随着移动电子产品不断朝着更加轻、薄、小的方向发展，集成电路(IC)高密度化驱动IC芯片的I/0端数目逐渐增多，与芯片I/0端相连接的挠性印制电路板(FPCB)的引线间距和线宽也越来越精细，对线路制作的要求越来越高。化学镍金(ENIG)工艺作为电路板常用的表面处理工艺之一，其主要作用是防止线路铜被氧化或腐蚀。但对于FPCB精细线路的ENIG工艺，由于线距过小，化学镀镍时容易出现渗镀问题，特别是线距小于20μm的细线路，渗镀容易使线路相连而短路，导致产品良率下降。因此，FPCB细线路的表面处理成为近年来高端线路板精密加工的研究热点与难点。

化学微蚀作为前处理工艺，被广泛应用在印制电路板(PCB)制造流程的各大环节，如图形转移、压合、电镀、阻焊、ENIG等。化学微蚀的基本原理是利用过硫酸钠、双氧水、氯化铜等在酸性介质中的强氧化性，与铜面发生氧化还原反应，同时强酸与铜表面的部分氧化物反应，起到清洁和粗化铜面的作用。不同微蚀体系由于反应方式、微蚀能力等不同，对铜面的粗化效果也有所不同，从而影响铜面与干膜、湿膜、基材及阻焊油墨的结合力。在ENIG工艺中，粗化的铜面是后续活化剂Pd²+离子的寄存地，其形貌可能会影响Pd²+离子的吸附，进而影响后续化学镀镍层的形貌和平整度。另外，微蚀效果还会影响细线路表面化学镀时的渗镀情况及所得镀层的色泽。

本文采用硫酸-过硫酸钠(用SA-SP表示)、硫酸一双氧水(用SA-HP表示)和甲酸一氯化铜(用FA-CC表示)这3种常见的体系，对FPCB的细线路进行化学微蚀，通过激光光谱共聚焦显微镜(LSCM)和扫描电子显微镜(SEM)对比了采用不同微蚀体系微蚀后铜线表面形貌、元素组成和表面粗糙度参数的差异，并且研究了微蚀液对化学镀过程的渗/漏镀、沉积情况及所得Ni镀层色泽的影响。

1.1 化学镀镍工艺

以40mm×30mm的FPCB测试片为基材，其中聚酰亚胺(PI)的厚度为35μm,Cu层厚度10~11μm,线宽20～250μm,线距60～250μm。

化学镀镍的工艺流程如图1所示。

图1 FPC细线路化学镀镍工艺流程

1.1.1化学除油

磷酸钠20g/L,氢氧化钠10g/L,硅酸钠10g/L,碳酸钠20g/L,温度60℃,时间120s。

1.1.2微蚀液配方及工艺条件

采用硫酸-过硫酸钠、硫酸一双氧水和甲酸-氯化铜这3种常用微蚀液。本研究将各体系的氧化剂浓度都控制在0.25mol/L,具体参数如下：

1)硫酸-过硫酸钠体系：过硫酸钠60g/L,浓硫酸30mL/L,常温。

2)硫酸一双氧水体系：30%双氧水28.4g/L,浓硫酸30mL/L,硅酸钠1g/L,常温。其中硅酸钠的加入能够抑制双氧水分解。

3)甲酸一氯化铜体系：氯化铜33.75g/L,甲酸30mL/L,常温。

在3种不同体系中微蚀时所发生的相关反应列于表1。

表1 3种微蚀体系中发生的主要反应

1.1.3活化

硫酸钯40mg/L,浓硫酸100mL/L,常温，时间120s。

1.1.4化学镀镍

六水合硫酸镍20g/L,次磷酸钠20g/L,丁二酸钠5g/L,乳酸5g/L,苹果酸4g/L,乙酸钠9.7g/L,稳定剂4mg/L,pH4.3±0.2,温度(80±1)℃,时间20min,Ni镀层厚度在0.9～1.0μm范围内。

1.2 性能检测

采用KathMaticKC-X1000系列激光光谱共聚焦显微镜测量微蚀前后线路高度、轮廓差异及表面粗糙度参数。采用德国ZeissMERLINCompact型超高分辨率场发射扫描电镜观察铜线及化学镀镍层的表面形貌，并用其附带的能谱仪(EDS)分析表面的元素组成。采用中国明美MJ31型金相显微镜观察镀镍后细线路的漏镀和渗镀情况。采用德国FischerXDL系列X射线荧光镀层测厚仪测量镀层厚度。

2.1 不同微蚀体系对细线路表面的微蚀效果

先在60℃下对FPCB测试片除油120s,随后用超纯水冲洗30s,接着分别放置于3种微蚀液中微蚀30、60、90和120s,水洗、干燥后进行性能表征与测试。

2.1.1线路微蚀后的3D轮廓

采用LSCM观察线距为250μm的线路在微蚀后的表面轮廓。由图2a可知，微蚀前铜面比较光滑，基本上没有凹槽点。采用不同微蚀液处理后，铜线表面明显变粗糙，凹槽增多，如图2b-2d所示。

图2 采用不同溶液微蚀前后细线路的激光共聚焦3D轮廓(5×)

2.1.2线路的微蚀量

进一步采用LSCM自带的轮廓分析程序对铜线的表面轮廓进行分析，扫描宽度设置为3μm。如图3所示，通过表面轮廓高度信息可以计算出铜线的平均轮廓高度与基底的平均高度之差，从而得到铜线的平均厚度。基于此，本文采用铜线微蚀前后的平均厚度作为微蚀量d，即d=d前-d后。微蚀量越大，意味着体系的微蚀能力越好。相对于称重法，此法更加适合细线路。

图3 铜线的表面轮廓高度信息

由图4和图5可知，微蚀能力最强的是硫酸-过硫酸钠体系，2min内的平均微蚀速率为1.086μm/min，最初时的微蚀速率较高，随后略降，最后趋于稳定。微蚀能力排第二的是硫酸-双氧水体系，在2min内的平均微蚀速率为0.906μm/min，微蚀速率在整个过程中比较稳定。微蚀能力最弱的是甲酸-氯化铜体系，在2min内的平均微蚀速率只有0.672μm/min，一开始时的微蚀速率较低，随后增大，最后趋于稳定。

2.1.3线路微蚀后的粗糙度

采用LSCM自带的粗糙度分析程序对铜线表观粗糙度进行分析，试样为线宽250um的铜线，共测10个点。分别采用Ra(轮廓算数平均偏差)、Rq(轮廓均方根偏差)和Rt(轮廓最大高度)这3个变量来描述微观不平度的高度特性。从图6可知，采用不同体系微蚀时，铜面粗糙度的变化趋势相似，

3个粗糙度参数均随着微蚀时间的延长而增大，但Ra与Rq的增幅较小，大概为0.1um/min，而Rt的增幅较大，在0.3~0.5mm/min之间。

图6 采用不同体系时铜线粗糙度随时间的变化

2.1.4线路微蚀后的表面形貌

由图7可见，不管采用哪种体系，微蚀不同时间后铜面的形貌均有差异。采用硫酸-过硫酸钠体系微蚀60s时，铜面谷峰不明显，微蚀120s时微蚀峰增多，且峰形较尖，这与LSCM分析中发现该体系微蚀后铜面的Rt最大一致。采用硫酸-双氧水体系微蚀时，铜面的粗化均匀性较好，微蚀60s时铜面较平整，无明显的沟壑;微蚀120s时沟壑轮廓明显，微蚀峰比较平整。采用甲酸一氯化铜体系时，铜面的粗化均匀性也较好，微蚀60s时铜面形成蜂窝孔状结构，并且伴随有白色颗粒状物质生成;微蚀120s时，孔状结构变多、变细致。

图7 采用不同体系微蚀不同时间后铜线的表面形貌

2.1.5元素含量探测

采用EDS测定了3种体系微蚀120s后铜线表面的元素组成，结果列于表2。在硫酸-过硫酸钠体系或硫酸-双氧水体系中微蚀后，铜线表面的Cu质量分数都是100%，不含C1元素，说明这两种体系的微蚀过程都没有产生氯化亚铜杂质。但采用甲酸-氯化铜体系微蚀后，铜线表面的Cu质量分数仅78.83%，CI的质量分数高达21.17%，铜线表面含有大量C1元素(如图8中白色标记点所示)，说明图7c和图7f中铜线表面的白色颗粒状物质可能是微蚀的副反应产物—氯化亚铜。

2.2 采用不同微蚀体系时细线路化学镀镍的效果

2.2.1线路渗/漏镀情况及镀层色泽

取线距分布不同的FPCB,先采用不同微蚀液处理120s,水洗30s后活化，再水洗，接着化学镀镍20min,水洗并干燥后使用金相显微镜观察镀层的色泽及渗/漏镀情况。

由图9a和图10a可知，采用硫酸-过硫酸钠微蚀时，化学镀镍过程的渗镀现象得到有效控制，在线距为250μm和60μm的区域都没有观察到明显的渗镀和漏镀现象，其原因可能是该体系的微蚀能力较强，蚀刻深度较大，钯层能够有效附着于峰底，使表面的沉积速率降低，从而抑制了渗镀。但该体系蚀刻深度过大可能导致镀层色泽偏暗。

如图9b和图10b所示，采用硫酸-双氧水体系微蚀时化学镀镍过程没有漏镀，Ni镀层比较光亮，但在线距为250μm的线路边缘处出现轻微渗镀。

如图9c和10c所示，采用甲酸一氯化铜体系微蚀时，线距为250μm和60μm的线路均出现比较严重的渗镀，可能与微蚀后表面生成的CuCl杂质有关，因为CuCl会吸附在细线路周围，使化学镀镍速率不可控,因此后续不再研究该体系。

2.2.2Ni镀层的厚度和形貌

采用X射线荧光镀层测厚仪测量硫酸-过硫酸钠或硫酸一双氧水微蚀时不同区域的Ni镀层厚度，发现都在0.9～1.0μm范围内，厚度均匀性良好。如图11所示，采用这两种体系微蚀时化学镀镍层都为胞状结晶。但前者的Ni镀层晶粒大小不一，均匀性不佳，这可能与微蚀后Cu面均匀性差有关。后者的Ni镀层胞状结构大小均匀，表面平整，可能是因为采用该体系微蚀后Cu面均匀，镍沉积位点分布均匀。

图11 分别采用硫酸-过硫酸钠(α)-硫酸-双氧水(b)微蚀时化学度镍层的SEM图像

1)对比FPCB微蚀前后铜线路的厚度差可知，3种微蚀体系的微蚀能力强弱顺序为：硫酸-过硫酸钠>硫酸一双氧水>甲酸一氯化铜。

2)采用3种体系微蚀时，铜线的粗糙度均随微蚀时间延长而增大。3种体系微蚀后，平均粗糙度Ra与Rq的大小顺序为：硫酸-过硫酸钠>硫酸一双氧水>甲酸-氯化铜;Rt的大小顺序为：硫酸-过硫酸钠>甲酸-氯化铜>硫酸-双氧水。

3)采用不同微蚀液处理后化学镀镍的效果有明显差异。采用甲酸一氯化铜微蚀时会引入CuCl杂质，化学镀镍过程渗镀现象严重，因此该体系不适合。采用硫酸一双氧水微蚀后，虽然镀层光亮，但是有轻微渗镀现象。采用硫酸-过硫酸钠微蚀时，对细线路化学镀过程中渗镀现象的控制效果最佳，但镀层色泽偏暗，后续可以考虑在镀液中添加光亮剂来改善。

内容来源：电镀与涂饰