CC BY
44
УДК 621.357. 7
Лопухова Е.В., Мазурова Д.В., Смирнов К.Н., Ваграмян Т.А.
Разработка процесса иммерсионного золочения в производстве печатных плат
Лопухова Екатерина Владимировна - студент; [email protected];
Мазурова Диана Викторовна - к.т.н., доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; Смирнов Кирилл Николаевич - к.т.н., доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; Ваграмян Тигран Ашотович - профессор, д.т.н., заведующий кафедрой инновационных материалов и защиты от коррозии
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Целью работы являлась разработка процесса иммерсионного золочения, предназначенного для нанесения финишного покрытия на контактные площадки и другие элементы токопроводящего рисунка печатной платы. В качестве объекта исследования взят раствор, содержащий дицианоаурат калия, лиганд хелатного типа, восстановитель и буферирующую добавку. Изучено влияние условий проведения процесса иммерсионного золочения на толщину покрытия золотом, определены оптимальные параметры, при которых покрытие удовлетворяет требованиям стандарта IPС-4552.
Ключевые слова: иммерсионное золочение, ENIG, финишные покрытия, печатные платы
Development of an immersion gold plating process for printed circuit boards
Lopuhova E.V.1, Mazurova D.V.1, Smirnov K.N.1, Vagramyan T.A.1 1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The aim of the work was to develop an immersion gilding process designed to apply a finishing coating to contact pads and other elements of the conductive pattern of a printed circuit board. The object of study was a solution containing potassium dicyanoaurate, a chelate-type ligand, a reducing agent, and a buffering additive. The influence of the conditions of the immersion gilding process on the thickness of the gold coating is studied, and the optimal parameters are determined under which the coating meets the requirements of the IPC-4552 standard. Key words: immersion gilding, ENIG, finish coating, printed circuit boards
Введение
Иммерсионное золочение - это процесс нанесения тонкого слоя золота до 0,2 мкм на подслой химически осажденного никеля (~3-6 мкм) для защиты медных токоведущих участков печатной платы от окисления и обеспечения ровной поверхности при поверхностном монтаже при помощи пайки [1]. Процесс заключается в контактном замещении: золото из комплексного иона, находящегося в растворе, восстанавливается на более электроотрицательной поверхности никеля, ионы которого переходят в раствор (1):
2[Au[(CN)]2]-+ Ni ^ 2Au + 4[CN]-+ Ni2+ (1)
Продукты реакции образуют прочный комплекс [Ni(CN)4]2-, вследствие чего свободных цианидов в растворе нет [2].
Помимо соли золота в растворы иммерсионного золочения вводятся комплексообразующие вещества, которые также позволяют связывать никель в комплексы, снижая вредное влияние ионов никеля, накапливающихся в растворе. В качестве лигандов хелатного типа могут применяться
этилендиаминеталастиковая кислота
гидроксиэтилендиаминтриацетат, тетрагидроксиэтилендиамин, дигидроксиметилендиаминдиацетат, этилендиаминтетрапропионовая кислота, глицерин, иминодиацетат, диэтилентриаминпентаацетат
(DTPA), ^^бискарбоксиметилглицин (NTA), гидроксиэтилглицин. В качестве буферирующих добавок подходят глицин, лимонная кислота,
малоновая кислота, щавелевая кислота, винная кислота, янтарная кислота [5].
Дополнительно в раствор иммерсионного золочения могут быть добавлены различные восстановители (аскорбиновая кислота,
гидроксиламин, гидразин, диметиламиноборан, тиомочевина, гидрохинон, формальдегид, муравьиная кислота и формиат натрия и др.), за счет чего возможно повышение качества пайки [6].
Возможно повышение скорости процесса при введении ионов металлов, радиус которых сопоставим с радиусом иона золота [7].
Экспериментальная часть
В данной работе в качестве объекта исследования процесса иммерсионного золочения выбран раствор, содержащий дицианоаурат калия, лиганд хелатного типа, восстановитель и буферирующую добавку. Золото наносили на подслой автокаталитически осажденного сплава №-Р. Процесс осуществляли на фольгированном текстолите марки FR-4.
Основными критериями качества покрытия иммерсионным золотом являются толщина и адгезия к подложке. В работе проведены исследования влияния параметров процесса на эти характеристики. Измерения толщины иммерсионного золота проводились при помощи рентгенофлюоресцентного спектрометра Shimadzu ББХ-7000. Тест на адгезию производился при помощи скотч-теста согласно стандарту 1РС-ТМ-650 ТМ 2.4.1.
Установлено, что при осаждении золота толщина покрытия равномерно увеличивается во всем
исследуемом диапазоне времени (1 час), что может свидетельствовать о вкладе автокаталитического процесса в присутствии восстановителя (рис. 1). При этом покрытие, осаждаемое в течении 10-15 минут удовлетворяет требованиям стандарта 1РС-4552 (0,050,125 мкм).
Основной
Основной
Основной 2
Сыновний
&
-
Основной
J
0£|кшнш
Основной Оси Основной
А Осно
✓ *
Осшизшн
О СНОИ1Ш1
✓ ✓
Осип Эсиошюй вноп^
V ->
ОсновноЮсновноЮсновнойОсновноЮсновнойОсновнойОсновной Продолжительность процесса осаждсння, мин
Рис. 1. Зависимость толщины покрытия от продолжительности процесса осаждения (температура - 85 °С, рН - 5,5).
Исследование влияния рН раствора на толщину осаждаемого золота показало, что оптимальным диапазоном является 4,5-6,0 единиц, в котором в течение 10 минут формируется покрытие, удовлетворяющее требованиям 1РС-4552. При выходе за рамки этого диапазона толщина покрытия недостаточна (рис. 2).
Основной
Oci&BHoii
Основной
OcHo^ytrff
у
/
Основная
Основной *
• Денежной Ч •
\
Основной
Основной Основной Основной Основной Основной Основной Основной рН раствора
Рис. 2. Зависимость толщины покрытия от рН раствора (температура - 85 °С, продолжительность процесса -10 мин)
На рисунке 3 показано влияние температуры на толщину покрытия иммерсионным золотом. Из графика видно, что при повышении температуры в диапазоне 7095 °С толщина покрытия увеличивается с 0,033 до 0,085 мкм. Таким образом, оптимальным температурным интервалом можно считать 80-90 °С.
я
я
а р.
ОсЙЬвной
Осно Основной Основной Осно вной ■—°
/ ' вно if'**' ->
SO S5
Температура, С
Рис. 3. Зависимость толщины покрытия от температуры раствора золочения (pH- 5,5, продолжительность процесса -10 мин)
Стоит отметить, что адгезия золотого покрытия к поверхности химически осажденного сплава Ni-P при всех указанных параметрах ванны золочения оказалась удовлетворяющей стандарту IPC-TM-650 TM 2.4.1.
Заключение
Таким образом, было установлено, что для раствора иммерсионного золочения содержащего дицианоаурат калия, лиганд хелатного типа, восстановитель и буферирующую добавку оптимальными параметрами процесса являются pH -4,5-6,0 (оптимально 5,5), продолжительность процесса -10-15 (оптимально 12) мин, температура - 80-95 (оптимально 85) °С. Отклонение от данных условий приводит к выходу толщины покрытия за рекомендуемые рамки.
Список литературы
1. IPC-4552. Specification for Electroless Nikel / Immersion Gold (ENIG) Plating for Printed Circuit Boards. July, 2002.
2. Николаева Е. Иммерсионное золочение -вопросы и ответы // Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. - №1. - 2007. - С.17-21.
3. Nowack B. and Sigg L. Adsorption of EDTA and Metal-EDTA Complexes onto Goethite // J. Journal of Colloid and Interface Science. - №177(1). - 1996. -pp.106-121.
4. Accogli A., Gibertini E., Panzeri G., Lucotti A., and Magagnin L. Understanding the Failure Mode of Electroless Nickel Immersion Gold Process: In Situ-Raman Spectroscopy and Electrochemical Characterization // Journal of The Electrochemical Society. - №167(8). - 2020.
5. Electroless gold plating liquid: pat. US20160040296A1; заявл. 22.12.2014; опубл. 16.08.16.
6. Lee D.J., Lee H.S. Major factors to the solder joint strength of ENIG layer in FC BGA package // Microelectronics Reliability. - №46. - 2006. - pp. 11191127.
7. Медведев А., Семенов П., Набатов Ю., Шкундина С. Иммерсионное золочение под пайку // Технологии в электронной промышленности. - № 2. -2010. - C. 6-8.
