化镍浸金制程

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表2 一般化镍浸金制程问题与改善对策
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续表 2
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续表 3
e. 安定剂-防止镍在胶体粒
子或其他微粒子上还原。
f. 添加剂 - 增加被镀物表面
五、 问题原因与对 策Problems/Root causes/Solutions
六、 案例研究 Case Studies
6.1、外观白雾 Cloudy or uneven appearance
化镍浸金后外观常产生白 雾多起因于镍面粗糙，会导致镍 面粗糙或镍沈积紊乱的成因非常 多，常见的成因有：
（1） 铜面粗糙或凹陷 铜面过于粗糙或凹陷会使
磷混入镀层中的反应。因为这些
副反应（尤其是副反应 1）使得
以次磷酸二氢钠为还原剂的酸性
镀液，其镍的还原效率只有约
30～35%。
3.8、浸镀金 Immersion
gold
3.8.1、主成份及其功能：
a. 金氰化钾 KAu（CN）
2：提供
A
u
(
C
N
)
2
错
离
子
来
源
，在
镍面置换（利用 Ni>Au 的离子化
趋势）沈积出金层。
的负电位，使启镀容易及增加还
原效率。
3.7.3 反应式
主要反应：N i 2++ H 2P O 2-
+H2O → Ni+H2PO3-+2H+
副反应
1
：H
2O
+
H
2P
O
2
→
H2+H2PO3-
副反应 2 ：2 H 2P O 2- →
P+HWPO3-+OH-+1/2H2
副反应 1 为产生氢气（次
磷酸 的自 我分 解）、副反 应 2 为
改善有机材料溶出诱发局
部白雾外观之做法，一般亡羊补 牢的做法是以 155℃× 30min 热 烘烤来加强有机材料聚合与硬化 的程度，以减少其溶出量来降低 白雾发生的比率，但过度烘烤有 可能造成铜面氧化过度，将白雾 问题转化成跳镀将得不偿失，根
图 5 此二图分别为白雾区（左图）与正常区域（右图）之金面以 SEM 1500x 拍摄，白雾区域与正常区域相 较之下，其镍层成长排列紊乱粗糙不平，尤其越靠近 Pad 边缘粒径（grain size）较小，即是白雾现象越明 显的区域。
（4） 半塞孔或盲孔内有前 处理药液残留
有半塞孔或盲孔设计的电 路板，在所有使用垂直线设备的 制程中，常会因水洗震荡强度不 足使得药液残留在孔内。化镍金 上前处理药液残留于孔内时会造 成后续化学镍的析镀发生异常或 困难，而产生的品质异常现象就 属白雾、跳镀或孔内镀层盖力不 良最多，一般以加减各药水槽与 水洗槽的震荡频率或强度来克 服，尤其需特别注意微蚀或酸洗
（3） 排除金槽的有机污 染，实务上举凡滤芯本身或滤芯 的处理方式不当都曾是导致金面 变色的元凶之一，有时单靠活性
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图 7 此二图均为孔边异常的 SEM 外观
图8 常见的金面红斑或变色
碳进行过滤吸附也不见得能换回 金槽实贵的槽液寿命。
（4） 「预防」化镍金镍 上水洗水与槽壁发徵，除了勤于 换水、确实清洗槽壁外，似乎别 无他法。
b. 有机酸：防止镍表面产
生钝态。
c. 螯合剂：与溶出的 Ni2+
结合成错离子，抑制金属污染
物。
3.8.2、 反应式：
阳极反应 Ni → Ni2++2e-
阴极反应
Au(C
N
)
2
+
e
-
→
Au+2CN-
总反应
N
i
+
2
A
u
(
C
N
)
2
→
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图2 此三图为不同成因下所造成之化镍浸金白雾外观，金面下的镍层都已遭到严重的腐蚀，但遭剔退的主因 仅仅是外观不良，倘若以Pumice对金表面进行喷砂处理，虽可提高外观的均匀性勉强出货，但是薄金层已遭机 械力严重破坏，覆盖力大减下对于镍面的保护能力也丧失，将更加剧镍层氧化与腐蚀的程度，后续焊锡不良的 风险非常高。
三、 制程机理 Process Mechanism
3.1、线外前处理
图 1 左为 ENIG 板外观；右为放大 3000 倍之 SEM 外观。
层厚度不均的现象，而且留下的 多余无用导线，将可能在电子制 品 运 作 中 产 生 杂 讯 （ N o i s e ）。 b. 采挂蓝式作业，若以同样的 镍槽体积，产能至少是电镀镍金 的 3 倍以上。
ห้องสมุดไป่ตู้
Ni2++2Au+4CN-
四、 品质管制 Quality Management 含允收 规格
下述规范为一般厂之通用 规范，依据不同客户需求也会有 所 差 异 。（ 详 细 规 格 可 能 考 附 录 一：IPC-4552（Specification for Electroless Nickel/Immersion Gold(ENIG)Plating for Printed Circuit Boards）
槽等使用强氧化剂的槽位，实务 上常暂时以手动加减震荡的方式 来厘清是否为震荡不足才造成的 种种问题。
6.2、金机红斑或变色 从热力学的角度来看金氧 化的自由能为正值（△ G>0），理 论上金面氧化反应属于非自发反 应，但实务上仍不时惊传有金面 氧化异色的特例发生，经实际了 解下才发现大都是金面沾附的异 物发生了变色或氧化，为了防止 此一问题发生，浸金槽的作业条 件与管控、化镍金后水洗的质量 与如何降低化镍金成品表面污染 的风险管理变的相当重要。如下
美 容 界 人 士 常 说 ：「 化 妆 前最重要的准备工作，就是将脸 部洗干净」。“化镍浸金”与“化 妆”同属于表面处理工程，只有在 干净的铜面上，才能长出良好的 镀层。 ENIG 前制程的绿漆（Solder
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流程图 A
Mask）工程，在烘烤 S/M 后， 除了暗紫色的严重氧化物外，还 可能有 S / M 残渣（S c u m ）、氢 氧化物等污物附着于铜面上，一 般的酸性清洁剂无法有效去除， 必须靠刷磨或喷砂等机械法进行 清除。
（5）避免高温板，可减缓表 面沾附异物发生变色的速度。
图4 典型的铜面有异物沾附,进而使得化学镍的沈积变得异常粗糙而发生白雾外观,由左上图发现铜面沾附的异 物之多已使得铜面有点状不上镀的情形发生。右上图为刷磨未进行整刷时，对于去除板面异物是百密必有一疏。 左下与中下图为外来的异物被化学镍层包覆其中。右下图为FIB从切镍层后侧视粗糙点之结构，虽可勉强看出 铜镍之间有异常的薄膜被夹杂，但与切片相较也不见其有多高明之处，而FIB与切片分析对于问题的解决能力 仍远不及一些具体的制程管理办法与规定。
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图 6 此二图分别为白雾区域（左图）与正常区域（右图）经剥金后以 SEM 1500x 拍摄之镍面，明显看出白 雾区域耐蚀性较差，薄金置换后腐蚀的情性严重，一般也常伴随白雾区域之金厚度较厚的现像。
本解决之道是在有机材料的选择 与其曝光聚合的条件上多下苦 功。
得化学镍的沈积也变得粗糙或不 平整，此种状况大都可藉由制作 切片得到证实，除了以物理机械 的方式加强铜面前处理，或回溯 镀铜的品质状况来进行改善外， 很难单靠化镍金线上的化学前处 理来克服铜面粗糙程度的巨大差
异，一昧的加强微蚀条件有时反 而会适得其反。
（2） 铜面沾附异物 铜面沾附之异物容易被包
夹于化学镍镀膜内造成镍面粗 糙，解决之道是找出污染源、排除 污染源并进而防止再发，每每狂 打 EDS 分析有无 Si、S、C1、K、 Na 或 Ca…等异常元素，或制作切 片证实异物沾附来推卸彼此的责 任，对于此问题的处理根本无济 于事又耗时费力。
样具备这些功能的电镍金 （Electroplating Nickel and
G o l d ），E N I G 则有以下特徵： a. 无须通电，不需拉导线至每一 待镀 P a d ，不会因电流分布 （Current distribution）造成镀
二、 流程系列 Flow System（流程图 A）
3 . 2 、酸性清洁剂 A c i d Cleaner
酸性清洁剂是利用有机酸 或无机酸去除铜面轻微氧化物， 并含有可降低液体表面张力的非 离子型介面活性剂，将吸附于铜 面之空气及污物排开，使药液在 其表面扩张，达润泾（wetting）效 果，使得后续处理的药液才能顺 利接触铜面。
3.3、微蚀 Micro-etching 由过硫酸钠（S o d i u m Persulfate）及硫酸（Sulfuric Acid）所组成的微蚀液，其功能 为：
日趋复杂的电路板所要求 的不只是做出更小的孔、更细密 的线路、更平坦的焊垫，而且电路 板的最终表面处理必须要能提供 可焊接（S o l d e r a b l e ）、可打线 （B o n d a b l e ），并能低接触电阻 （Contact resistance）等功能。
绿漆之后可在露出铜面选 择镀的化镍浸金（Electroless Nickel and Immersion Gold; ENIG），此表面处理兼具可焊接、 可接触导通、可打线，与可协助散 热等功能于一身，是一种能满足 多重组装需求的制程。相较于同
分有机材料溶出后会产生化学镍 磷合金之沈积紊乱粗糙不平，产 生外观不均匀之情形，即所谓之 白雾。
有机材料溶出所诱发的白 雾现象常有方向性，如防焊绿漆 之周围（一般以 keypad 最容易被
观察到）或半塞孔之周围。局部白 雾同时也造成了局部化学镍磷层 之耐蚀性下降，于后续的薄金置 换反应中会发生较严重之腐蚀， 一般也常伴随金厚度较厚的现 象。
表1 一般化镍浸金板之品检项目
a. 去除铜面氧化层。 b. 减少 S/M 前处理刷磨造 成的沟痕深度。 （过深的刷痕常成为浸金攻 击镍层的帮凶） 3.4、酸洗 Acid dip 浸泡 3～5%（v/v）的稀硫 酸以去除蚀后的铜面氧化物。 3.5、预浸 Pre-dip 本槽的稀酸浓度与活化槽 相同，浸泡之后不经水洗直接进 入活化槽，以维持活化槽中的酸 度，并使铜面在新鲜状态（无氧 化物）下，进入活化槽。 3.6、活化 Activation 3.6.1 功能：由于铜面无法 直接动化学镍的沈积反应，所以 必须在铜面置换上一层钯（Pd）， 以作为化学镍反应之触媒（做为 促使次磷酸根氧化的氧化剂）。利 用 Cu>Pd 的离子化趋势，Cu 溶解 后放出的电子使钯离子还原为金 属态。
（3）有机材料溶出leaching out
PCB 常见之有机材料溶出 类型有（1）塞孔树酯（resin）（2） 防焊油墨（solder mask）与（3） 选化干膜（dry film）等，由于部
图 3 铜表面型态的差异影响了化学镍皮膜的正常沈积，进而产生异常粗糙的镍面。
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电路板湿制程全书
第九章 化镍浸金制程 ENIG
台湾上村 ■周政铭
一、 功用 Purposes
近年在电子产品追求轻、 薄、短、小、高速化、高频化、多 功能化及数位化等因素的驱动 下，在制品内部的电子元组件相 对地要求高整合性，须将许多电 子元组件组合装配于更小的电路 面积内，使得高密度之电子构装 及电路板技术成为必然趋势。
3.6.2、主成份：由硫酸钯 + 硫酸或氯化钯 + 盐酸所组成。
3 . 6 . 3 、主反应： 阳极反应 Cu → Cu2++2e阴极反应 Pd2++2e- → Pd 全反应 C u + P d 2+ → Cu2++Pd 3.7、化学镍 Electroless Nickel 3.7.1、功能：在活化后的铜 面镀上一层 Ni/P 合金，作为阻绝 金与铜之间迁移（Migratoin） 或扩散（Diffusion）的障蔽层。 3.7.2、主成份及其功能： a. 硫酸镍 - 提供镍离子。 b. 次磷酸二氢钠 - 还原剂， 使镍离子还原为金属镍。 c. 错合剂 - 与镍形成错离 子，防止氢氧化镍及生成亚磷酸 镍，增加浴安定性，缓冲 pH 变 动。 d. pH 调整剂 - 维持适当 pH。
提供一些具体的做法供读者参 考：
（1） 避免有镍厚度不足或 有肩薄（corner flatness）的情 形，导致铜扩散（c o p p e r diffusion）至金面后发生金面变 色。
（2） 避免薄金浸镀时间过 长或在金盐浓度过低的情况下操 作，对于 Cu、Fe 或其他「人为偷 偷置换」而来的金属污染进行管 控。