專利名稱:用于模塊化印刷電路板表面處理的合金鍍液的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及金-銀合金鍍液組合物,可應(yīng)用于零件安裝用模塊化印刷電路板(以下稱為模塊化PCB)的表面處理。更具體地,本發(fā)明涉及金-銀合金鍍液,通過在模塊化PCB的焊盤部(pad portion)和接頭部(tab portion)無電鍍鎳,然后將鍍鎳的模塊化PCB的鍍鎳表面在金-銀合金鍍液中浸漬,該溶液形成含有90-99%金和1-10%銀的合金鍍層。
僅在模塊化PCB的接頭部上進行硬電鍍金的原因如下。
形成無電鍍鎳層后僅形成軟鍍金層時,與模塊化PCB上的焊盤部和接頭部的軟焊性好,但由于接頭部的耐磨性不足而產(chǎn)生劃痕,由此因劃痕造成暴露的鎳層腐蝕。同時,形成無電鍍鎳層后僅形成硬鍍金層時,模塊化PCB上的焊盤部和接頭部的耐磨性好,但是焊錫膏的覆蓋性不足,安裝時由于軟焊性不足造成反潤濕。
因此,制作這樣的模塊化PCB時,安裝零件用的焊盤部因在它上面形成軟無電金鍍層而具有軟焊性,重復(fù)脫離和接著的接頭部因在軟無電金鍍層上額外形成的硬電鍍金層而具有耐磨性。
參照圖2,示意性示出了進行傳統(tǒng)的鍍金工藝的模塊化PCB的一個實施方案。
根據(jù)本領(lǐng)域的公知方法,在板1上,形成了圖案化電路(未示出)、焊盤部2和接頭部3,在除要鍍金的部分(焊盤部和接頭部)以外的剩余部分上形成光敏阻焊劑層4。然后,用約85℃的無電鍍鎳液處理焊盤部和接頭部約20分鐘,在它上面形成厚度約3-6μm、含有約5-8%磷的鍍鎳層。
然后,將鍍鎳層表面浸入含有檸檬酸作為主成分的鍍金液中,在其上面形成厚度約0.1μm的軟無電鍍金層6。
在焊盤部和接頭部上形成軟鍍金層6后,用對隨后的硬鍍金工藝時的鍍液具有耐性的干燥膜(或光致抗蝕劑)掩蔽焊盤部。僅在接頭部上形成厚度為約1μm的硬電鍍金層7,然后從焊盤部上除去干燥膜。
但是,上述模塊化PCB的傳統(tǒng)表面處理方法因在硬鍍金過程中需要將干燥膜暴露、顯影和分層這些額外步驟的復(fù)雜工藝,而存在經(jīng)濟效益低、生產(chǎn)率低的缺點。
因此,本發(fā)明的一個目的是提供一種水性金-銀合金無電鍍液,通過單一的鍍工藝,它可以提供模塊化PCB的焊盤部和接頭部各自所需的所有鍍性能。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種水性金-銀合金無電鍍液,它的優(yōu)勢在于工藝簡單、生產(chǎn)率提高和成本低,原因是模塊化PCB的傳統(tǒng)表面處理中進行的軟無電鍍金和硬電鍍金的雙鍍工藝可以用單一的鍍工藝取代。
本發(fā)明的再一個目的是提供使用上述的無電合金鍍液對模塊化印刷電路板進行表面處理的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案,提供模塊化PCB的表面處理用的水性無電鍍液,其中以鍍液的重量為基礎(chǔ),含有1-30重量%至少具有一個磺酸基(-SO3H)的有機酸、0.1-20重量%絡(luò)合劑、0.1-15重量%至少具有一個-S-的硫代化合物、0.05-5重量%水溶性金化合物、0.001-1重量%水溶性銀化合物和0.1-10重量%多價螯合劑。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案,提供模塊化印刷電路板的鍍法,包括下列步驟a)提供形成了圖案化的電路、具有用于安裝零件的焊盤部和用于與外部設(shè)備電連接的接頭部的模塊化印刷電路板;b)在除印刷電路板的焊盤部和接頭部以外的剩余部分形成光敏阻焊劑層;c)在焊盤部和接頭部形成無電鍍鎳層;和d)將鍍鎳層表面浸入所述的水性無電合金鍍液中,在它上面形成金-銀合金鍍層。
圖2是顯示傳統(tǒng)的模塊化印刷電路板的鍍工藝的示意圖。
圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的模塊化印刷電路板的鍍工藝的示意圖。
本發(fā)明的水性金-銀無電鍍液含有有機酸、絡(luò)合劑、硫代化合物、水溶性金化合物、水溶性銀化合物和多價螯合劑。鍍液的鍍原理簡述如下。
鍍前,在模塊化印刷電路板的焊盤部和接頭部上形成無電鍍鎳層?;谙旅娴脑磉M行鍍工藝鍍液中的有機酸部分溶解鎳(Ni)層,在水性條件下被絡(luò)合劑絡(luò)合的金和銀離子由于電位差在鎳層上沉積,形成金-銀合金層。
在本發(fā)明中,至少具有一個磺酸基(-SO3H)的有機酸可以選自甲磺酸、甲二磺酸、磺基水楊酸、苯酚磺酸、氨基磺酸、十二烷基苯磺酸及它們的組合。這樣的有機酸相對于鍍液重量的添加量為約1-30重量%,優(yōu)選為約3-10重量%。如果該量低于1重量%,鎳層不能充分溶解,因此難以形成金-銀合金鍍層。另一方面,如果該量超過30重量%,鎳層過度溶解,從而損害所得的合金鍍層的性能。
絡(luò)合劑可以選自堿金屬的氰化物如氰化鈉和氰化鉀、堿土金屬的氰化物、鐵氰化鉀、亞鐵氰化鉀及它們的組合。絡(luò)合劑相對于鍍液重量的用量為約1-20重量%,優(yōu)選為約0.1-15重量%。當(dāng)該量低于0.1重量%,金銀離子的絡(luò)合程度變低,因此鍍層中的金銀合金比不能保持恒定。另一方面,如果該量超過20重量%,由于金銀離子穩(wěn)定性的增加可以使鍍液中的金銀離子濃度增大,但不能參與鍍的金銀離子損失造成問題。優(yōu)選金銀離子總量與氰化物絡(luò)合劑的摩爾比在約1∶1至約1∶5的范圍內(nèi)。
硫代化合物起穩(wěn)定水性鍍液中的金銀離子的作用,其至少具有一個-S-。這樣的硫代化合物的例子有硫脲、烷基硫脲、巰基化合物、巰基乙酸、硫氰酸鈉(sodium thiocyanide)、硫氰酸銨等。硫代化合物可以單獨使用一種或組合使用,其用量相對于鍍液重量為約0.1-15重量%,優(yōu)選為約0.5-5重量%。該量低于0.1重量%時,導(dǎo)致水溶液不穩(wěn)定,而該量超過15重量%時,導(dǎo)致硫代化合物隨其溶解度而沉淀。
多價螯合劑在鍍工藝中起螯合溶解的Ni和Cu成分的作用,可以選自多羧酸衍生物、氨基乙酸衍生物、次氮基三乙酸衍生物及它們的組合。適合的多價螯合劑的例子有乙二胺四乙酸、二亞乙基三胺五乙酸、N-羥乙基乙二胺三乙酸、1,3-二氨基-2-丙醇-N,N,N’,N’-四乙酸、雙羥苯基乙二胺二乙酸、N,N-二(羥乙基)甘氨酸等。多價螯合劑的用量相對于鍍液重量為約0.1-10重量%,優(yōu)選為約0.5-5重量%。
作為金離子源的水溶性金化合物包括但不限于氰化金鉀和氯化金鉀。這樣的化合物可以單獨使用或組合使用。所述水溶性金化合物的用量相對于鍍液重量為約0.05-5重量%,優(yōu)選為約0.1-1重量%。
作為銀離子源,可以使用任何水溶性銀化合物。適合的例子可以包括硝酸銀、氰化銀、氰化銀鉀、乙酸銀、碳酸銀或它們的組合。所述水溶性銀化合物的用量相對于鍍液重量為約0.001-1重量%,優(yōu)選為約0.02-0.2重量%。在本發(fā)明中,金-銀鍍層中的金銀比在顯示所需的鍍性能方面發(fā)揮重要作用。因此,優(yōu)選將水溶性銀化合物的量調(diào)整至鍍液中水溶性金化合物的約3-8重量%范圍內(nèi)。
在本發(fā)明中,鍍液的pH為約3-7,優(yōu)選約4-5。鍍工藝所需的溫度在約60-90℃范圍內(nèi),優(yōu)選約70-80℃。
上述制備的水性金-銀合金無電鍍液用來在模塊化印刷電路板的無電鍍鎳層上形成合金鍍層,該鍍層含有約90-99%金和約1-10%銀。如果金量低于所述范圍,軟焊性不足。另一方面,如果金量超過所述范圍,由于安裝時焊料的過度鋪展而導(dǎo)致重現(xiàn)性下降。
另外,合金鍍層通常約0.01-0.25μm厚。如果需要可以通過改變工藝條件形成厚度高于或低于上述范圍的鍍層的這樣一個事實,可以被本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解。通常,在本發(fā)明中,在模塊化PCB上形成安裝零件所需的金-銀合金鍍層要進行約5-15分鐘鍍。
為獲得模塊化PCB上鍍層的理想性能,在鍍的過程中可以選擇性地進行預(yù)處理。例如,銅制焊盤部和接頭部均可以進行機械拋光,由此減少表面上的雜質(zhì),然后化學(xué)清除有機物質(zhì)。另外,在形成鍍鎳層以前,優(yōu)選腐蝕銅層表面,然后選擇性地用鈀(Pd)作為催化劑進行處理。
使用本發(fā)明的鍍液鍍模塊化PCB的方法如圖3所示意表示。
在設(shè)有安裝零件用的焊盤部12和與外部設(shè)備電連接用的接頭部13的板11上,通過本領(lǐng)域公知的光刻法形成預(yù)定的電路圖案(未示出)。
然后,在印刷電路板11上施加用于免受鍍工藝中的鍍液影響的光敏阻焊劑(PSR)層14。在光敏阻焊劑層14上施加干燥膜,然后僅焊盤部12和接頭部13上的阻焊劑層被選擇性地通過暴露和顯影分層。
之后,將焊盤部12和接頭部13暴露出來,在上面形成無電鍍鎳層15。形成這樣的無電鍍鎳層的特定方法如下所述。
為防止損壞在焊盤部和接頭部上形成的鍍鎳層15,通過將鍍鎳層表面浸入本發(fā)明的水性無電鍍液中充分的時間以提供金-銀合金鍍層16。
通過以下用來舉例的實施例可以更好地理解本發(fā)明,但本發(fā)明不限于這些實施例。
在下列實施例中,形成了光敏阻焊劑層(ST-2油墨,Dong HwaTamura Kaken Co.,LTD供應(yīng))的模塊化PCB(板尺寸340×510mm,板厚0.80±0.08mm,銅層厚度30-50μm)除銅制焊盤部和接頭部以外的部分用50℃的酸(硫酸,濃度160-200g/l)脫脂3分鐘,用鈀(cata 1845,Yuil Tech Co.,Ltd.供應(yīng))催化,用水洗,并用85℃無電鎳鍍液(EN-1845,Yuil Tech Co.,Ltd供應(yīng))鍍20分鐘。這樣,在焊盤部和接頭部上形成了厚4.7μm的無電鍍鎳層。
如上所述,用水洗滌形成了鎳層的模塊化PCB,在25℃的3%鹽酸溶液中活化處理1分鐘,并再次水洗。然后,如下所述,在鎳層上進行金-銀合金鍍工藝。
制備具有下表1所示組成的水性合金鍍液,然后用25℃的3%鹽酸溶液對無電鍍鎳的模塊化PCB活化處理1分鐘。將三種鍍液浴的溫度調(diào)至60℃、70℃和80℃的同時,將PCB浸入鍍液中10分鐘進行鍍。象這樣,沒有攪拌鍍液,鍍液pH為4.5。
表1鍍液組成
鍍工藝后,水洗板,在80℃干燥15分鐘,然后通過下面的條件和方法測定軟焊性和耐磨性。
-軟焊性用尺寸為0.04mm(平均粒徑)的焊錫膏印刷焊盤部。
軟熔條件160℃-190℃-245℃-90℃(速率1.0m/分)評價方法為評價軟焊性,將Sn∶Pb比為63∶37的焊錫膏疊加在焊盤部上。然后,當(dāng)在軟熔條件下加熱焊盤部上的焊錫膏時,熔點為183℃的焊錫膏熔融,并鋪展在焊盤部上??梢酝ㄟ^焊錫膏的鋪展面積評價軟焊性。即,鋪展面積越大,軟焊性越優(yōu)良。
評價標(biāo)準(zhǔn)軟焊性(軟熔后)當(dāng)焊錫膏粒徑為起始粒徑的3倍或3倍以上(0.12mm或更大)時為正常。
-耐磨性夾子(clip)試驗將一個夾子與模塊化PCB的接頭部重復(fù)接著和脫離超過100次,然后用電子顯微鏡觀察是否合金鍍層下面形成的鎳層有露出。
焊盤部的軟焊性和接頭部的耐磨性試驗結(jié)果如下表2所示。
表2
實施例2制備具有下表3所示組成的水性合金鍍液,然后用25℃的3%鹽酸溶液對無電鍍鎳的模塊化PCB的無電鍍鎳層活化處理1分鐘。在5分鐘、10分鐘和15分鐘的鍍時間段,使用80℃的鍍液進行鍍工藝。此時,沒有攪拌鍍液,鍍液pH為4.5。
表3鍍液組成
然后,按照與實施例1同樣的方式進行了后處理,并測定了軟焊性和耐磨性。結(jié)果如下表4所示。
表4
實施例3制作具有下表5所示組成的水性合金鍍液,然后用25℃的3%鹽酸溶液對無電鍍鎳的模塊化PCB活化處理1分鐘。然后,使用80℃的鍍液進行鍍工藝10分鐘,攪拌條件分別為0.1m/s、0.2m/s和0.3m/s。
表5鍍液組成
然后,按照與實施例1同樣的方式進行了后處理,并測定了軟焊性和耐磨性。結(jié)果如下表6所示。
表6
實施例4在實施例1使用的模塊化印刷電路板上,使用無電鎳鍍液(EN-1845,Yuil Tech Co.,Ltd供應(yīng))在85℃下將焊盤部和接頭部鍍20分鐘。焊盤部和接頭部上的無電鎳層厚度均為4.7μm。之后,使用實施例3制備的鍍液,在80℃下在鍍鎳層上進行合金鍍10分鐘。根據(jù)下面的可靠性評價標(biāo)準(zhǔn),評價了這樣鍍過的模塊化PCB相對于三星電機的PCB表面處理的可靠性。
-鍍厚度測定為確認(rèn)金-銀合金鍍產(chǎn)品是否具有本發(fā)明中所需的厚度,使用厚度規(guī)(CMI 900,CMI供應(yīng))測定了鍍鎳層和金-銀合金鍍層的厚度。
-有孔性試驗將鍍過的模塊化PCB浸入HNO3水溶液中,肉眼觀察金-銀合金鍍表面因腐蝕而形成的孔。
-耐熱性試驗在下表7所示的溫度條件下,將金-銀合金鍍產(chǎn)品經(jīng)過3個IR-軟熔周期。然后,檢驗了鍍層的因熱脫色,并使用膠粘帶檢驗了金-銀合金鍍層與鍍鎳層的分離。
-軟焊性試驗在下表7所示的兩組條件下,將焊盤部浸入熔融焊料中,然后觀察焊盤部被焊料潤濕的程度是否達(dá)到95%或更高。
-粘著性試驗在下表7所示的溫度條件下,將鍍過的產(chǎn)品經(jīng)過3個IR-軟熔周期,然后在焊盤部上焊接鋁線。當(dāng)用預(yù)定力拉鋁線時,觀察金-銀合金鍍層與鍍鎳層的分離。另外,檢查了焊料和金-銀合金鍍層是否相互分離。
表7
備注)○指試驗結(jié)果達(dá)到預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)條件。
從這些試驗結(jié)果可以看出,本發(fā)明的合金鍍層提供的所有鍍性能都令人滿意。
因此,本發(fā)明的水性無電金-銀合金鍍液滿足模塊化PCB的焊盤部和接頭部各自所需的鍍性能。另外,在本發(fā)明中,包括軟無電鍍金和硬電鍍金的傳統(tǒng)雙鍍工藝可以被單一的鍍工藝取代。因此,存在工藝簡化、生產(chǎn)率提高、制作成本低的優(yōu)點。特別是本發(fā)明的鍍液可以施用到安裝半導(dǎo)體用的所有模塊化PCB上。
以舉例的方式說明了本發(fā)明,但應(yīng)理解所用的術(shù)語目的是說明而非限制。根據(jù)上述教導(dǎo),可以對本發(fā)明進行多種改進和變更。因此,應(yīng)理解在附后的權(quán)利要求書范圍內(nèi),本發(fā)明可以具體說明內(nèi)容以外的方式進行實踐。
權(quán)利要求
1.用于模塊化印刷電路板的表面處理的水性無電鍍液,以鍍液的重量為基礎(chǔ),其含有1-30重量%具有至少一個磺酸基(-SO3H)的有機酸、0.1-20重量%的絡(luò)合劑、0.1-15重量%具有至少一個-S-的硫代化合物、0.05-5重量%水溶性金化合物、0.001-1重量%水溶性銀化合物和0.1-10重量%多價螯合劑。
2.如權(quán)利要求1所述的鍍液,其中以鍍液的重量為基礎(chǔ),所述的鍍液含有3-10重量%具有至少一個磺酸基(-SO3H)的有機酸、0.1-15重量%的絡(luò)合劑、0.5-5重量%具有至少一個-S-的硫代化合物、0.1-1重量%水溶性金化合物、0.02-2重量%水溶性銀化合物和0.5-5重量%多價螯合劑。
3.如權(quán)利要求1所述的鍍液,其中所述的有機酸選自甲磺酸、甲二磺酸、磺基水楊酸、苯酚磺酸、氨基磺酸、十二烷基苯磺酸及它們的組合。
4.如權(quán)利要求1所述的鍍液,其中所述的絡(luò)合劑選自堿金屬氰化物、堿土金屬氰化物、鐵氰化鉀、亞鐵氰化鉀及它們的組合。
5.如權(quán)利要求1所述的鍍液,其中所述的硫代化合物選自硫脲、烷基硫脲、巰基化合物、巰基乙酸、硫氰酸鈉、硫氰酸銨及它們的組合。
6.如權(quán)利要求1所述的鍍液,其中所述的水溶性金化合物選自氰化金鉀、氯化金鉀及它們的組合。
7.如權(quán)利要求1所述的鍍液,其中所述的水溶性銀化合物選自硝酸銀、氰化銀、氰化銀鉀、乙酸銀、碳酸銀及它們的組合。
8.如權(quán)利要求1所述的鍍液,其中所述的多價螯合劑選自多羧酸衍生物、氨基乙酸衍生物、次氮基三乙酸衍生物及它們的組合。
9.如權(quán)利要求8所述的鍍液,其中所述的多價螯合劑選自乙二胺四乙酸、二亞乙基三胺五乙酸、N-羥乙基乙二胺三乙酸、1,3-二氨基-2-丙醇-N,N,N’,N’-四乙酸、雙羥苯基-乙二胺二乙酸、N,N-二(羥乙基)甘氨酸及它們的組合。
10.如權(quán)利要求1所述的鍍液,其中所述的水溶性銀化合物的量為所述的水溶性金化合物量的3-8重量%。
11.如權(quán)利要求1所述的鍍液,其中全部金銀離子與氰化物絡(luò)合劑的摩爾比在1∶1-1∶5范圍內(nèi)。
12.如權(quán)利要求1所述的鍍液,其中鍍液的pH為3-7。
13.模塊化印刷電路板的鍍法,包括下列步驟a)提供形成了預(yù)定電路圖案的模塊化印刷電路板,其具有安裝零件用的焊盤部和與外部設(shè)備電連接用的接頭部;b)在印刷電路板上除焊盤部和接頭部以外的剩余部分上形成光敏阻焊劑層;c)在焊盤部和接頭部上形成無電鍍鎳層;和d)將鍍鎳層表面浸入權(quán)利要求1-12任一項所述的水性無電鍍液中,在鍍鎳層上形成金-銀合金鍍層。
14.如權(quán)利要求13所述的方法,其中所述的金-銀合金鍍層含有90-99%金和1-10%銀。
15.如權(quán)利要求13所述的方法,其中所述的金-銀合金鍍層的厚度為0.01-0.25μm。
16.如權(quán)利要求13所述的方法,其中所述的步驟d)進行5-15分鐘。
17.如權(quán)利要求13所述的方法,其中步驟d)中水性無電鍍液的溫度在60-90℃范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于對模塊化PCB表面處理的水性合金鍍液。以鍍液的重量為基礎(chǔ),該鍍液含有1-30重量%具有至少一個磺酸基(-SO
文檔編號H05K3/18GK1477922SQ0311027
公開日2004年2月25日 申請日期2003年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月9日
發(fā)明者李炳虎, 楊德真, 安東基, 李哲敏, 郭兌圭, 許成龍, 全星郁, 申明徹, 全尚旭 申請人:三星電機株式會社, 株式會社唯一材料技術(shù)