曾 紅 楊邵波 胡 曦

（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

薄金板可靠性研究及金厚控制

曾 紅 楊邵波 胡 曦

（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

針對沉金工藝的PCB板，研究了板面金厚分布的規(guī)律，同時研究了金厚0.03 μm產品的可靠性，進而對金厚的0.03μm板的金厚通過統(tǒng)計控制方法計算設定控制限進行控制，已達到成本控制的目的。

薄金；金厚分布；可靠性；控制限

1 前言

近年來，隨著全球經濟危機的進一步擴大，成本控制已經成為全球制造行業(yè)的主要課題。國內各大制造企業(yè)也紛紛開始從物料成本、人工成本、管理成本、物流成本等多方面入手入手進行成本控制。對于大多數制造企業(yè)，物料成本仍然是其支出的主要項目。在電子組裝行業(yè)，越來越多的企業(yè)開始通過降低對各項基礎物料的要求，來嚴格控制采購成本，如對PCB表面處理鍍層厚度降低要求。本文主要針對化學鍍鎳金工藝中溫度對整個工藝過程及鍍金品質的影響，以期找到合適的解決方案。

2 研究背景

近年來，國內PCB市場受到經濟危機的極大沖擊，訂單的萎縮使公司內部面臨的成本壓力進一步加大。物料成本的節(jié)省是PCB制程中成本節(jié)省的關鍵，而在PCB的生產物料中，沉金工序所用的金鹽無疑是最為貴重的物料，在此情況下，研究對金鹽成本的節(jié)省對降低整個PCB生產的物料成本消耗具有重大的意義。

3 研究目的

公司7月份接到某客戶大批量手機板訂單，表面處理方式為沉金。該板沉金工序成本占總制作成本的25%。在沉金的制作過程中，主要成本消耗為金鹽的消耗，而金鹽的消耗則主要取決于沉金板金厚的控制。此手機板客戶要求的金厚為0.03 μm，而我們日常制作中，出于對可靠性的保證，一直以0.05 μm作為公司金厚控制的下限。目前，出于成本節(jié)省的目的，我們需要對0.03 μm金厚的可靠性及穩(wěn)定性進行評估，以在保證品質的前提下進行成本節(jié)省。鑒于目前沉金工序沒有0.03 μm金厚規(guī)范的生產程序及控制方法，我們需先對目前0.05 μm金厚的制作及測量系統(tǒng)進行評估以作為參考。

4 薄金板可靠性研究

4.1 化學沉金原理

化學沉金分置換型和還原型兩類。置換金也叫浸金，是利用金和鎳的電位差（金標準電極電位為E0(Au+＋e＝Au)＝＋1.691V，鎳標準電極電位為E0(Ni2+＋2e＝Ni)＝－0.25V），使鎳將金從鍍液中置換到鎳層表面的過程，厚度0.1 μm左右；還原型化學鍍金，又稱自催化鍍，含有還原劑，可以沉積出較厚（1 μm左右）的鍍金層?；瘜W鍍金液組成一般包括：金鹽、配位劑、還原劑、穩(wěn)定劑，此外還有一些鍍層表面改善劑、表面活性劑等。為保證可焊性及延展性，鍍金后應充分水洗，并完全干燥，特別是孔內須完全干燥。此外，化學鍍鎳與浸金之間的轉移時間要盡量短，否則會使鎳層鈍化，導致浸金不均勻及結合力差

化學鍍金工序及操作參數如表1所示：

表1 操作參數

當金缸Cu2+＞5×10-6，又或補加金達5MTO時，更換溶液。

4.2 沉金板板面金厚分布數據統(tǒng)計

4.2.1 不同尺寸的焊盤在不同區(qū)域的分布研究

實施方案：在對沉金板進行金厚測量時，我們通常選?。? mm×2 mm）～（4 mm×4 mm）尺寸的焊盤進行測量，但在實際生產中由于板的設計不同、板面的區(qū)域不同等因素，沉金板板面的金厚都會受到一定影響。本次選取批量生產的手機板A型號，在一定生產參數的情況下，隨機抽取一塊板，以九宮格分區(qū)域分析每塊板上不同區(qū)域、不同焊盤的金厚分布情況。根據金厚分布均勻性情況判斷（2 mm×2 mm）～（4 mm×4 mm）的焊盤是否有代表性。

金厚測試數據分布如圖1、圖2所示：

圖1 板1各焊盤金厚分布情況

圖2 板2各焊盤金厚分布情況

分析：（1）從以上統(tǒng)計可發(fā)現，2 mm×2 mm焊盤與φ3 mm不在導通孔邊的焊盤在同一塊板不同的區(qū)域金厚中，均值與極差均最小；

（2）焊盤內有導通孔以及與導通孔相鄰的焊盤在同一塊板不同的區(qū)域金厚中，極差最大；

（3）1 mm×1 mm焊盤在同一塊板同一區(qū)域與其他尺寸焊盤相比，平均金厚最厚。其本身在同一塊板不同的區(qū)域金厚中，極差也較大。

結論：（2 mm×2 mm）～（4 mm×4 mm），且設計不在孔邊的焊盤在同一塊板不同的區(qū)域金厚中，均值與極差均最小，最適合用來作為金厚測試評價的焊盤。

4.2.2 （2×2）mm焊盤在連續(xù)生產中不同掛板位置&不同面（C/S、S/S）之間的差異研究

實施方案：選取B型號板，在一定生產參數的情況下，取連續(xù)生產的4巴板的最外面、中間位置的兩塊板，每塊板取板角→板中間→板角對角線上的三個2 mm×2 mm尺寸焊盤，進行金厚測試。根據金厚分布均勻性情況判斷2 mm×2 mm的焊盤不同掛板位置以及不同面（C/S、S/S）之間的差異情況（注：掛板時C/S面朝外，S/S面朝內）。

不同掛板位置以及不同面整理數據分析結果如圖3所示：

圖3 不同掛板位置以及不同面金厚數據

（1）掛板最外一塊金厚在均值和極差上與中間一塊差異不大；

（2）掛板最外一塊及中間一塊板的C/S面與S/S面間金厚差異也不大；

結論：2 mm×2 mm焊盤在連續(xù)生產過程中金厚穩(wěn)定，不同掛板位置以及不同面（C/S、S/S）之間的無明顯差異。

4.2.3 結論

通過對沉金板板面金厚分布規(guī)律的研究，得到沉金板板面（2 mm×2 mm）～（4 mm×4 mm），且設計不在孔邊的焊盤在同一塊板不同的區(qū)域金厚中，均值與極差均最小，最適合用來作為金厚測試評價的焊盤，不同掛板位置以及不同面（C/S、S/S）之間的無明顯差異。

4.3 0.03 μm金厚的可靠性評估

（1）可靠性評估計劃

（2）測試樣板準備

表2 測試樣板信息

表3 可靠性測試計劃

表4 0.05μm金厚板生產參數及金厚測試結果

表5 0.03μm金厚板生產參數及金厚測試結果

4.3.1.2 可靠性測試計劃

4.3.2 測試板制作

生產參數及金厚測試結果如下表所示：

金厚數據統(tǒng)計如表6所示：

表6 金厚數據統(tǒng)計

說明：（1）按以上生產條件，0.05 μm金厚要求測試板標準PAD金厚為0.061 μm，大金面PAD為0.055 μm；0.03 μm金厚要求測試板標準PAD金厚為0.032 μm，大金面PAD為0.029 μm，超出下限。

（2）從表觀上看，0.03 μm金厚板金色明顯要比0.05 μm金厚板金色白。

4.3.3 可靠性評估結果

4.3.3.1 孔隙率測試

測試方法：硝酸氣體腐蝕法

評估標準：金面0.05 mm ～ 0.25 mm黑斑不超過3個，其中最大的一個黑斑不超過0.375 mm。

孔隙率測試結果如表7所示：

表7 孔隙率測試結果

小結：（1）孔隙率測試中，只有0.05 μm金厚沉金新板符合要求；

（2）在各種不同測試條件下，0.05 μm金厚板各種狀態(tài)孔隙率測試結果均優(yōu)于0.03 μm金厚板；

（3）金厚相同情況下，無論0.03 μm金厚還是0.05 μm金厚，各種條件下ENIG+OSP板測試結果比沉金板稍好，但不明顯；

（4）在各種不同測試條件下，0.05 μm金厚產品耐老化性能優(yōu)于0.03 μm。

4.3.3.2 Ni腐蝕/P含量測試

評估標準：鎳腐蝕長度≤1/4鎳層厚度，7%≤P%≤10%

鎳腐蝕/P含量測試結果如表8所示：

表8 鎳腐蝕/P含量測試結果

小結：新板、老化后的沉金及ENIG+OSP板均無鎳腐蝕情況，P含量達標。

4.3.3.3 可焊性測試

（1）漂錫法測試可焊性

測試條件：錫爐溫度為235 ℃，漂錫時間3.5 s

評估標準：所有焊盤均上錫，焊盤上錫面積≥95%，可焊性測試結果如表9所示：

小結：新板、老化后的沉金及ENIG+OSP板漂錫測試結果良好，可焊性均合格。

（2）潤濕稱量儀或沾錫天平（Wetting Balance）測試

測試條件：測試焊盤大小2 mm×4 mm，溫度設定無鉛255 ℃ ± 5 ℃，Wetting Balance測試儀型號SAT-500，設定參數如表10所示：

表9 可焊性測試結果

表10 潤濕平衡測試設定參數

備注：本次試驗測試參數參考IPC標準J-STD-003A，此參數屬于較嚴格的參數，主要為區(qū)分出不同狀態(tài)板間的差異性，在此參數下測試的結果相對標準的符合性僅供參考。

表11 潤濕平衡測試結果

測試結果如表11所示：

小結：（1）標準符合性：潤濕平衡測試中，新板只有0.05 μm金厚沉金板不符合要求；E-T無鉛三次后沉金板0.03 μm及0.05 μm金厚板均符合要求，ENIG+OSP板0.03 μm及0.05 μm金厚板均不符合要求；加速蒸汽老化后沉金板0.03 μm及0.05 μm金厚板均不符合要求，ENIG+OSP板0.03 μm金厚板符合要求，0.05 μm金厚板不符合要求。

（2）在沉金表面處理板中，0.03 μm金厚板在各種狀態(tài)下可焊性普遍優(yōu)于0.05 μm金厚板。

（3）在沉金表面處理板中，0.03 μm金厚板新板與老化后的狀態(tài)對比變差明顯，0.05 μm金厚板在老化后可焊性無明顯變差。說明0.05 μm金厚板在可焊性方面耐老化性能優(yōu)于0.03 μm金厚板。

（4）ENIG+OSP板由于加入OSP攻擊的影響，加之抽樣量有限，測試結果無規(guī)律性。由于目前無法評估OSP對金面的攻擊，此結果暫不參考。

4.3.4 可靠性評估結論

綜上所述，對于沉鎳金工藝的生產板，若最終產品運用于快捷消費類，且側重于可焊性要求的電子產品，可應用0.03 μm金厚控制。但對于可能放置較長時間后再進行貼裝，以及對可靠性有較高要求的產品，建議謹慎使用0.03 μm金厚控制。

5 0.03 μm金厚穩(wěn)定性研究

5.1 薄金板程序制定

對沉金線針對薄金制作程序，設定為5#程序，沉金時間為5 min，其他參數與正常程序相同。

5.2 生產原始數據采集

試板期間IPQC按照通告要求對每巴薄金程序生產板均抽測1 pcs金鎳厚度，為對該薄金程序連續(xù)生產能力進行評估，選取試板期間連續(xù)生產板C型號金厚數據進行分析。

5.3 數據分析/控制限設定

對原始數據做控制圖，控制圖顯示R圖、X圖存在以下的異常點：

（1）部分點極差超控制線，說明兩面的金厚測試結果存在過大差異。對于C型號，這種差異一部分是由于測量時的異常導致，如焊盤選擇的問題等。另一部分是由于生產的異常狀況，如疊板等。我們將這類極差超出控制線的異常點數據進行剔除；

（2）部分點均值超出控制上線，此七點均值達到0.049 μm ～ 0.054 μm之間，超過規(guī)格上線。這種異?？赡苁怯捎谏a板批量較小，未使用薄金板程序而是用正常程序生產導致。

剔除導致極差及均值超控制線的異常點后，消除同一塊板間的金厚異常差異問題。

測量C/S、S/S面的平均值，進行單值移動全距分析。

統(tǒng)計結果：

X（平均）＝0.040 μm，X（UCL）＝0.048 μm，X（LCL）＝0.031um；

Rs（平均）＝0.0031，Rs（UCL）＝0.0103，Rs（LCL）＝0

5.4 過程能力分析

對此數據進行過程能力分析，得到：

X（平均）＝0.040 μm，X（MAX）＝0.048 μm，X（MIN）＝0.031 μm

σ（Sigma）＝0.004376，CPK＝CPL＝0.781，如圖6所示：

結論：0.03 μm金厚板連續(xù)生產金厚0.67＜CPK＝0.781＜1，說明過程能力不足。因金鹽是貴金屬，在生產過程中將金厚平均值控的較低，導致Cpk偏小，但能滿足生產要求，不需對過程能力進行提升。

6 結論

（1）通過對沉金板板面金厚分布規(guī)律的研究，得到沉金板板面（2 mm×2 mm）～（4 mm×4 mm），且設計不在孔邊的焊盤在同一塊板不同的區(qū)域金厚中，均值與極差均最小，最適合用來作為金厚測試評價的焊盤，不同掛板位置以及不同面（C/S、S/S）之間的無明顯差異。

（2）薄金板與正常金厚板相比，可焊性及成本占優(yōu)勢，但正常金厚板耐老化性能更優(yōu)。對于沉鎳金工藝的生產板，若最終產品運用于快捷消費類，且側重于可焊性要求的電子產品，可應用0.03 μm金厚控制。但對于可能放置較長時間后再進行貼裝，以及對可靠性有較高要求的產品，建議謹慎使用0.03 μm金厚控制。

（3）0.03 μm金厚板連續(xù)生產金厚0.67＜CPK＝0.781＜1，說明過程能力不足。因金鹽是貴金屬，在生產過程中將金厚平均值控的較低，導致Cpk偏小，但能滿足生產要求，不需對過程能力進行提升。

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Research of reliability and gold thickness control in fl ash gold PCB

ZENG Hong YANG Shao-bo HU Xi

This article focused on the PCB of ENIG process, made research the law of distribution of gold thickness on the board. At the same time, we researched the reliability of PCBs with 0.03 μm gold thickness. And then we set control limit to the Flash Gold PCB’s gold thickness though the method of SPC, in order to achieve the purpose of cost control.

Flash Gold; Distribution of Gold Thickness; Reliability; Control limit

TN41 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A文章編號：

1009-0096（2012）08-0047-08

曾紅，副總，理學學士。