于金偉

（濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

基于穩(wěn)健設(shè)計(jì)的ENEPIG印制板化學(xué)鍍鈀工藝研究

于金偉

（濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

從化學(xué)鍍鈀反應(yīng)機(jī)理入手，分析了影響化學(xué)鍍鈀質(zhì)量的工藝參數(shù)，并運(yùn)用DOE(試驗(yàn)設(shè)計(jì))中的健壯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了新型ENEPIG(化學(xué)鍍鎳、鈀與浸金)印制電路板生產(chǎn)中化學(xué)鍍鈀的最優(yōu)化工藝參數(shù)：氯化鈀質(zhì)量濃度2.2 g/L，次磷酸鈉質(zhì)量濃度13.2 g/L，氨水體積分?jǐn)?shù)165 mL/L，溫度55 °C，pH 9.6，氯化銨質(zhì)量濃度33 g/L。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，應(yīng)用優(yōu)化后的化學(xué)鍍鈀工藝時(shí)，鈀的沉積速率均值從原來(lái)的0.64 mg/(cm2·min)提升到4.83 mg/(cm2·min)，分散度也有明顯改善。經(jīng)過(guò)大樣本量驗(yàn)證，試驗(yàn)具有良好的重復(fù)性和再現(xiàn)性。

印制電路板；化學(xué)鍍鈀；優(yōu)化；健壯設(shè)計(jì)；沉積速率

Author’s address:Weifang University, Weifang 261061, China

在MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))封裝領(lǐng)域，印制電路板的應(yīng)用占了很大的比重，而其最大的隱患——“黑墊”問(wèn)題困擾了業(yè)界很長(zhǎng)時(shí)間。為徹底解決該問(wèn)題，人們開發(fā)了新型的ENEPIG(化學(xué)鍍鎳、鈀與浸金)印制電路板，這種基板表面保護(hù)工藝最突出的改善是在化學(xué)鍍Ni層和浸Au層之間加入了化學(xué)鍍Pd層，它在化學(xué)鍍Au過(guò)程中阻擋了鍍鎳層與浸金溶液的接觸，避免了浸金制程對(duì)鎳層的氧化，從而解決了困擾業(yè)界多年的“黑墊”問(wèn)題。對(duì)ENEPIG印制電路板表面保護(hù)這一新工藝來(lái)說(shuō)，化學(xué)鍍 Pd是最關(guān)鍵的工藝[1-3]，其工藝參數(shù)的選擇會(huì)對(duì)這一新型基板的質(zhì)量和生產(chǎn)效率產(chǎn)生顯著影響。而影響ENEPIG印制電路板化學(xué)鍍Pd的因素較多，各因素相互之間又有影響。為統(tǒng)籌實(shí)驗(yàn)分析，降低實(shí)驗(yàn)成本，本文運(yùn)用DOE(試驗(yàn)設(shè)計(jì))的穩(wěn)健設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 影響印制電路板化學(xué)鍍Pd的因素

1. 1 PdCl2濃度的影響

鍍液中隨著PdCl2濃度的增加，氧化-還原電位提高，化學(xué)反應(yīng)速率加快，沉積速率增加。但是，要提高PdCl2的濃度必須相應(yīng)提高次磷酸鈉的濃度，即PdCl2濃度的增加受制于次磷酸鈉的濃度。

1. 2 NaH2PO2·H2O濃度的影響

鍍液中隨著 NaH2PO2·H2O濃度的增加，次磷酸的氧化電位提高，NaH2PO2·H2O的還原能力增強(qiáng)，表現(xiàn)出沉積速率增加。但是，當(dāng)NaH2PO2·H2O濃度大于無(wú)活化表面引發(fā)臨界值時(shí)，鍍液會(huì)因氧化還原反應(yīng)而分解，所以NaH2PO2·H2O的濃度要適當(dāng)。

1. 3 NH3·H2O濃度的影響

使用氨水可防止產(chǎn)生 Pd(OH)2沉淀，而且通過(guò)控制沉積速率，使鍍層外觀得到改善。因?yàn)榕浜衔锷蓺溲趸锏淖杂赡芨?，所以[Pd(NH3)3]2+比Pd2+產(chǎn)生Pd(OH)2的傾向要小得多。另外，使用氨水可較快地增加鈀的沉積速率，并延緩鍍液pH的下降。

1. 4 NH4Cl濃度的影響

NH4Cl是作為緩沖劑來(lái)使用的，它能減慢鍍液pH的降低，使鍍液較為穩(wěn)定。

1. 5 pH的影響

如果鍍液的pH下降，那么氫離子濃度會(huì)增加，導(dǎo)致氧化還原電位降低，還原力減弱。因此還原劑的還原能力會(huì)隨著鍍液pH的變化而改變。

1. 6 鍍液溫度的影響

提高鍍液溫度可以提高離子的活性和擴(kuò)散速率，從而提高氧化還原電位，使沉積速率增加。但是過(guò)高的溫度會(huì)加速鍍液的揮發(fā)，導(dǎo)致鍍液各種溶質(zhì)濃度的變化，造成鍍液成分不穩(wěn)定，同時(shí)伴有大量的氣體生成，影響顆粒的沉積，所以鍍液溫度要適當(dāng)。

2 化學(xué)鍍鈀工藝參數(shù)的優(yōu)化

穩(wěn)健設(shè)計(jì)是關(guān)于實(shí)際工程問(wèn)題的一種很有價(jià)值的統(tǒng)計(jì)方法。它是通過(guò)對(duì)可控因素水平組合的選擇來(lái)減少系統(tǒng)對(duì)噪聲變化的敏感性，以此來(lái)降低系統(tǒng)性能的波動(dòng)。

產(chǎn)品性能指標(biāo)除了受可控因子的影響外，還受到噪聲因子的影響。常規(guī)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)誤差的分析比較籠統(tǒng)，全都?xì)w為隨機(jī)誤差或試驗(yàn)誤差。對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中的某些要素，由于在常規(guī)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有設(shè)置的改變，但在實(shí)際工作中，任何參數(shù)的控制都不可能完全準(zhǔn)確，這就造成了誤差。在穩(wěn)健設(shè)計(jì)中，通過(guò)分析可控因子與噪聲因子間的交互作用，從而用改變可控因子水平組合的辦法來(lái)減小響應(yīng)變量的變差。因?yàn)榭煽匾蜃油ǔＲ子诟淖?，所以穩(wěn)健設(shè)計(jì)比直接減小噪聲變差更經(jīng)濟(jì)、更方便。其建模的方法是對(duì)每個(gè)控制水平的組合用噪聲重復(fù)試驗(yàn)的樣本均值y作為位置的度量，用樣本方差s2的對(duì)數(shù)lns2或樣本方差本身作為散度的度量。對(duì)這兩種度量，分別找出對(duì)它們有顯著影響的因子[4]。

2. 1 確定試驗(yàn)?zāi)康暮椭笜?biāo)

(1) 試驗(yàn)?zāi)康模簝?yōu)化化學(xué)鍍Pd工藝，改善過(guò)程工藝參數(shù)，力求鈀的沉積速率越大越好。

(2) 試驗(yàn)指標(biāo)：鈀的沉積速率v ＞0.7 mg/(cm2·min)為合格。v為望大特性，即沉積速率越大越好。

2. 2 確定影響因子并制定因子水平表

影響化學(xué)鍍Pd的主要工藝參數(shù)為PdCl2含量、NaH2PO2·H2O含量、NH3·H2O含量、NH4Cl含量、鍍液溫度及pH，對(duì)于誤差因子，除pH選定±2%的誤差外，其余各因子選定±10%。這樣每個(gè)因子選取3個(gè)水平制定因子水平表，見表1。各因子的1水平組合為現(xiàn)有鍍鈀槽液工藝參數(shù)，其具體數(shù)值為：PdCl2質(zhì)量濃度(A0)2.0 g/L、NaH2PO2·H2O質(zhì)量濃度(B0)12 g/L、NH3·H2O體積分?jǐn)?shù)(C0)150 mL/L、NH4Cl質(zhì)量濃度(D0)30 g/L、鍍液溫度(E0)50 °C，pH(F0) 9.8。根據(jù)表1，則各因子參數(shù)水平如表2所示。

表1 穩(wěn)健設(shè)計(jì)因子水平Table 1 Factors and levels of robust design

表2 各因子工藝參數(shù)Table 2 Values of various factors at different levels

2. 3 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

在穩(wěn)健設(shè)計(jì)時(shí)，很少使用全因子試驗(yàn)，多數(shù)采用部分試驗(yàn)，而且不考慮其交互作用，以便可以在較少次數(shù)的試驗(yàn)中考察較多的因子。這是非常經(jīng)濟(jì)和有效的。根據(jù)以上因子水平表選取L27(36)正交表，將上述因子排列在正交表的第1、2、3、4、5、6列。打開MINITAB軟件設(shè)計(jì)出試驗(yàn)方案，選擇菜單“統(tǒng)計(jì)”/“DOE”/“田口”/“創(chuàng)建田口設(shè)計(jì)”，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，即可輸出設(shè)計(jì)表，見表3。

表3 穩(wěn)健試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 3 Experimental scheme based on robust design

2. 4 鈀的沉積速率試驗(yàn)結(jié)果

將試驗(yàn)用印制電路板用電子天平稱重，精確至0.001 mg，計(jì)算鍍層平均厚度δ，換算出鈀的沉積速率v，如式(1)所示：

式中，m0、m分別為施鍍前、后PCB的質(zhì)量，A為PCB的鍍覆面積。

對(duì)表3中的每個(gè)試驗(yàn)方案均用10 pnl(pnl為panel的縮寫)印制電路板進(jìn)行化學(xué)鍍Pd試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果取平均值，鈀的沉積速率測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 鈀的沉積速率測(cè)量結(jié)果Table 4 Measurement results of palladium deposition rate

2. 5 S/N比的計(jì)算

鈀的沉積速率為望大特性，其計(jì)算公式是：

同理可得S/N2，S/N3，…，S/N27的值，見表4。

2. 6 對(duì)測(cè)得的沉積速率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

使用MINITAB軟件，選擇菜單“統(tǒng)計(jì)”/“DOE”/“田口”/“分析田口設(shè)計(jì)”，將測(cè)得的10列結(jié)果都放入“響應(yīng)數(shù)據(jù)位于”內(nèi)，分析結(jié)果見表5及表6。

表5 各因素水平的信噪比均值(望大)Table 5 Average signal-to-noise ratio of different factors at different levels (larger the better)

從表 5信噪比可知，每個(gè)因子各水平的信噪比平均值和信噪比極差，極差越大，表明此因子效應(yīng)越顯著。從極差的大小排序可以看出，各因子對(duì)信噪比的影響程度以重要度從大到小依次排列為：因子 A(PdCl2質(zhì)量濃度)、因子C(NH3·H2O體積分?jǐn)?shù))、因子E(溫度)、因子B(NaH2PO2·H2O質(zhì)量濃度)、因子F(pH)、因子D(NH4Cl質(zhì)量濃度)，NH4Cl質(zhì)量濃度的影響最小，或者幾乎沒(méi)有影響。

從表 6速率均值可以看到，每個(gè)因子的各水平均值的平均值及其極差。從極差的大小排序中，可以看出各因子對(duì)均值的影響程度，以重要度從大到小依次排列為因子 A(PdCl2質(zhì)量濃度)、因子 E(溫度)、因子B(NaH2PO2·H2O質(zhì)量濃度)、因子C(NH3·H2O體積分?jǐn)?shù))、因子F(pH)、因子D(NH4Cl質(zhì)量濃度)。其中，因子D最小，幾乎沒(méi)有影響。

表6 各因素水平沉積速率的均值Table 6 Average deposition rate of various factors at different levels

對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，能夠看出各因子對(duì)位置及散度的影響：因子A、C、E對(duì)望大特性信噪比影響最大，因而為散度因子；因子A、E、B對(duì)均值影響最大，因而是位置因子。因?yàn)锽是位置因子，而不是散度因子，所以認(rèn)定因子B為調(diào)節(jié)因子。A、E既是散度因子，又是位置因子。

對(duì)于望大特性響應(yīng)變量?jī)?yōu)化的步驟分為 2步：首先，選擇位置因子的水平使位置達(dá)到最大；其次，選擇非位置因子的散度因子的水平，使散度最小化[5]。

通過(guò)MINITAB軟件輸出穩(wěn)健設(shè)計(jì)S/N主效應(yīng)分析圖如圖1所示，均值主效應(yīng)分析圖見圖2。

根據(jù)望大特性響應(yīng)變量?jī)?yōu)化的步驟，首先選擇位置因子(A、E、B)的水平使位置達(dá)到最大。即因子 A(PdCl2質(zhì)量濃度)取3水平(2.2 g/L)，因子E(溫度)取3水平(55 °C)，因子B(NaH2PO2·H2O質(zhì)量濃度)取3水平(13.2 g/L)。在這些因子安排確定的情況下，用非位置因子的散度因子C(NH3·H2O體積分?jǐn)?shù))的水平進(jìn)行調(diào)試，以使散度最小化。由于3個(gè)位置因子與散度因子C三水平的這種最佳搭配在試驗(yàn)中未出現(xiàn)過(guò)，需要通過(guò)預(yù)測(cè)進(jìn)行選擇。

使用 MINITAB軟件，選擇菜單“統(tǒng)計(jì)”/“DOE”/“田口”/“預(yù)測(cè)田口結(jié)果”進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，得到預(yù)測(cè)結(jié)果如表7所示。

圖1 穩(wěn)健設(shè)計(jì)信噪比主效應(yīng)分析圖Figure 1 Main effect analysis of signal-to-noise by robust design

圖2 穩(wěn)健設(shè)計(jì)均值主效應(yīng)分析圖Figure 2 Main effect analysis of average values by robust design

表7 穩(wěn)健設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)結(jié)果Table 7 Prediction results by robust design

從表7可知，在因子C(NH3·H2O體積分?jǐn)?shù))取不同值時(shí)，信噪比都保持較好結(jié)果，當(dāng)NH3·H2O濃度取165 mL/L(即3水平)時(shí)，鈀的沉積速率信噪比和平均值達(dá)到最大值。

依據(jù)上述研究結(jié)果，最優(yōu)工藝參數(shù)選擇A3B3C3E3F3，因子D影響很小，可以依據(jù)鍍鈀工藝的要求，取任意水平均可。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

依據(jù)以上優(yōu)化工藝結(jié)果，重新設(shè)定化學(xué)鍍Pd工藝參數(shù)為：PdCl2質(zhì)量濃度2.2 g/L，NaH2PO2·H2O質(zhì)量濃度13.2 g/L，NH3·H2O體積分?jǐn)?shù)165 mL/L，鍍液溫度55 °C，pH 9.6，NH4Cl質(zhì)量濃度33 g/L，進(jìn)行100 pnl化學(xué)鍍Pd試驗(yàn)。圖3a、3b是化學(xué)鍍Pd參數(shù)優(yōu)化前、后鈀的沉積狀況(圖中LSL指規(guī)格下限，PPM即百萬(wàn)分之一，指低于規(guī)格下限的概率)?？梢钥闯觯瑧?yīng)用優(yōu)化后的工藝參數(shù)，鈀的沉積速率均值從 0.64 mg/(cm2·min)提升到4.83 mg/(cm2·min)，有顯著提高，分散度也有明顯改善，而且經(jīng)過(guò)100 pnl的大樣本量驗(yàn)證，試驗(yàn)具有良好的重復(fù)性及再現(xiàn)性。

圖3 鍍鈀參數(shù)優(yōu)化前、后鈀的沉積狀況Figure 3 Deposition states of palladium before and after optimization of the parameters of electroless palladium plating

4 結(jié)論

本文使用穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，研究了ENEPIG印制電路板中化學(xué)鍍Pd的最優(yōu)化工藝參數(shù)，用較少次數(shù)的試驗(yàn)考察了較多的因子，取得了非常經(jīng)濟(jì)和有效的結(jié)果。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，改進(jìn)了化學(xué)鍍Pd這一關(guān)鍵工藝的參數(shù)設(shè)置：氯化鈀質(zhì)量濃度2.2 g/L，次磷酸鈉質(zhì)量濃度13.2 g/L，NH3·H2O體積分?jǐn)?shù)165 mL/L，鍍液溫度55 °C，pH 9.6，氯化銨質(zhì)量濃度33 g/L。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，應(yīng)用優(yōu)化后的鍍鈀工藝參數(shù)，鈀的沉積速率均值從0.64 mg/(cm2·min)提升到4.83 mg/(cm2·min)，沉積速率有顯著的提高，分散度也有明顯的改善。經(jīng)過(guò)100 PNL的大樣本量驗(yàn)證，試驗(yàn)具有良好的重復(fù)性及再現(xiàn)性。

[1]章建飛, 張庶, 向勇, 等. 表面處理工藝的新發(fā)展[J]. 印制電路信息, 2014 (1): 18-22.

[2]陳步明, 郭忠誠(chéng). 化學(xué)鍍研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電鍍與精飾, 2011, 33 (11): 11-15.

[3]吳道新, 劉迎. 印刷電路板上化學(xué)鍍鈀工藝研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2012, 41 (4): 681-684.

[4]于金偉. 田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)在鍵合工藝參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用[J]. 壓電與聲光, 2012, 34 (4): 631-635, 639.

[5]馬林, 何楨. 六西格瑪管理[M]. 2版. 北京: 中國(guó)人民大學(xué)出版社, 2007: 195-197.

[ 編輯：韋鳳仙 ]

Study on electroless palladium plating for ENEPIG printed circuit board based on robust design

YU Jin-wei

The process parameters affecting the quality of electroless palladium plating were analyzed based on the reaction mechanism of electroless palladium deposition and optimized by robust design, an approach of DOE (design of experiments), for the production of novel ENEPIG (electroless nickel/electroless palladium/immersion gold) printed circuit boards as follows: PdCl22.2 g/L, NaH2PO2·H2O 13.2 g/L, NH3·H2O 165 mL/L, NH4Cl 33 g/L, temperature 55 °C, and pH 9.6. The result of verification test showed that the average deposition rate of palladium is raised from 0.64 mg/(cm2·min) to 4.83 mg/(cm2·min) after the optimization of electroless palladium plating process and the dispersion is significantly improved. The test has good repeatability and reproducibility during large sample size verification.

printed circuit board; electroless palladium plating; optimization; robust design; deposition rate

TG178; TQ153.19

A

1004 -227X (2015) 19 - 1105 - 07

2015-05-07

2015-07-03

國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目（2011GA740047）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2012EML03）；山東省國(guó)際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目（201013）；山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（J12LA57）；山東省星火計(jì)劃項(xiàng)目（2011XH06025）。

于金偉（1967-），女，山東濰坊人，碩士，教授，主要從事微機(jī)電系統(tǒng)研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) wfxyyjw@163.com。