1、檢驗(yàn)與測(cè)試Inspection & TestPCB鍍金層孔隙率檢驗(yàn)方法研究張宣東趙 麗陳國(guó)輝（珠海元盛電子科技股份有限公司，廣東 珠海 519060） 周?chē)?guó)云莫蕓綺何 波何 為（電子科技大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系，四川 成都 610054）摘 要 表面封裝技術(shù)的興起使有機(jī)可焊性保護(hù)涂層、化學(xué)沉鎳金或電鍍鎳金表面處理在工業(yè)化生產(chǎn)中得到廣泛 的應(yīng)用。但是這三種工藝形成的保護(hù)鍍層較薄，不可避免的出現(xiàn)微孔，產(chǎn)生微孔腐蝕，對(duì)表面品質(zhì)有至關(guān)重要的影 響，孔隙率是評(píng)價(jià)其鍍層連續(xù)性的重要參數(shù)之一。文章分析了目前孔隙率的檢驗(yàn)方法，并介紹一種新型鍍金層孔隙率 檢驗(yàn)方法。關(guān)鍵詞鍍層連續(xù)性；腐蝕；孔隙率中圖分類號(hào)：TN4

2、1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-0096（2009）9-0027-03Research on Testing Method for Gold-Plating Porosity of PCBZHANG Xuan-dongZHAO LiCHEN Guo-huiZHOU Guo-yunMO Yun-qiHE BoHE WeiAbstract The rise of Surface Mounted Technology make the Organic Solderability Preservatives, E-less Ni/Au and Ni/Au plating have been w

3、idely used in industrial production. But the protective coating is thin which engendered by the three technology. Micropore appears inevitably, which has crucial impact on the surface quality. Microporosity is one of the important parameters evaluating the continuity of the coating. This paper analy

4、zes the the current test method of microporosity, and introduces a new type of microporosity test method on gold-plated layer. The test solution is composed of hydrochloric acid, sodium chloride and penetrating agent.Key wordscontinuity of the coating; corrosion; microporosity0 前言電氣、電子產(chǎn)品及裝置在各種各樣的環(huán)境狀

5、 態(tài)下使用，其連接處暴露于空氣中易發(fā)生腐蝕，通 常使用表面鍍金予以保護(hù)。但國(guó)際金價(jià)不斷上漲， 2008年國(guó)際黃金價(jià)格更是突破1 000美元整數(shù)關(guān)口， 金價(jià)的上揚(yáng)進(jìn)一步加劇了印制板生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)成 本，降低鍍金層厚度同時(shí)又不影響其性能成為了印制板生產(chǎn)工藝中的研發(fā)重點(diǎn)。 在降低鍍金層厚度的同時(shí)，要滿足印制電路板焊盤(pán)表面鍍層的防氧化、高可焊性、高導(dǎo)電性和高 散熱性等特點(diǎn)，采用的技術(shù)有：有機(jī)可焊性保護(hù)涂 27層（Organic Solderability Preservatives，OSP）、化 學(xué)沉鎳金和電鍍鎳金表面處理。有機(jī)可焊性保護(hù)涂層工藝的不足之處是所形成的Printed Circuit In

6、formation 印制電路信息 2009 No.9 Summarization & Comment Inspection & Test 綜述 與 評(píng) 論檢驗(yàn) 與 測(cè) 試保護(hù)膜極薄，易于劃傷（或擦傷），必須精心操作和 運(yùn)放。同時(shí)，經(jīng)過(guò)多次高溫焊接過(guò)程的OSP膜會(huì)發(fā)生 變色或裂縫，影響可焊性和可靠性。透明OSP層厚度 不容易測(cè)量，覆蓋面程度也不容易看出，給上游采購(gòu) 商對(duì)這些方面的質(zhì)量穩(wěn)定性評(píng)估造成了不小難度。 化學(xué)鍍鎳金或電鍍鎳金表面處理能夠使得印制 電路板焊盤(pán)表面非常平整，可焊性良好。其次由于 金在常態(tài)環(huán)境中的化學(xué)惰性使其能在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期 內(nèi)保護(hù)PCB焊盤(pán)表面不會(huì)發(fā)生氧化、具有

7、其它表面處 理工藝所不具備的對(duì)環(huán)境侵蝕的抵抗能力及優(yōu)良的 電性能。同時(shí)提高了插拔時(shí)的耐磨性，降低接觸電 阻，提高了連接可靠性。由于目前國(guó)內(nèi)鍍金工藝、材料加工仍存在一些 問(wèn)題，即使經(jīng)過(guò)OSP工藝，鍍金層表面仍有微孔出 現(xiàn)，因此采用如何檢測(cè)和控制鍍金質(zhì)量就具有重要 的實(shí)際意義。孔隙率就是一個(gè)重要的表征鎳金表面 鍍層連續(xù)性的指標(biāo)。本文分析了常用孔隙率檢驗(yàn)方法，并以經(jīng)過(guò)電 鍍鎳金工藝和OSP工藝的PCB焊盤(pán)樣品為例，研究一 種新的檢驗(yàn)鍍金層孔隙率的方法。1 常用孔隙率檢驗(yàn)方法123目前對(duì)金鍍層表面孔隙率的檢測(cè)方法主要分為 三大類：（1）氣體暴露法；（2）電解顯像測(cè)試方法；（3）鹽霧試驗(yàn)。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB

8、/T 17720-1999（金屬覆蓋層 孔隙率試驗(yàn)評(píng)述），GB/T 4677-2002（印制板測(cè)試方法），GB/T19351-2003（金屬覆蓋 層 金屬基體上金屬覆蓋層孔隙率的檢驗(yàn) 硝酸蒸汽試 驗(yàn)）中對(duì)銅基體上鎳金鍍層的孔隙率檢驗(yàn)方法做了 詳細(xì)規(guī)定。1.1 氣體暴露法該方法中使用的氣體主要有二氧化硫、硫化 氫、氯氣、硝酸蒸氣等。對(duì)試驗(yàn)試劑、試驗(yàn)裝置和 試驗(yàn)環(huán)境有較高要求，并且耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，且所用氣體 均具強(qiáng)烈的刺激性和毒性，對(duì)大氣可造成嚴(yán)重污 染，對(duì)試驗(yàn)操作者也存在安全隱患。檢驗(yàn)結(jié)果是通 過(guò)低倍光學(xué)顯微鏡觀測(cè)銹斑個(gè)數(shù)和腐蝕程度來(lái)計(jì)算 28孔隙率，準(zhǔn)確性受操作人員影響較大。此測(cè)試方法 的可用性和測(cè)

9、試結(jié)果的可靠度都不高。1.2 電解顯像測(cè)試方法該方法主要有丙烯酰胺電解試驗(yàn)、丁二酮肟紙電解現(xiàn)象試驗(yàn)、環(huán)己二酮二肟紙電解現(xiàn)象試驗(yàn)，這 種方法操作簡(jiǎn)單，檢驗(yàn)結(jié)果受操作人員影響較小。 缺點(diǎn)是需要專門(mén)的儀器，其測(cè)試紙和顯影劑需要特 別制作，并且涉及到鎳鍍層上金、鈀、銠等鍍層的 檢測(cè)操作是有毒操作，因而只有少數(shù)印制板廠商在 使用。1.3 鹽霧試驗(yàn)該方法主要使用氯化鈉溶液在一定的溫度下，長(zhǎng) 時(shí)間內(nèi)持續(xù)噴霧。這種方法操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是需要專 門(mén)的儀器，耗時(shí)太久，不易準(zhǔn)確計(jì)算孔隙率。目前多 數(shù)印制板廠商用該方法定性地評(píng)價(jià)鍍層質(zhì)量。2 孔隙率檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)42.1 檢驗(yàn)前準(zhǔn)備（1）取經(jīng)過(guò)電鍍鎳金工藝和OSP工藝的PCB

10、成品 板單件做試樣，每一整板上不少于3個(gè)單件。試樣要 有裸露的鍍層，如金手指、接地銅皮、焊盤(pán)等，用 乙醇清洗表面除油。（2）制作能夠置于低倍光學(xué)顯微鏡內(nèi)的帶刻度 網(wǎng)格，具體方法：設(shè)計(jì)直徑23 mm，線寬0.1 mm的 圓型菲林底片，圓內(nèi)為正方形網(wǎng)格，網(wǎng)格間線距1 mm，網(wǎng)格線寬0.1 mm，在網(wǎng)格內(nèi)四角標(biāo)出刻度，刻 度間距為0.1 mm，刻度線寬0.1 mm。如圖1所示，將 圓型網(wǎng)格裝于20X光學(xué)顯微鏡的目鏡下。（3）用橡皮或木塊制作一個(gè)斜面體。尺寸為5 mm圖1 目鏡下網(wǎng)格形狀圖2 斜面體高，25 mm長(zhǎng)，15 mm寬，傾角tana為0.2，見(jiàn)圖2。2.2 檢驗(yàn)溶液成分與配制檢驗(yàn)溶液的成分如

11、表1。 Printed Circuit Information 印制電路信息 2009 No.9Summarization & Comment Inspection & Test HCl22.7檢測(cè)溶液 基體金屬或下 鍍層成分名稱 成份含量/% 層鍍層金屬表1 溶液成分NaCl0.52.0銅、鎳鎳/金綜述 與 評(píng) 論檢驗(yàn) 與 測(cè) 試到鍍鎳層，并與鍍層鎳發(fā)生氧化還原反應(yīng)，鎳被溶 出，留下微細(xì)針孔，在低倍顯微鏡即可觀測(cè)和計(jì)算 微孔數(shù)量。其反應(yīng)機(jī)理如式（1）。Ni2HClNiCl2H2（1）氯化鈉為體系提供了電解質(zhì)環(huán)境，金屬鎳作為 滲透劑0.020.2 其中滲透劑是含有如下一種或一種

12、以上表面活 性劑的復(fù)配劑：脂肪醇聚氧乙烯（56）醚、脂肪 酸聚氧乙烯醚、烷基萘磺酸鈉、二丁基萘磺酸鈉和 丁基萘磺酸鈉等。滲透劑的作用增強(qiáng)溶液的滲透作 用，提高檢驗(yàn)溶液與鍍層的接觸程度。檢驗(yàn)溶液的配制：在250 ml的容量瓶?jī)?nèi)加入100 ml的去離子水， 量取11.77 ml 15.88 ml 36%濃HCl，混合均勻，加 入1.25 g 5.00 g NaCl，再加入濃度為10%的滲透劑 0.50 ml 5.00 ml，完全溶解后加入去離子水至刻度 線。HCl與NaCl均用分析純級(jí)。2.3檢驗(yàn)步驟（1）控制溫度在21 24 ，將試樣浸于溶液 內(nèi)，靜止5 min 8 min，取出并用吸水紙吸去水

13、分。（2）將試樣放在斜面體上，用20X光學(xué)顯微鏡觀 測(cè)。移動(dòng)試樣，避免鍍層邊緣位置，觀測(cè)孔隙。（3）計(jì)算孔隙率。選擇連續(xù)網(wǎng)格為觀測(cè)區(qū)域， 并且總觀測(cè)區(qū)域不小于總鍍層面積的50%，數(shù)出孔隙 數(shù)，計(jì)算孔隙率（孔隙數(shù)/平方厘米）。孔隙計(jì)算按 照表2進(jìn)行，孔隙的直徑由網(wǎng)格上的刻度測(cè)量。表2 孔隙大小計(jì)算方法孔隙尺寸計(jì)算孔隙個(gè)數(shù)最大直徑0.05mm00.05mm最大直徑0.1 mm10.1mm最大直徑0.2mm2最大直徑0.2mm53 檢驗(yàn)溶液和鍍層間的反應(yīng)機(jī)理3.1反應(yīng)機(jī)理?yè)闲杂≈齐娐钒鍙S商為增加產(chǎn)品的耐撓曲性， 鍍鎳金層很薄，一般鎳層約1.5 µm，金層0.02 µm 0.1 &

14、#181;m。鍍金層極薄，為達(dá)到鍍金層的有效覆蓋保 護(hù)，生產(chǎn)中使用有機(jī)可焊性保護(hù)涂層作為鍍金層的 封端劑。保護(hù)涂層是極其微薄的保護(hù)膜，不與鹽酸 反應(yīng)。測(cè)定孔隙率的反應(yīng)機(jī)理是在酸性溶液中，鹽酸 在滲透劑的作用下通過(guò)未被鍍金層覆蓋的孔隙滲入腐蝕原電池的負(fù)極，金作為腐蝕原電池的正極，形 成腐蝕原電池，加速了本來(lái)存在的針孔腐蝕，。針 孔腐蝕作用如圖3所示。 腐蝕原電池電極反應(yīng)如式（2）、式（3）。 原電池反應(yīng)負(fù)極：Ni2eNi2+（2）圖3 針孔腐蝕原電池反應(yīng)正極：2H+2eH2（3）3.2 試樣放在斜面體上觀測(cè)原因圖4 平面觀測(cè)與傾斜觀測(cè)的反射對(duì)比由于鹽酸不與銅反應(yīng)，當(dāng)針孔內(nèi)的鎳溶出后底 層是銅層，

15、當(dāng)光線照射時(shí)，金面反射光線，孔洞也 能反射光線，從而減弱孔洞與金面的區(qū)分度，在光 學(xué)顯微鏡下無(wú)法分辨孔隙。因此采用傾斜角度增大 反射區(qū)分度，如圖4。3.3 檢驗(yàn)溶液各成分的作用和溫度時(shí)間的影響HCl的作用：檢驗(yàn)溶液的主要成分，提供酸性環(huán) 境，與裸露的鎳反應(yīng)。NaCl的作用：提供離子，加速針孔腐蝕作用。 滲透劑的作用：作為耐酸滲透劑，增強(qiáng)溶液的滲透作用，提高檢驗(yàn)溶液與鍍層的接觸程度，對(duì)反 應(yīng)有促進(jìn)作用。溫度：溫度對(duì)反應(yīng)速率影響顯著，溫度過(guò)高29 反應(yīng)迅速，孔隙擴(kuò)大最后導(dǎo)致鎳層被溶解，金層脫 落。應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)條件，選擇合適溫度。時(shí)間：浸泡時(shí)間對(duì)孔隙影響較大，時(shí)間越久，（下轉(zhuǎn)第58頁(yè)）Printed

16、Circuit Information 印制電路信息 2009 No.9 Summarization & Comment Environment Protection 綜述 與 評(píng) 論環(huán)境 保 護(hù)通過(guò)清潔生產(chǎn)審核，并借助 EMS 管理體系， 今后要形成一種制度，包括把審核成果納入組織的 日常管理軌道、建立激勵(lì)機(jī)制和保證穩(wěn)定的清潔 生產(chǎn)資金來(lái)源。并結(jié)合公司的CB及QC小組提案活 動(dòng)，不間斷地鼓勵(lì)一線員工對(duì)生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備等方 面提出改進(jìn)意見(jiàn)和方案，并建立課題評(píng)價(jià)和獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，穩(wěn)定地推進(jìn)該項(xiàng)工作的持續(xù)開(kāi)展和深入。對(duì)企 業(yè)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中的各項(xiàng)環(huán)境行為做切實(shí)的記錄，并定 期評(píng)審。通過(guò)每一個(gè)人的努力使我

17、們資源更有效地利 用，減少對(duì)地球環(huán)境的索取，保護(hù)我們的生存環(huán) 境，保護(hù)我們賴以生存的地球。 （上接第29頁(yè)） 溶出的鎳越多，孔隙越大，但是時(shí)間過(guò)久會(huì)造成鎳 層完全溶解，金層脫落，一般5 min為宜。4孔隙率檢驗(yàn)結(jié)果分析一個(gè)樣品上有不同的裸露的鍍金區(qū)域，本文分 別對(duì)壓平手指、插頭手指和接地銅皮進(jìn)行檢驗(yàn)。 4.1 樣品經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)溶液處理的前后對(duì)比（以不 合格品為例）圖5經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)溶液處理的前后金相對(duì)比從圖5可以看出，經(jīng)檢驗(yàn)溶液處理前后的金相 圖片有明顯的不同，檢驗(yàn)溶液中的鹽酸在滲透劑的 作用下通過(guò)未被鍍金層覆蓋的孔隙滲入到鍍鎳層， 發(fā)生原電池反應(yīng)。從而使孔隙擴(kuò)大，可以在低倍光 學(xué)顯微鏡下觀測(cè)到。4.2

18、溫度對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的影響分別在溫度22 、30 的條件下，合格品與 不合格品經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)溶液處理中。通過(guò)圖6可知，溫度 對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果影響不大，因此檢驗(yàn)溶液能在較廣的溫 度范圍內(nèi)使用。通過(guò)合格品和不合格品的對(duì)比可知，檢驗(yàn)溶液58同樣能很好的區(qū)別出合格品和不合格品，如圖6所 示。通過(guò)對(duì)孔隙直徑加權(quán)處理，計(jì)算出孔隙率。根 據(jù)我司大量實(shí)驗(yàn)計(jì)算出孔隙率每平方毫米不大于5個(gè)為合格品（僅供參考）。圖6溫度對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的影響5總結(jié)（1）檢驗(yàn)溶液主要成分為鹽酸、氯化鈉及滲透 劑，不與有機(jī)可焊性保護(hù)涂層反應(yīng)，測(cè)定的孔隙率 是封端后的孔隙率，真實(shí)表征了表面鍍層的質(zhì)量。（2）采用溶液浸泡法，觀測(cè)使用低倍光學(xué)顯微 鏡，利用斜面體能夠輕易觀測(cè)到薄金鍍層上的微小 孔隙。在顯微鏡內(nèi)放置帶有刻度的網(wǎng)格菲林，并對(duì) 孔隙大小進(jìn)行加