smthome_化镍浸金量产之管理与解

化鎳浸金量產之管理與解困台灣上村公司研發部經理周政銘TPCA技術顧問白蓉生一、前言化鎳浸金（ENIG）大批量生產之自動連線可分為三大部份:(1)前處理：綠漆後之刷磨、微蝕（或酸洗）、水洗、吸水滾輪與熱風吹乾之水平連線，將烤綠漆造成待鍍銅面的過度氧化物，進行機械法為主化學為輔之徹底清除。(2)本製程：逐槽上下進出操作，自脫脂起至金回收與水洗，共約十站。(3)後處理：又改回水平連線，含冷水沖洗、純水漂淨、與吸水滾輪，熱風快速吹乾及徹底再吹冷等。然後再進入後段流程；如印白字（目前已有先印UV型白字，並稍加烤硬以增強耐化性）與切外形及品檢，之後還須再連線水洗與烘乾，才能包裝出貨。圖1.此二圖天車式ENIG的自動生產線，都是出自台灣本土的供應商；右為競銘公司左為巨基公司之設備。依配件與產能的不同，造價約自台幣200-400萬不等。由於上述之前處理，本線與最後工作等三段，不一定是在同一廠地同一時間所進行，故其運輸與暫存之動作皆應儘量避免潮濕（如小孔內的濕氣）與高溫，以減少後續底鎳層的繼續劣化（Degradation）。本文將從三段式自動連線的實務管理說起，再分別引申到三大品質問題（露銅、長胖與變色）的現象、原因，與影響等深入說明，並同時提出有效的解困辦法，希望對業者在實務上有所幫助。二、上游製程及前處理ENIG的直接前製程是綠漆（S/M）工程，但影響到孔環或焊墊“長胖”（Extraneousplating）與某些長墊方墊“露銅”（Skipplating）的原因，卻要追溯到更上游的蝕刻成線、剝錫鉛、與綠漆的顯像（Developing）等步驟，現逐一說明之。2.1蝕刻不良──ENIG長胖上游成線蝕刻進行時，若銅箔稜線踏入板面樹脂太深者，蝕刻後密集焊墊邊緣根部附近的板材中，可能還留有殘銅碎瘤。一直要到ENIG後才可能發現墊邊長胖或局部突出等惡性擴張，此時不但要追究蝕刻製程，甚至還要遠溯到壓合與銅箔去。另外要注意的是，蝕刻後線邊墊邊之上緣，是否出現不良的“懸邊”（Overhang），這種隨時會斷的鬼東西經常會帶來麻煩。圖2.此四圖皆為線邊或墊邊局部長胖的實例，原因出自銅瘤的殘存與三大參數過高所致。上二圖為俯視圖，下二圖為斷層切片圖。2.2剝錫不良──ENIG露銅蝕刻成線後的剝錫鉛（或剝純錫）也要小心，須注意其電鍍銅表面，是否尚留有剝除未盡的淺灰色IMC存在。果真如此，則各種刷磨與酸咬都奈何不了他，最後恐將難逃露銅的宿命。因銅面上一旦有Zn、Cd、Pb、Sb、Bi、S、Cr等“毒藥”之殘跡時，都將強力抑制化鎳皮膜的生長，其中尤以錫（Sn）、鉛（Pb）、與硫（S）等經常會出現在板面的銅墊上，去除未盡時即有可能露銅，而鉻（Cr）甚至只要2-3ppm，化鎳皮膜的生長就會打烊。2.3NPTH孔壁鈀層鈍化之硫醇殘跡──ENIG露銅現行的NPTH做法，已經不再逐一塞入小辣椒以節人力。代而起之的是在一次全面鍍銅後貼乾膜時，順便將NPTH也都一併蒙上，於是二銅錫鉛與蝕刻後，雖然各NPTH的孔內已被咬得全無銅壁，但化銅前陰魂不散的鈀層，卻絲毫無損不動如山。這種板子一旦進入ENIG之中，其不該上鎳上金的非通孔，對於ENIG的接納卻絲毫不遜正常焊墊甚至過之，不免令人為之氣結。圖3.此二圖均為焊墊露銅的典型例子，若非槽液整體活性不足，即可能是單獨墊面負電性尚不夠強，或銅墊表面已遭污染所致。於是剝錫鉛之前只好先將板子浸泡一種硫醇槽液，以鈍化掉NPTH孔內的鈀層，而於後來ENIG之際不再作怪。不幸的是硫醇處理後沖洗不潔時，難免就會帶硫進入剝錫鉛槽，使得剝後的銅墊或側緣也多少沾上了硫。銅面的硫是化鎳反應的死對頭之一，因而想要徹底防止露銅就難上加難了。2.4綠漆品質不良──ENIG露銅綠漆本身的耐化性（ChemicalResistance）要夠好，才能耐得住ENIG高溫長時間的化學攻擊（平均82-86℃，兩槽共約20-30分鐘）。各種S/M中以PSR-4000的Z-100型的耐化性最好（但解像度卻不見得傑出）。大凡此項本領不佳者，ENIG之後的綠漆色澤將會被漂洗而變淺。也就是說綠漆配方中的若干有機物已溶入化鎳浸金槽液中，久之勢必帶來為害不輕的污染。通常銅面的綠漆厚度不宜低於0.2mil，否則ENIG之後常會出現發白的現象，也是被退的缺點之一。2.5綠漆顯像不良──ENIG露銅綠漆顯像不足常使銅墊上留有未能盡除的透明殘膜（Scum），此殘膜中不但含有Na2CO3與消泡劑，並另有已溶入的綠漆成份，一旦附著銅面而又遭後續之高溫烘烤，就會將與銅面勾搭成為難以去除的“錯化物”（ComplexingCompound），而不僅只是稀鬆平常的氧化物（Oxides）而已。圖4.左圖為孔環及孔壁有Scum存在，致使ENIG後之露銅情形；右圖係表面焊墊上因殘膜存在而發生的露銅情形。圖5.此手機板上應鍍ENIG的區域，居然還看得到相當多量如假包換的綠漆，靦不知恥的占住位子不肯離開，根本不是什麼陰魂不散的透明殘膜，其管理之粗心馬虎未免太過離譜。圖6此為被壓入微點狀的綠漆殘膜，所造成後續ENIG微露銅的缺失。左為350倍畫面，右為800倍畫面。可清楚看到露銅區內的刷痕，及ENIG衝到邊緣圍攻不進，卻另往上空發展的生動外貌。且EN本身的球面結晶也晶瑩剔透粒粒可數。2.5.1顯像後水洗不良，或吸水滾輪的再污染──ENIG露銅此處水洗的對象是大量濕滑的鹼性物質，必須要用充足的自來水沖洗才完全清除。純水僅具沖淡作用根本洗不掉鹼性化學品，一律用純水清洗，是有錢而無知的蠻幹法。正確操典是在快速烘乾之前才過門純水，以避免不良水痕的附著。您若不服氣，可試試抹了肥皂的雙手，一手沖純水另一手沖自來水，效果如何連三歲的娃娃也能立判。真相就是如此簡單，千萬別臉紅脖子粗糗事又不止這一樁，幹嘛還磨不開！圖7.此二圖之墊面較暗者為ENIG之鍍面，周圍不規則淺色環繞者是綠漆顯像不潔惡名昭彰的透明殘膜（Scum），顯像不良應負最大責任。有時候顯像與水洗都還不錯，但熱風吹乾前的陳年吸水滾輪，卻是出奇的骯髒，反而把洗淨的板子又給滾塗成了殘膜的附著，成事不足敗事有餘。只要用手去摸摸吸水輪面有無滑滑膩膩，就知道是否該洗該換了。任何看不見的Scum只要烘烤老化變質（與銅金屬發生錯化反應）後，想要在正常流程中去徹底清除，堪稱機會不大。不過一般在噴錫板操作時，這種惱人的殘膜反而是芝麻小事一椿，高溫強風與助焊劑的聯手，甚至一次不夠再加一碼下，早已灰飛煙滅無影無蹤了。2.5.2烘乾未冷透即疊板，造成銅面異常氧化──ENIG長胖或S/M破邊顯像及連線水洗烘乾冷卻後，進入下一站熱烤硬化前常需暫存或搬運，以配合生產計劃或不同場地，倘未乾透冷透而逕行疊板者，中央部份銅面的異常氧化就會上演，又經S/M長時間烘烤後，斑點或駁面都將一一亮相。此異常氧化一旦出現在“綠漆設限”（SolderMaskDefined）的邊緣，當其進入前製程與ENIG本線的微蝕槽時，藥水對該種厚氧化銅的鬆軟區，將會集中力量大肆攻擊，造成S/M正下方被側攻侵入，以致綠漆失根掏空。加以ENIG更會在毛細作用的幫忙下趁虛而入，形成另一種檯面下的“長胖”。圖8.左圖為某高級組裝板中之大型BGA安裝焊接區，外圍係孔環與圓墊之啞鈴組合，其環邊與墊邊的綠漆，即屬“CopperDefined”類。但中心區銅面上的綠漆則卻另屬“S/MDefined”者。後者一旦微蝕過度，則將出現挖牆腳之不良橫向滲入，難免引發許多後患(另見圖30)。有時S/M中並未異常氧化，但若前後連線的兩道微蝕過度發威時，也會在綠漆著落與銅面交界處，發生這種挖牆腳的情形。而且這種粗心大意的“熱疊板”（即使有隔紙之下），也常在其他水洗烘乾連線中不斷發生，只是管理者難以發現而已，夜班毛病尤其多多。2.6綠漆烘烤硬化後銅面異常氧化──ENIG露銅正常烤漆後其乾淨銅應呈現暗紫紅色，凡經前處理的刷磨與ENIG本線的微蝕，即可得到純潔的銅面。但原本污染不潔的銅面，烤綠漆後極可能會呈現殘膜的頑固附著，ENIG後露銅的機會也將大增。且綠漆也不宜過度烘烤，以防變質脆化以致附著力變差，而增加在ENIG之後的局部破碎脫落。鎳槽與金槽的溫度超過88℃時，也都將會傷及S/M，進而增多露銅的機會。超溫甚至還會有底鎳黑墊的可能。2.7化鎳浸金前之連線預刷清洗2.7.1水壓太小或無水沖洗──ENIG墊邊長胖或嵌入綠漆烘烤S/M後暗紫色的銅面氧化物，須經金鋼刷（指有機纖維的刷毛中沾附有金剛砂者）搭配強力沖水下進行刷磨。正常之刷幅應在0.7-1.0cm之間，壓力太大可能造成綠漆的霧化。一旦無水或水壓不足時，則在缺乏滑潤與沖走下，會造成在墊邊聚集或綠漆嵌入之銅粉，此時的綠漆外觀會呈現局部黑斑。進入ENIG的本線時就會在鈀槽中接受活化的款待，後站中就會冒出不該有的鎳金。此等敗績不但形成局部墊邊長胖，且綠漆表面的鎳金還很不容易摳掉呢。圖9.此二圖皆為刷磨時綠漆表面遭銅粉強行嵌入，造成事後無法允收的缺點。通常自動線作業，一直要到最後板子出來時，才會發現早就發生了問題，想要挽救已經太遲。由此可知自動線的完善管理是何等重要！2.7.2維修刷毛減少露銅常用之刷毛以刷出＃1000的粗度為宜。由於水平輸送具有左中右三條跑道，以中央路線的機會最為頻繁。久而久之造成刷毛長短不均影響刷銅效果，常會造成板邊各墊面的露銅。此時應採不鏽鋼板上貼有粗砂紙的“整刷板”，去對刷毛修整維護，以保持均勻刷磨。不過目前手機板流行選擇性ENIG與OSP，兩種皮膜共存的場面，則在做化鎳浸金的前流程時，須用乾膜（杜邦的W-250，即下左圖之藍色者）覆蓋後續OSP管區的銅面。如此一來當然就不能再照章刷磨，以保護乾膜的安全。所剩節目也只能靠微蝕的單獨表演了。圖10.左圖為選擇性局部ENIG製程中所成像的乾膜阻劑。右圖為去掉乾膜後，再針對該等重要焊墊繼續完成的OSP皮膜，此右圖即為兩者並存的畫面。由於OSP各銲點可靠度較好，已受到愈來愈多下游用戶的認同，並指定要做這種兼容並備的工序。圖11.最新手機板上CSP與Mini-BGA之焊墊均已改採OSP，除了必須做為二次焊接的金鐘罩還會用到ENIG以外，其他所有焊接工作全由OSP所包辦了。此種困難製程不但會讓乾膜污染槽液，而且也常破碎脫落的阻劑而報廢板子，左右為難痛苦不堪。2.7.3小型焊墊處理困難──強度不足即使全面能刷的手機板，其基頻區中三、四顆CSP的超小焊墊，也很難得到良好的磨刷成果。此等躲藏在元件肚子底下的微小焊墊，一向是焊性不良銲點不強的隱憂。國立中央大學化工材料研究所，高振宏教授所指導的一篇論文中，曾說明焊點愈小者，其含金比例就相對會增加，一旦超過0.1%時，將可能引發脆性。自從Motorola將之明智改成OSP處理後，已有許多業者先後步其後塵，以加強銲點免於黑墊之後患。Nokia所採取非常手段的摔落試驗（DropTest），也正是針對此種潛在危機而做。2.7.4乾燥不全而疊板之過度氧化──ENIG後某些QFP墊面露銅板子銅面經連線刷磨及微蝕後，還要再過水洗與熱風吹乾，之後疊板的暫存或運輸也要等冷卻之後才能出馬。否則多餘的熱量及水氣，又會造成板中央小孔邊緣銅面的再次氧化。有時整批放置太久也會過度氧化，每每使得QFP長墊的整片露銅絲毫不給面子。圖12.左為板面被動元件之方墊露銅；右中為QFP長墊的全支露銅，右上則係呈現邊緣之露銅者（因照相之打光不良，致使金層表面反映出灰綠色）。圖13.左圖皆因載板掛架在鈀槽與後洗中搖動時，互相緊抱在一起大跳貼臉舞，而在S/M上任令鎳層大肆蔓延無法收拾的場面，其原因明顯是出自掛架的問題。注意此種缺點只會出現板子的單面上，背面則完全正常。右圖是QFP連續排墊之間距及周圍，也都被全面性“長胖”所霸占淹沒，這顯然是過度活化與鈀後水洗不良，加上三大參數偏高之下場，造成不該長的地方竟然大長特長，有如洪水暴漲時，河道與路面全然不分的奇景。三、ENIG本線製程化鎳浸金垂直起落的天車連線，共有9-10個製程站，以及其間多槽的流動水洗與純水漂淨。由於板子已無法自走輸送，只得逐一嵌入掛架（Rack）吊上天車，再按既定程式七上八下的進出各個槽站。下表即