選擇性化學鎳金板賈凡尼效應改善

肖勁松

（蘇杭電路板有限公司，江蘇 昆山 215341）

1 選擇性化金板含有賈凡尼效應的前后流程介紹

常規流程：……阻焊——印濕膜（或者干膜）——化金——褪膜——前處理——有機防氧化……

通常的前處理方式為：水平線除油——水洗——微蝕——水洗

賈凡尼效應主要就發生在微蝕段。

2 PCB選擇性化金板賈凡尼效應的產生原因

2.1 賈凡尼效應原理（圖1）

選擇性化金板OSP流程的微蝕過程大多數廠家的微蝕液都是：硫酸+過硫酸鈉體系。與金面相連的銅表面有兩種微蝕反應，即：普通的化學微蝕和電化學微蝕，所謂電化學微蝕就是賈凡尼效應。它的構成條件：（1）有線路連接的兩種活性不同的金屬；（2）兩金屬間有電解質連接，構成閉合回路。

兩極反應：

銅極：Cu-2e→Cu2+E0=-0.337V

金面：S2O82-+2e→2SO42-E0=2.01V

圖1

2.2 選擇性化金板賈凡尼效應產生的原因及位置

常見的手機板，BGA為保證焊接可靠性，使用OSP表面處理方式，BGA中的部分銅焊盤與化金的按鍵相連，在OSP微蝕過程中構成閉合回路，達到了產生賈凡尼效應的條件，所以出現焊盤縮小、斷線等現象。

對上述這種常規的賈凡尼效應缺陷，我公司進行了嚴格檢查管控，沒有發現焊盤縮小、斷線的情況。但卻仍然收到客戶投訴：賈凡尼效應產生的開路問題。這與本司樣板的流程有關?！住韬浮稹姕y試——OSP——……。

按鍵位置小孔需要油墨塞孔，由于擔心油墨上按鍵，塞孔時沒有塞滿，化金前處理后，塞孔位置孔口沒有沉積上金，而OSP除油后卻露出了少量的銅，結果產生嚴重的賈凡尼效應，出現孔口銅厚度減薄，甚至斷銅現象，表觀（圖2）及切片圖（圖3）如下：

圖2 按鍵表觀圖

圖3 按鍵塞孔位置橫切片圖

在溶液中發生賈凡尼效應的示意圖如圖4。

3 賈凡尼效應改善對策研究

3.1 常用的賈凡尼效應改善方法

3.1.1 增大銅面積與金面積比例

一般情況下當銅與金面積比例大于1:200時，在短暫的微蝕時間里，無法蝕刻大量的銅，所以不會造成缺陷的發生。金比例越低越好，越高越危險。

增加OSP銅面積的方法可以是：阻焊多開一些有線路與此金按鍵相連的銅窗口，或者人為添加一些沒有用的銅去進行OSP加工，也有人在焊環加大淚滴設計等等。

關于這方面的解決方案，《印制電路信息》雜志中有多篇論文對此進行了論述，本文不再贅述。

這些方法對常見的BGA焊盤縮小非常有用，但對我司的缺陷卻沒有幫助，因為孔內露出的銅面積沒有辦法控制，在其它地方增加銅又不現實。所以只能另辟新徑。

3.1.2 增加機械前處理

OSP工序的微蝕目的是清潔銅面、增加銅比表面積。為達此目的，除化學方法外，可以考慮用機械物理的方法進行處理，如：噴砂、磨刷等，這樣就可以減小化學微蝕量（降低溫度、濃度，減少處理時間等方法），相應地賈凡尼效應也會減弱。然而，使用機械方法處理，就不得不考慮如下二個問題：

（1）機械處理對金面外觀及厚度的影響；

（2）磨刷對阻焊外觀的影響及是否會變啞色的問題。

設計實驗：測量金厚—— 1000目針刷+噴砂處理——測量金厚——檢查外觀

結果如表1所示。

（厚度測量儀器：X射線熒光鍍層厚度測量儀CMI-900）。

金厚度及板面外觀都沒有明顯變化，所以1000目磨刷+噴砂也是有效改善賈凡尼效應的措施之一。通過減小化學微蝕，我公司的問題得到了一定程度的改善，但沒有徹底解決。

3.2 從原電池原理角度出發的改善方法

表1

在OSP微蝕槽，有化學微蝕和電化學腐蝕，化學腐蝕的速度由藥水類型、濃度、溫度而定；電化學腐蝕速度除前面的因素外，還受兩種金屬活性差別、溶液類型、溶液的導電性能影響。

3.2.1 不同電解質溶液類型的影響

常見的PCB微蝕液類型有：

（1） 硫酸+雙氧水；

（2） 硫酸+過硫酸鈉；

（3） 硫酸+過硫酸鉀；

（4） 杜邦、殷田等專用商業配方藥水。

不同電解質溶液類型有不同的電動勢，正極銅反應是一樣的，所以沒有差別；負極反應取決于氧化劑的類型，它的電極電位決定了電動勢的高低。

第（1）類硫酸雙氧水的電動勢

△E（雙氧水體系）＝1.433V

第（2）和第（3）類都屬于過硫酸根體系，原電池的電動勢基本一樣

△E（過硫酸根體系）＝1.763V

硫酸雙氧水體系由于△E低，所以它比過硫酸鈉微蝕體系的賈凡尼效應更弱。相同微蝕量的前提下，更有利于改善問題。杜邦、殷田等公司開發的藥水配方，原理都是降低△E而達到降低賈凡尼效應的目的。

將我司的OSP微蝕液更換為硫酸雙氧水后，手機板按鍵開路問題降低了，但阻值偏大現象還存在，說明問題還沒有得到徹底解決。

3.2.2 溶液的導電性研究

生產中，我們發現一款正反面拼版的料號，有一半的單元有按鍵阻值偏大現象，而另一半合格。仔細跟進時發現，合格的板都是按鍵朝下的板，按鍵朝上的都不合格。

于是，我們用銅金相連，面積比例1:128的板，設計了三種條件的實驗。

實驗1：OSP水平線放板，速度1.0 m/min，按鍵位朝上；

實驗2：OSP水平線放板，速度1.0 m/min，按鍵位朝下；

實驗3：采用與水平線微蝕段相同時間，浸泡手機板。

（三個實驗都配全銅的測試片測量化學微蝕量）

3.2.3 溶液的導電性研究結果（表2）

很明顯，在銅金面積比確定的情況下，將測試面朝下，可以最大限度地減小電化學微蝕。

簡單分析一下這種現象的原因。電流=電壓÷阻抗，電阻大小與導體截面積呈反比，板面導電溶液的厚度決定了電阻的大小。板面朝下，板面的溶液厚度最少，導電能力最弱；其次是板面朝上，由于“水池效應”，有一定厚度的微蝕液堆積，導電能力居中；最差的是試板泡在溶液中，電阻最小，導電能力最強，銅被咬蝕的最多。

3.2.4 賈凡尼效應問題的解決

找到溶液導電性能這個關鍵因子后，我司優化了此款手機板的設計，原在制版（Panel）拼版為正反設計的，現更改為：按鍵僅在其中一面。

OSP生產前先過1000目針刷，再噴砂。

OSP放板時，危險的按鍵面朝下放置，降低溶液的導電能力。

通過上述三個方法，此款手機板得以成功量產，賈凡尼效應造成的銅層被咬蝕出現孔無銅的現象被徹底根除了。

4 總結

通過上面的實驗及分析，選擇性化金板徹底消除了賈凡尼效應的影響的方法有以下幾個：

（1）設計時增加銅面積，以增加銅金面積比；

（2）OSP前增加機械磨刷、噴砂，降低化學微蝕量以達到降低賈凡尼效應的目的；

（3）選擇電動勢較低的微蝕溶液；

（4）將受賈凡尼影響大的位置，在微蝕過程中朝下放板。（設計時不要正反拼版）

表2