表面處理(OSP，化學鎳金)
14.1 前言
錫鉛長期以來扮演著保護銅面，維持焊性的角色， 從熔錫板到噴錫板，數十年光陰至此，碰到幾個無法克服的難題，非得用替代製程不可：
A. Pitch 太細造成架橋(bridging)
B. 焊接面平坦要求日嚴
C. COB(chip on board)板大量設計使用
D. 環境污染本章就兩種最常用製程OSP及化學鎳金介紹之
14.2.1
種類及流程介紹
A. BTA(苯駢三氯唑)：BENZOTRIAZOLE
BTA是白色帶淡黃無嗅之晶狀細粉，在酸鹼中都很安定，且不易發生氧化還原反應，能與金屬形成安定化合物。ENTHON將之溶於甲醇與水溶液中出售，作銅面抗氧化劑(TARNISH AND OXIDE RESIST)，商品名為CU-55及CU-56，經CU-56處理之銅面可產生保護膜，防止裸銅迅速氧化。操作流程如表14.1。
B. AI(烷基咪唑) ALKYLIMIDAZOLE PREFLUX是早期以ALKYLIMIDAZOLE作為護銅劑而開始，由日本四國化學公司首先開發之商品，於1985年申請專利，用於蝕刻阻劑(ETCHING RESIST)，但由於色呈透明檢測不易，未大量使用。其後推出GLICOAT等，係由其衍生而來。
GLICOAT-SMD(E3)具以下特性：
－與助焊劑相容，維持良好焊錫性
－可耐高熱銲錫流程
－防止銅面氧化
操作流程如表14.2。
C. ABI (烷基苯咪唑) ALKYLBENZIMIDZOLE
由日本三和公司開發，品名為CUCOAT A ，為一種耐濕型護銅劑。能與銅原子產生錯合物 (COMPLEX COMPOUND)，防止銅面氧化，與各類錫膏皆相容，對焊錫性有正面效果。操作流程如表14.3。
D.目前市售相關產品有以下幾種代表廠家：
醋酸調整系統：
GLICOAT-SMD (E3) OR (F1)
WPF-106A (TAMURA)
ENTEK 106A (ENTHON)
MEC CL-5708 (MEC)
MEC CL-5800(MEC)
甲酸調整系統：
SCHERCOAT CUCOAT A
KESTER
14.2.2
有機保焊膜一般約0.4μm的厚度就可以達到多次熔焊的目的，雖然廉價及操作單純，但有以下缺點：
A. OSP透明不易測量，目視亦難以檢查
B. 膜厚太高不利於低固含量，低活性免洗錫膏作業，有利於焊接之Cu6Sn5 IMC也不易形成
C. 多次組裝都必須在含氮環境下操作
D. 若有局部鍍金再作OSP，則可能在其操作槽液中所含的銅會沉積於金上，對某些產品會形成問題
E. OSP Rework必須特別小心
14.3.2無電鎳
A. 一般無電鎳分為"置換式"與"自我催化"式其配方極多，但不論何者仍以高溫鍍層品質較佳
B. 一般常用的鎳鹽為氯化鎳(Nickel Chloride)
C. 一般常用的還原劑有次磷酸鹽類(Hypophosphite)/甲醛(Formaldehyde)/聯氨 (Hydrazine)/硼氬化合物(Borohydride)/硼氫化合物(Amine Borane)
D. 螯合劑以檸檬酸鹽(Citrate)最常見。
E. 槽液酸鹼度需調整控制，傳統使用氨水(Amonia)，也有配方使用三乙醇氨(Triethanol Amine)，除可調整PH及比氨水在高溫下穩定，同時具有與檸檬酸鈉結合共為鎳金屬螯合劑，使鎳可順利有效地沉積於鍍件上。
F. 選用次磷二氫鈉除了可降低污染問題，其所含的磷對鍍層品質也有極大影率。
G. 此為化學鎳槽的其中一種配方。
配方特性分析：
a. PH值的影響：PH低於8會有混濁現像發生，PH高於10會有分解發生，對磷含量及沉 積速率及磷含量並無明顯影響。
b.溫度的影響：溫度影響析出速率很大，低於70°C反應緩慢，高於95°C速率快而無法控制.90°C最佳。
c.組成濃度中檸檬酸鈉含量高，螯合劑濃度提高，沉積速率隨之下降，磷含量則隨螯合 劑濃度增加而升高，三乙醇氨系統磷含量甚至可高到15.5%上下。
d.還原劑次磷酸二氫鈉濃度增加沉積速率隨之增加，但超過0.37M後槽液有分解現像， 因此其濃度不可過高，過高反而有害。磷含量則和還原劑間沒有明確關係，因此一般 濃度控制在O.1M左右較洽當。
e.三乙醇氨濃度會影響鍍層的磷含量及沉積速率，其濃度增高磷含量降低沉積也變慢， 因此濃度保持約0.15M較佳。他除了可以調整酸鹼度也可作金屬螯合劑之用
f.由探討得知檸檬酸鈉濃度作通當調整可有效改變鍍層磷含量
H. 一般還原劑大分為兩類：
次磷酸二氫鈉(NaH2PO2H2O，Sodium Hypophosphate)系列及硼氫化鈉(NaBH4，Sodium Borohydride)系列，硼氫化鈉價貴因此市面上多以次磷酸二氫鈉為主 一般公認反應為：
[H2PO2]- + H2Oa H+ +[HPO3]2- + 2H(Cat) -----------(1)
Ni2+ + 2H(Cat)a Ni + 2H+----------------------------------(2)
[H2PO2]- + H(Cat)a H2O + OH- + P----------------------(3)
[H2PO2]- + H2Oa H+ + [HPO3]2- + H2------------------(4)
14.3.3無電金
A. 無電金分為"置換式鍍金"與"無電金"前者就是所謂的"浸鍍金"(lmmersion Gold plating) 鍍層薄且底面鍍滿即停止。後者接受還原劑供應電子故可使鍍層繼續增厚無電鎳。
B. 還原反應示性式為：還原半反應：Au+ + e- + Au0 氧化半反應式: Reda Ox + e- 全反應式:：Au+ + Red aAu0 + Ox.
C. 化學鍍金配方除提供黃金來源的錯合物及促成還原的還原劑，還必須併用螯合劑、安定劑、緩衝劑及膨潤劑等才能發揮效用。
D. 化學金配方組成及功用：
E. 部份研究報告顯示化學金效率及品質的改善，還原劑的選用是關鍵，早期的甲醛到近期的硼氫化合物，其中以硼氫化鉀最普遍效果也佳，若與他種還原劑並用效果更理想。代表反應式如后：
還原半反應：Au(CN)-2 + e-a Au0 + 2CN-
氧化半反應式：BH4- + H2O a BH3OH- + H2
BH3OH- + 30H- a BO2- + 3/2H2 + 2H20 +3e-
全反應式：BH3OH"+3AU(CN)z"+30H-， BOz吐 + /2Hz+2H，0 +3Auo 6CN-
F. 鍍層之沉積速率隨氫氧化鉀及還原劑濃度和槽溫提高而提升，但隨氰化鉀濃度增加而降低。
G. 已商業化的製程操作溫度多為9O℃左右，對材料安定性是一大考驗。
H. 細線路底材上若發生橫向成長可能產生短路的危險
I. 薄金易有疏孔易形成Galvanic Cell Corrosion K。薄金層疏孔問題可經由含磷後處理鈍化方式解決。
14.3.4製程重點：
A. 鹼性脫脂：
為防止鈀沉積時向橫向擴散，初期使用檸檬酸系清潔劑。後因綠漆有疏水性，且鹼性清潔劑效果又較佳，同時為防止酸性清潔劑可能造成的銅面鈍化，故採磷酸鹽系直鍊非離子性清潔劑，以容易清洗為訴求。
B. 微蝕：
其目的在去除氧化獲得新鮮銅面，同時達到絕對粗度約0.5-1.0μm之銅面，使得鍍鎳金後仍能獲得相當粗度，此結果有助打線時之拉力。配槽以SPS 150g/l加少量鹽酸，以保持氯 離子約2OOppm 為原則，以提高蝕刻效率。
C. 銅面活化處理：
鈀約3ppm，操作約40℃，一分鐘，由於氯化鈀對銅面鈍化比硫化鈀為快，為得較好的鎳結合力自然是硫化鈀較適當。由於鈀作用同時會有少量Cu+會產生，它可能還原成Cu也可能 氧化成Cu++，若成為銅原子則沉積會影響鈀還原。為使鈀還原順利須有吹氣攪拌，風量約 為0./~O.15M3/M2*min以上，促使亞銅離子氧化並釋出電子以還原鈀，完成無電鎳沉積的動作。
D. 活化後水洗：
為防止鎳層擴散，清除線路間之殘鈀至為重要，除強烈水洗也有人用稀鹽酸浸漬以轉化死角的硫化鈀防止鎳擴散。為促進鎳還原，熱水預浸將有助於成長及均勻性，其想法在提高活 性使大小面積及高低電壓差皆因提高活性而使差異變小以達到均一的目的。
E. 無電鎳：
操作溫度85±5℃ ，PH4.5~4.8，鎳濃度約為4.9~5.1 g/l間，槽中應保持鎳濃度低於5.5 ，否則有氫氧化沉澱的可能，若低於4.5g/l則鍍速會減慢，正常析出應以15μm/Hr，Bath loading則應保持約0.5~1.5)dM2/l，鍍液以5 g/l為標準鎳量經過5個Turn即必須更槽否則析出鎳品質會變差。鎳槽可以316不銹鋼製作，槽體事先以50%硝酸鈍化，並以槽壁 外加電解陽極以防止鎳沉積，陰極可接於攪拌葉通以0.2~0.4 A/M2(0.018~0.037 ASF)低 電流，但須注意不能在槳葉區產生氣泡否則代表電流太強或鎳鍍層太厚必須燒槽。建浴操 作應維持在PH=5~4.7間，可用NaOH或H2S04調整，PH低於4.8會出現混濁，槽液老化PH 操作範圍也會逐漸提高才能維持正常析出速度。因線路底部為死角，易留置反應後所留的殘鹼，因此對綠漆可能產生不利影響，必須以加強攪拌及震動使殘鹼及氣泡去除。
F. 無電鎳磷含量：
一般無電鎳多以"次磷酸二氫鈉"為還原劑，故鍍層會含有一定量的磷約4~6%，且部份呈結晶狀。苦含量在6~8% 中含量則多數呈非結晶狀，當高達12%的以上則幾乎全呈非結晶組織。就打線而言，中磷含量及硬度在500~600HV最佳，焊錫性也以9%最好。一般在添加四回後析出磷含量就會達到10%應考慮換槽，打線用厚度應在130μ以上。
G. 無電金：
以檸檬酸為錯合劑的化學金槽，含金5g/l，槽體以PP為材質。PH=5.1~5.3時可與銅作用，PH=4.5~4.8時可與鎳作用實行鍍金，PH可以檸檬酸調整之。一般操作溫度在85℃，厚度幾乎會停止在2.5μ"左右，大約五分鐘就可達到此厚度，高的溫度固然可加快成長但因結晶粗反而防蝕能力較差。由於大半採置換反應，因此會有不少的鎳溶入液中，良好的管理最好不要讓鎳濃度超過2OOppm，到40Oppm時金屬外觀及附著力都變差，藥水甚至變綠變黑，此時必須更槽。金槽對銅離子極敏感，2Oppm以上析出就會減緩，同時會導致應力增大。鍍鎳後也不宜久置，以免因鈍化而無法析鍍，故鎳後水洗完應儘速進入金槽，有時為了特定狀況則作10%檸檬酸浸泡再進入金槽也能改善一些結合力。
14.4 結語
A. OSP製程成本最低，操作簡便，通常終檢電測完，包裝前作業之。但此製程因須裝配廠修改設備及製程條件且重工性較差因此普及度仍不佳有待雙方努力。
B. 化鎳金製程則因成本極高，會鎖定某些領域的板子如COB，IC Substrate等，不會普及化。
C. 目前也有其它較低成本而仍有化鎳金功能之產品如Pd/Ni，Sn， Organic Silver等，以後陸續會再做探討。
发表于 2003-10-4 16:17:01
发表于 2004-6-10 09:49:35