杜邦W-250,GPM-220干膜（化镍浸金量产之管理与解困）二

jimmyzhang

三、ENIG本线制程

　　化镍浸金垂直起落的天车联机，共有9-10个制程站，以及其间多槽的流动水洗与纯水漂净。由于板子已无法自走输送，只得逐一嵌入挂架（Rack）吊上天车，再按既定程序七上八下的进出各个槽站。下表即为系统槽站及其操作之简介，并将在随后各小节中详细检讨应注意之事项。


1.热浸脱脂
板子浸洗约三分钟，须将铜面的手印或有机污着物予以清除
洗净。


↓水洗

2.微 蚀
以硫酸／双氧水或过硫酸钠微蚀液，进行一分钟的浸蚀，以除掉铜面氧化物。


↓水洗

3.浸稀硫酸
以10%稀硫酸清洗上述微蚀铜面可能残留的盐类。


↓水洗
↓水洗

4.预 活 化
做为下一站钯活化的预先处理，以保护钯槽不致被带入而污染，板子经本站后无需水洗而可直接进入钯槽。


↓

5.钯 活 化
可使裸铜表面先行置换着落上一层极薄钯金属，做为无电镍层生长的活力来源。


↓水洗
　纯水

6.化 学 镍
板子于高温82-86℃及强力过滤循环的流动槽液中，进行自动还原式（Autocatalytic）之化学镀镍约15分钟。


↓水洗
↓水洗

7.稀酸活化
以5%稀硫酸浸洗约一分钟，洗净镍面可能附着的有机物。


↓水洗
↓纯水

8.浸 镀 金
板子于82-86℃的金槽液中进行置换浸镀10－12分钟，可得金层厚度约2-3駧。


↓

9.金 回 收
镀金后的板子拉起滴液后立即进入此回收槽，使被带出的少许黄金，可自滤心的树脂中而得以回收。


↓

10.快速水洗
板子经此暂短浸洗后，立即手送进入后段冷水冲洗与纯水漂净的水平联机，以及热风迅速吹干，冷却后ENIG全部流程才告一段落。




3.1挂架的管理

　　系以金属为支持，外面包覆PVC或PVDF之耐化学品涂料。由于PVC中含有铅份，用久了难免会溶入高温的镍槽中，对化镍的还原反应将造成伤害。含氟的PVDF虽已无此烦恼但却价格较贵，两者都要注意披覆皮膜的损伤与维修，以减槽钯与镍槽中之落。
　　大面积之薄板在槽液中摇动时，为防止彼此大跳“贴脸舞”起见，挂架要采用Teflon线拉紧做为区隔；厚板者须采上下横梁之卡槽，做为隔离分列之定位。槽液中的挂架要考虑随着飞把(Fly-Bar)进行水平或垂直的振动，以赶走反应所产生的气体（如镍槽中之氢气）。各种摆动振动方式中，以气压缸顶高2-3cm后，再以自由落体摔下之瞬间撞击最为有效，盲孔板甚至要全线各槽都要加装这种气压缸。



图14.钯槽中遭到活化的浮游碎屑被带入镍槽，或镍槽中原有的流浪颗粒，在大环境中均将发育成为金属镍粒子。一旦登陆移民到镀面上时，则可能赖着不走落脚生根成为“垂直长胖”，而与前图2的“水平长胖”前后辉映比美。





　　由于挂架会不断的上下进出各槽液，故死角处与横梁朝上的面积，皆应尽量减少，以避免些许钯液搭便车而带入镍槽，造成挂架各朝上表面的长镍。这种不牢固的碎屑很容易落入镍槽或金槽，经常会带来不少额外的麻烦。一旦连挂架之侧面也镀了镍时，则须以20-30%的稀硝酸进行“削挂架”；不过削后的涂料表面会变得粗糙，后续就更不客气的上镍上金了。全天操作的新挂架，业者经验是2-3个礼拜后就开始长镍长金，长的太快或破损者皆应重新涂装。

3.2微蚀及钯活化

　　微蚀不可过久太强，以防对“绿漆设限”的底铜造成刨根的小动作。微蚀后的水洗也不可太久，以防再次钝化。
　　钯槽中Pd++正常浓度量仅12mg/l（12ppm），室温（25℃-30℃）操作时呈现“维大力”汽水般的淡黄色。补充液则含Pd++120ppm且具深黄色。铜面长钯亦属置换作用，当然就会发生Cu++污染。密线路板类处理时其钯槽含铜量不可超过100ppm，一般板子也应低于300ppm。一旦超出较多时即应弃槽，以免造成后续长镍不顺甚至出现露铜。
　　任何颗粒进入钯槽后都会吸钯而成为固体钯粒的悬浮。若再附着于板面各铜垫的边缘，就会出现“长胖”。故钯槽须用1mm 滤心强力过滤，补充液也要另采专用器皿，以防其它意外的污染。
　　倘微蚀液被带入钯槽时，铜面长钯的速率就将变慢甚至缺钯，使得后续的镀镍也激活不良进而露铜。任何镍药水一旦落入钯槽中，都将使得钯离子被还原析出，而成为黑色金属浮于水面或沾着槽壁，必要时只好换掉钯槽。



图15.挂架上落入镍槽的铜碎、镍屑、或金渣，由于事先已被钯槽所活化，故在镀镍的高温操作中，其等负电位均将大幅下降，甚至低于磷化镍槽液的起镀电位-0.7V，门外汉既然有了证书执照，当然也就毫不客气的逢场做戏大镀其镍了（此图取材Electrochemical Science and Technology，Feb. 1984；p.255）




3.3化镍制程管理

3.3.1化镍用不锈钢槽之保养

　　为了长期高温（82-86℃）的安全操作起见，量产镍槽几乎全用不锈钢（304或316）建造，100L至1250L大小场面都有。现行的正常管理，是当镍金属补充到了4个MTO（Metal Turn Over，指建浴金属量）时就要换槽，通常全天量产者，1000L大槽只能维持三天，即告寿终正寝。
　　此时须立即换上备槽而继续生产，并将旧槽药水抽掉至线外，另行中和 沉淀收集污泥之环保处理。而旧槽的“削槽”则需添加50%体积比（或31%重量比）的强硝酸，溶蚀掉槽壁上的化镍颗粒。同时也对不锈钢槽进行钝化处理（Passivation），以减少再被镀上的机会。
　　许多金属表面处理的教科书上，都说应另加入铬酸（CrO3）才会有更好的钝化效果。只可惜PCB业界的现行废水处理系统中，少有除铬的功能，于是良药也只好束之高阁。

3.3.2正电性槽体防止长镍

　　化镍槽液中任何带有负电性的物体，都会被化镍所还原析附。一般操作中只要其负电位到-0.7V时，就难免钉牢镀上。为了保护不锈钢槽壁与加热器之不被裹胁，乃刻意使用外电源使带有+0.8V的正电位，以免遭到化镍的青睐。至于负极-0.8V者，则另接数根已钝化的不锈钢棒，刻意使其在电镀过程中牺牲上镍。此种假镀棒的布局，可在大槽的对角各放一支，在液面较低的回水集流区也再加设一支。所施加之正电压却不可太高（应1V以下），以防槽壁反遭电流与SO4=之盲目围攻。
　　削槽洗槽的同时，还要用吸尘器将槽底的落屑清除。须知即使少许不起眼的金屑，在高温镍槽中就会变成强力的活化起镀剂，小处不可不慎。

3.3.3化镍槽液的配制与管理

(1)硫酸：

所有量产之化镍配槽或添加补充，均须采用专业供货商的高浓度原液。在ISO-9000出货品质的严加管理下，后续槽液品质出问题的机率并不高。倒是PCB业者为了调整pH值所加入的硫酸或氨水，反而令人捏把冷汗（钯槽也有相同的烦恼）。常用试药级的硫酸中约含铁15ppm，ENIG操作之铁量不可超过0.5ppm，否则在Fe++"Fe+++的氧化过程中，钯离子将顺势还原成为黑色皮膜，到处漂浮无穷纰漏。

(2)纯水：

配槽或清洗所用之纯水也要特别留意，由于纯水中已不含杀菌的氯气，故储槽中很容易生长霉菌。有时甚至连管路出口的龙头内缘，都会因死的活的堆积太多厚厚而发黑。您若不信邪，食指一摸即可真相大“黑”如假包换。一般长菌的纯水槽壁，常会有油油滑滑的感觉。有菌的纯水当然不能派上用场，金槽中尤其是“代志大条”，下文会另加说明。

(3)加热与加药：

加热区与加药区最好都安排在过滤机出水口附近，以达到良好搅拌与尽情分散的效果，避免造成三大参数的剧烈变化，减少镀层的异常演出。

(4)进槽的污染：

板面直立进出槽液时，其通孔本身却是个个横躺，前处理各槽液一旦被带入时（小孔深孔尤甚），高温胀松下势必纷纷开溜，不但污染镍槽本身，而且PTH附近的铜环铜垫，正常发育的镍层也将遭到压抑。

(5)三大参数：

化镍沉积的pH（4.5-4.8），液温（82-86℃），与处理量（Loading Factor 0.4-0.6dm2/L，不可低于0.2也不可超过1.0），是主宰反应快慢的三大参数，必须采用精密仪器，执行自动添加与全程监控。且应定时线外分析进行比对其数据（量产者每班一次）。


凡此三参数上升者，都可能因过度活化而长胖（因其主还原剂Na2H2PO2次磷酸二氢钠，要在高咸中活力才会强）；反之三大条件不足时，亦将会导致起镀不良甚至表演露铜。老手们都有这种经验，每天一大早的第一架，总是偶而泄气露铜不给面子，彷佛是神不守舍沉睡未醒一般。在第一挂的牺牲打（Dummy plating）之后槽液中充满氢气时，才会逐渐赏脸出现活性。此等充满氢气士气大振的故事（注意Loading太低者也不易反应），早在化学铜的操作中就已有历史记载。不过对于金槽而言，此种打气加油则大可不必了。有经验的业者甚至还设计了不同的程序，以应付不同停机待料的再激活作业，以减少无谓的露铜报废。

(6)笔镀救板：

一旦少许一两个垫面露铜而造成全板报废的话，实在是暴殄天物十分可惜。某些情况下也许可采刷镀或笔镀方式（Stylus plating）抢救回来。所用药水可采ENIG者或专用电镀药液，当然其金之面色差是在所难免，最好先向客户说明，取得谅解下才再放行出货。

3.4浸金制程管理

3.4.1酸性金水中含金量约0.6-0.8g/L，代工厂仅0.2-0.3g/L。一般之铜污染不可超过5ppm，一旦少许清洁铜垫在全无镍面覆盖之下，很可能在金水中也发生铜与金的置换，进而造成铜份溶入。当金水中的铜污染量增多时，会常出现金面异常而呈现较红的色泽，使得金与镍之间的密着力也会变差。ENIG的某些焊垫若出现雾雾暗暗时，就可能是无镍的金面。倘有怀疑时，可用剥金液【KCN+(间)硝苯磺酸钠】剥除金层，是镍是铜自必一目了然。

3.4.2金槽建浴用纯水或回收槽纯水，一旦发霉即表已有多量的霉菌带入。此时金水中原配方的有机酸错化剂，加上霉菌代谢的有机物，将使得金水活性更强，其联手腐蚀的化镍层，下场当然很惨。回收水中虽然不会再出现置换反应，但其中的菌类与有机酸的互相帮忙打气，以贾凡尼效应的助虐，仍然会透过金层疏孔而对底镍继续猛咬，不断造成镍层的暗中氧化，迟早会引发黑垫。想要免于恐惧避祸求福，最好的办法就是换掉回收槽，品管严格的大厂，几乎隔天就换少惹麻烦。





四、后制程

4.1 回收之后的彻底水洗，早期多半采80℃ 的热水连续冲洗，及吹干前的热纯水过门。由于因水温经常不足（是否为了节省成本？），水质太脏，反而造成干燥后金面的发红。为了彻底杜绝后患，目前业者在ENIG线内之回收与浸洗出槽后，立即逐片改成水平联机的冷水冲洗与纯水漂净，再以清洁的热风迅速吹干，务必要使活性尚未停歇的ENIG，减少再遭贾凡尼式的持续腐蚀。


4.2 事实上ENIG完工之后，还要执行运输、暂存、白字印刷、切外形与品检等后流程，当然最后仍需用到水平联机的清洁工作。此等看似等闲的洗水与干燥，也应按部就班以避免后底镍继续氧化，减少金面变色发红。疑似变红者只要用手指摸摸还会变得更红，连橡皮都擦不掉。较严重者其底镍可能早已变黑了。





五、归纳整理

　　ENIG量产制程中最常出现的露铜、长胖与变色等三大外观问题，虽已逐一交代如上，但对初学或制程以外的读者来说，想必仍然是满天神佛丈二金刚。为洞悉脉络清楚思路起见，特再提纲挈领整理要点如下，以方便上阵出招时直扑敌魁手到擒来也。

露铜（Skip plating）

1.氧化铜太厚：过度烘烤、温湿叠板、环境不良放置太久。
2.过程污染：残留IMC、毒药附着、硫醇作怪、绿漆溶入镍槽、显像残膜、显后水洗不良、吸水滚轮太脏。
3.活力太弱： 久洗钝化、负电性不足、镍槽未醒、三大参数太低。

长胖（Extraneous Plating）

1.蚀刻不良 ：留有残足。
2.活力太强：三大参数太高、钯后水洗不足、大跳贴脸舞、活性粒子附着。
3.铜粉残留 ：垫边长胖、嵌入绿漆。

变色（Tarnishing）

1.底镍不良：底镍过度置换产生黑垫，致金面变暗。
2.金面异常：金水遭铜污染、霉菌污染金水与回收水、后段水洗不足、后流程污染、终洗不良、温湿叠板。





六、结论

　　笔者曾咨询过多位业界专家，ENIG各种板类的出货量，台湾现已成为全球第一。目前台湾业界之PCB正厂，现有ENIG量产能力者共有20家，合计32条自动线。少者1条线，大公司上千公升大镍槽联机者达4条之多。代工厂共14家合计17条线。以2001年10月的出货量统计，平均月产250万～300万ft2，这还不是生意最旺的数字。











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