浅析电镀软金工艺.docx

南京信息职业技术学院毕业设计论文作者 赵福星 学号 31314D41 系部 微电子学院 专业 电子电路设计与工艺 题目 浅析电镀软金工艺 指导教师 孙凤梅 评阅教师 完成时间： 2017年 4月25 日 毕业设计(论文)中文摘要 浅析电镀软金工艺摘 要：介绍了电路制造过程从上完油墨之后对板子所做的最后一道工艺，就是在电路板上先进行电镀镍, 然后利用镍与金结合性好的特点进行电镀金。主要包括电镀金的工艺流程、电镀的药水、电镀金的原理、电镀设备的类型、电镀金工艺参数的控制、金镀层的性能表现状况及此工艺流程所需注意的注意事项。关键词：电镀金；工艺参数；镀层；注意事项毕业设计(论文)外文摘要Analysis of the soft gold plating processAbstract: Introduced the circuit manufacturing process from the end of the ink on the board after the last process, which is the first in the circuit board to carry out nickel plating, and then use the characteristics of the combination of nickel and gold. Including the gold plating process, plating liquid, plating principle, electroplating equipment type, gold plating parameters control, gold plating performance status and the process needed to pay attention to matters needing attention. keywords: electron plating process parameters coating precautions目录1.引言52.1电镀金的工艺流程分析52.2电镀金的原理介绍52.3电镀的药水简述62.4电镀金的设备介绍62.5电镀的工艺控制参数分析73.镀层的性能分析93.1镀层的厚度及均匀性简析93.2镀层表面的粗糙度分析113.3镀层的硬度分析113.4镀层的剪应力分析113.5镀层的键合性能分析114.注意事项12结论12致谢13参考文献：131.引言电镀金就是利用电解的原理在一些金属或非金属表面镀金的过程。电镀金此项工艺开始于1838年英国人所发明的氰化物镀金，开始被用于装饰方面，若从那时开始计算，距今约有二百多年的历史。金镀层具有经久不衰的金黄色外观且其导电性能、接触电阻低与可焊性好、耐腐蚀性强。此外良好的化学稳定性与热压键合性能优良是金镀层一贯的特点，因此，精密仪器仪表、集成电路、印刷板等要求电参数性能长期稳定的零件电镀中电镀金工艺被广为应用。通过发展出现在后来的金合金镀也随之被广泛应用，合金电镀的镀层有多种色调，且镀层的延展性好且其抛光性好，故而常常被用作装饰性镀层，如镀首饰表面、钟表零件表面等。本文重点讲了关于印制电路板上的应用保证电路板具有良好的导电性、可焊性高且镀层有一定的耐腐蚀性并且保护电路板。2.电镀金的工艺简析2.1电镀金的工艺流程分析线路板电镀金的工艺流程为：(1)预处理：主要作用是清洁板件表面；(2)微蚀处理：对线路板进行粗化处理使板子接触面积增大；(3)电镀镍：是金镀层与铜镀层的缓冲层，增加耐磨性的同时能与金结合的更好；(4)预镀金处理：先与镍镀层结合上一层薄金镀层，为了与金结合的更好；(5)镀金处理：为电路板表面镀上一层金镀层。2.2电镀金原理的简介简而言之，电镀就是指借助外界的直流电，在溶液中进行电解的反应，使导电体如金属的表面沉积一层金属或合金层。而厂内一般采用铂金钛网这种材料当镀金的阳极。当电源加在铂金钛网(阳极)和电路板件(阴极) 之间时，电流就会从溶液当中产生进而形成电场。阳极会放出电子产生了氧化反应，同时阴极发生了还原反应达到得到得到电子的目的。阴极附近络合态的金离子与电子紧密结合，以金原子的形式沉积在电路板油墨未覆盖区域的表面。在外加电场的作用下，镀液中的络合态金离子会向阴极定向移动来补充阴极附近所消耗掉的浓度（图1为水平杯镀示意图，图2为垂直电镀示意图）。而电镀金的主要目的是在板件未被油墨覆盖的区域沉积上一层致密的、均匀的、无孔洞的、无缝隙的、无其它缺陷的金镀层。 图1 水平杯镀 图2 垂直电镀 2.3电镀的药水简述 电路板件电镀金工艺一般有两种体系的电镀液：非氰化物体系以及氰化物体系。氰化物体系溶液有稳定性非常高，寿命较长，成本低这些优点但是氰化物却有着其毒性非常之高这一缺点，故而这就需要有严格的管理来使其使用的规范。目前电路板件制造中氰化物电镀金药水中微氰体系是比较常见的。主要成分为：金盐、导电盐、添加和缓冲剂。此种镀液具有非常稳定的体系，相对于氯化物体系的毒性来说是较小的，镀层也较为光亮平滑具有适中的硬度，极低的孔隙率，良好的耐磨性，可焊性能也非常好。而非氰化物体系的电镀金药水常见的金盐以亚硫酸金钠为主，因为亚硫酸根比较容易被氧化，所以它相比较于氰化物体系电镀金药水而言，其工艺稳定性方面肯定要差一些。本论文主要针对说明的是氰化物体系的电镀金工艺。2.4电镀金的设备介绍软金机是电镀金的主要设备，其次需要搭配前处理机与后处理机。其槽体主要被分为六大槽体分别是水洗槽、微蚀槽、酸洗槽、电镀镍槽、预镀金槽、镀金槽。它是由工人穿戴好安全设备后通过手动固定板件在挂架上然后由软金机自动进行运作，依次经过水洗、微蚀、酸洗、电镀镍、预镀金和镀金这六大槽体。每一个槽体都可进行多片板件的镀金，但是电流的调节需特别注意，否则会导致镀层厚度批量性的均匀性不好，导致后续会发生的板件成品均匀性不良从而导致成品板件的报废，影响工司的生产进度不说又浪费公司的成本。而在进行这个以前为保障产品质量并且也为镀金打下基础还需要进行前处理这道工序，这个环节主要作用有两点，其一是对板子进行清洁，对搬运过程中可能出现的残留物去除干净，其二为对板子进行一下微蚀，为之后镀金打下基础。当然镀金之后不可能马上送去检验，为了去除残留在板子上的镀液我们还需对板子进行软金之后的处理，那就是后处理，其实与前处理在作用上无二。2.5电镀的工艺控制参数分析对金镀层性能的影响较大的是电镀工艺参数的控制方面。这里以氰化物体系的镀金药水为例，详细介绍电电镀金需要着重控制的几个重要参数：（1）电流密度：0.11.0 A/dm2一个良好的电流密度范围是任何电镀液都要有的。此良好镀层范围内最小的电流密度称之为电流密度的下限，此良好镀层范围内最大的电流密度称之为电流密度的上限。在绝大多数情况下，当阴极电流密度过低，阴极极化作用就小，因此所形成的镀层结晶晶粒就会比较粗，所以，过于低的阴极电流密度在实际的生产过程当中很少被使用。但是，因为随着阴极电流密度的增大，阴极的极化作用也随之而增大，因此形成镀层的结晶也会跟着变得细致紧密；此外，阴极上的电流密度也不能过大，不可超过允许电流密度的上限值，若是超过了允许电流密度的上限值，由于在阴极的附近严重缺乏金属离子的缘故导致在阴极的尖端和凸出处产生的金属镀层会变成树枝形状或者在整个阴极表面上就会产生如同海绵形状的疏松镀层。从表1：电流密度与沉积速率的关系表中我们可以得出一个结论：金的沉积速率随着电流密度的提高而加快；即金的沉积速率与电流密度成正比关系。表1：电流密度与沉积速率的关系表阴极电流密度 /Adm-2沉积速度/umh-10.13.6阴极电流密度 /Adm-2沉积速度/umh-10.27.20.310.80.414.40.518.00.621.70.828.8135.9因此我们若是想要想增加镀层的表面粗糙程度，关键就在于如何提高电流密度。镀层表面粗糙可以提高镀层可焊性。（此粗糙度肉眼不可见）(2) 温度：4080 镀液温度高于40 以后，温度若继续升高，镀层的粗糙度变化就不是很明显，一般是在100nm 左右。温度升高的同时镀层的硬度将会有所下降。即温度与镀层硬度呈反比例的关系。(3) pH：5.07.0溶液pH值对镀层表面粗糙度的影响趋势为：随着溶液pH浓度的逐渐升高将略微增加其镀层表面的粗糙度，但不会超过在100nm 。但是提高溶液pH 浓度时，那么其所允许的电流密度也将会提高，镀层中的金含量也将随之提高，同时，镀层的硬度和镀层的内应力也将相应的有所下降。(4) 金的质量浓度：820 g/L提高镀液中金的质量浓度，便可以提高电流密度的范围，从而提高金的沉积速度。金的质量浓提高，镀层的光亮程度和镀层的均匀程度都会有所改善。(5) 密度随着镀金液使用的时间逐渐延续，镀液的密度将会越来越大，镀层的粗糙程度也会随之而变得越来越大。另外，由于镀金液金盐质量浓度低，从而其就需要大量的导电盐来支持电极过程的进行，而导电盐的质量浓度又可以通过镀液的密度来反映。(6) 流量：1030 L/min电镀时很重要的一个环节是流量的控制，因为流量的大小影响镀层的性能，虽然影响很小。但若是流量太小的话则离子交换的速度便会变得缓慢，镀层就会变得粗糙；但是若流量太大，金离子还未来得及被还原就被带走了，这样的镀层就会变得疏松。挂镀的气泡则较容易去除。此外，镀金液应使用 1m 以下的 PP 滤芯连续过滤来去除气泡。镀金液不建议使用空气搅拌（空气搅拌会使气泡排出的不干净）来去除气泡。(7) 添加剂 添加剂的主要作用就是帮助电镀能够顺利完成并且使得电镀出来的电路板表面变得平整，因此添加剂在电镀过程中是必不可少的一环。此外添加剂还可以用来改善镀层的表面粗糙程度，但是添加剂在添加时也应该逐步逐步的进行，不可以一次完成；每次添加的总量也最好不要超过5 ml/L，因为添加剂中的中无机成分，极有可能会影响金镀层的纯度，这也会使金镀层的硬度增大。3.镀层的性能分析3.1镀层的厚度及均匀性简析镀层厚度的量测设备可以分为接触式与非接触式两种类型的量测设备。接触式的量测有剖面量测仪等仪器；非接触式的量测有X-ray量测仪和干涉显微镜。而我们公司采用的是AOI量测仪（图3）量测其厚度。不均匀性的计算公式如下：不均匀性的百分比=【（厚度的最大值-厚度的最小值）/厚度的平均值】*2因为有边缘效应的影响，晶圆镀金层边缘较厚，中间较薄。一般公司在镀金后为保障客户对板子进行引线键合和焊接工艺时不会产生质量问题；故而对板子全片均匀性（within-wafer）的要求是小于百分之十（甚至更小）。 图3 AOI量测仪均匀性测试是每批板子必须要做的一项测试，完整的流程为首先需要对板子进行晶相切片（至少3个切片），利用显微镜观察测量其孔铜与面铜厚度，先观察其均匀性；若合格，才可进行镀金这一步；其次，当板子在软金机上经过一遍之后我们取出板件由x-ray机（图4）进行检测，最后测出金厚与镍厚；一般采用九点法测量（图5）。这样测量的好处是测出来数据相对来说比较合理的。经过测量后可得18笔数据。根据其测得结果就可用不均匀性的百分比=【（厚度的最大值-厚度的最小值）/厚度的平均值】*2公式来测得板件的均匀性了。 图4 X-ray量测仪 图5 九点法测均匀性3.2镀层表面的粗糙度分析影响镀层表面粗糙程度的主要因素有：电流的密度、温度、溶液的pH值、密度、循环流量和添加剂的质量浓度。镀层表面粗糙度应控制在100nm左右，粗糙度太大或者粗糙度太小会对引线键合和焊接都会产生不良影响。因此，我们就需要保证镀层要有一定的粗糙度。而且在合理的范围以内板件表面越是粗糙，镀后镀金层与板件结合程度就会越牢固。对于做好的电路板用显微镜（图6）进行目检，观察一下其粗糙程度，而后送实验室用扫描电镜（图7）进行SEM测试。 图6 显微镜 图7 扫描电镜3.3镀层的硬度分析 影响镀层硬度的主要因素有：温度、循环流量、添加剂的质量浓度。镀金工艺之后，镀层硬度也可以通过退火这工序来调节。退火之前镀层硬度大约在 100 HV 左右，在退火条件为 300 保温 30 min 后，镀层的硬度一般是在 60 HV 左右。退火的效果也受到退火设备的影响。3.4镀层的剪应力分析 要测量镀层的剪切应力，镀层的厚度需要在 10m以上。一般工艺要求剪切应力需大于 8 mg/m2。 3.5镀层的键合性能分析 镀层的键合性即为镀层的可焊性。常见的金线直径为 25m，键合温度为135 ，用超声波加强键合。通过拉力测试评价键合性能，业界一般要求拉力在 8 CN以上。4.注意事项1、要求冲洗电路板表面时必须要用去离子水（即蒸馏水）, 因为含钙离子的水会造成镀层晦暗，既影响镀的效果也影响美观。2、进行除油 、微蚀后电路板表面的残渣一定要清洗干净, 否则会发生镀镍和镀金时附着力变差、漏镀、脱镀等现象。3、活化剂的浓度不能过高或过低 ,如果过高就会引起镀镍溶液自身就发生反应从而在需要镀镍时会变得无镍可镀, 如果过低则镀镍所用时间会增加，更有甚者还有可能还会出现镀不上镍的情况；即使镀上镍，对于工厂来说也影响效率。4、电镀镍过程中需要经常搅拌电镀液 ,这样才能使镀槽内保持温度是一致的,也能防止由于产生的气体导致电镀时极化现象的出现从而影响电镀的进程；同时也防止镀后电路板表面出现凸起现象，一举多得。5、电路板镀镍后不能长时间放置之后再镀金。若镀镍后的电路板经过长时间的放置再去镀金则会导致镀镍层容易老化从而失去了活性,这就会导致在镀金时会有镀不上金这种现象发生。6、镀金的过程中, 槽液的pH值需要经常的监控, 一定要控制好,一但控制不好镀上去的金面就容易变红。7、镀金的过程中，镀液槽温度同样也需要经常的监控。如果温度控制的过低，镀金速度会非常慢，影响了厂内效率并且镀金所用时间过长也会导致镀金后表面金属层会发暗呈黑褐色；而温度控制的过高，则镀金层的厚度也会过高，其外观质量就会变差并且表面还可能出现一些斑点或者有深浅不一的现象发生。结论本论文是我在南亚电子实习过程中的一些了解，主要介绍了电镀软金这一工艺，点明了电镀软金的主要作用就是对板子进行表面处理。特别是现今集成电路制造高度发达，这就对电镀软金这项表面处理后镀层的性能有了巨大的考验，如镀层均匀性、粗糙度、硬度、剪应力、可焊性等要求越来越高；但是我们只要选择合适的电镀设备系统和恰当的电镀药水，且控制好相关参数，仍然可以获得性能优越的金镀层来回应业界的需求。本论文主要介绍了电路板镀金的流程，并详细介绍软金的工艺控制参数，之后又以镀层均匀性的测试方法例子，表明工艺参数对于电路板制造来说是极其重要的一环，尤其是电镀软金这一表面处理工艺。致谢经历了6个多月的学习和工作，我终于完成了浅析电镀软金工艺此篇文章。从一开始的选择论文题目到系统的去实现，再到此篇文章的定稿完成，期间所走的每一步对我来讲都是一种新的尝试与挑战，这同样也是