有高磷层的出现，同时当化学镀钯溶解后会露出一层新的化学镀镍层用来生成良好的镍锡合金，且能抵挡多次无铅回流焊循环，有优良的打金线结合性。
表1四种表面处理的性能比较
Figure A20091030186200141
Figure A20091030186200151
表2现有技术的电镍金方法与本发明的镍钯金工艺方法对比
  电镍金工艺   镍钯金工艺
  通电导线的设计   需要   不需要
  产能   1m2/100L.h   3-5m2/100L.h
  成本(满足打金线之要求)   200-300元/m2   50-80元/m2
  打线结合强度   6-8g   8-10g

Claims (10)

1.一种印刷线路板的表面处理方法，包括以下步骤：(1)化学沉镍，在线路板铜表面均匀的覆盖镍磷合金，将药液加热到79至830C，pH值在4.5至4.8，放入线路板，时间控制在15至25分钟，药液采用20-30g/l的硫酸镍、20-30g/l的次磷酸钠、5-20g/l的柠檬酸、5-30ml/l的乳酸和0.1-2ppm的硫脲，按比例水中溶解；(2)化学沉钯，在线路板镍表面自催化钯层，药液加热到40至500C，pH值在8.0至9.0，放入线路板，时间控制在10至40分钟，药液采用0.1-10g/l的氯化钯、5-50g/l的氯化铵、5-50g/l的三乙醇胺、10-20g/l的次磷酸钠和0.1-10ppm的稳定剂，按比例在水中溶解；(3)化学镀金，在线路板钯表面的覆盖厚0.01-0.1um之间的金层，药液加热到84至900C，pH值在5.0至5.4，放入线路板，时间控制在4至10分钟，药液采用1-5g/l的亚硫酸金钠、1-20g/l的柠檬酸铵、1-20g/l的苹果酸和1-15g/l的三乙醇胺，1-15g/l抗坏血酸和1-20g/l磷酸盐，按比例在水中溶解。
2.根据权利要求1所述的印刷线路板的表面处理方法，其特征在于：所述化学沉镍后采用双纯水清洗，常温，时间控制在各0.5至1分钟。
3.根据权利要求2所述的印刷线路板的表面处理方法，其特征在于：所述化学沉钯后采用双纯水清洗，常温，时间控制在各0.5至1分钟。
4.根据权利要求3所述的印刷线路板的表面处理方法，其特征在于：所述化学镀金后采用双纯水清洗，常温，时间控制在各0.5至1分钟。
5.根据权利要求4所述的印刷线路板的表面处理方法，其特征在于：所述化学沉镍前对线路板顺序采取化学除油、微蚀、酸洗、预浸、活化、后浸处理。
6.根据权利要求5所述的印刷线路板的表面处理方法，其特征在于：所述化学除油采用酸性清洁剂清洁线路板铜表面的氧化物和油污，酸性清洁剂加热到40至500C，放入线路板，时间控制在4至6分钟，酸性清洁剂采用10-100ml/l的硫酸溶液0.01-1ml/l的表面活性剂，按比例水中溶解；所述微蚀是将线路板放入微蚀液内，温度控制在20至300C，时间控制在1至2分钟，微蚀液采用10-100g/l过硫酸钠和5-50ml/l 98％硫酸，按比例水中溶解；所述酸洗采用常温的稀硫酸，清洗0.5至1分钟；所述预浸将线路板放入10-100ml/l的硫酸溶液内，常温，时间控制在0.5至1分钟；所述活化采用钯活化剂，温度控制在26至300C，放入线路板，时间控制在1至3分钟，活化液采用5-30mg/l的硫酸钯和1-50ml/l的98％硫酸，按比例水中溶解；所述后浸是将线路板放入浓度10-100ml/l的硫酸溶液内，常温，时间控制在1分钟。
7.根据权利要求6所述的印刷线路板的表面处理方法，其特征在于：所述化学除油、微蚀、活化、后浸后，分别都进行采用双纯水清洗，常温，时间控制在各0.5至1分钟。
8.根据权利要求7所述的印刷线路板的表面处理方法，其特征在于：所述化学除油后、双纯水清洗前采用热水清洗，使用普通自来水加热到50至60℃，清洗1至2分钟。
9.根据权利要求8所述的印刷线路板的表面处理方法，其特征在于：所述化学镀金、双纯水清洗后热纯水洗，采用热纯水，温度在50-60℃，时间控制在1至2分钟。
10.根据权利要求9所述的印刷线路板的表面处理方法，其特征在于：所述热纯水洗后，采用热风烘干温度控制在80至1000C，时间控制在1至2分钟。
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