造物工场技术分享：长短印制插头产品工艺研究

造物工场pcb · 发表于 2020-5-12 11:34:39

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长短印制插头PCB利用印制插头长度不同的设计，满足印制插头与座子插拔时先接地后接电保护的作用，利用这种延时防错设计，预防器件无保护而产生烧毁问题，这种设计得到了广泛应用，其中光模块产品此类设计应用较多，随着5G通讯的商业应用，配套的5G光模块、数据中心产品将有巨大的市场潜力，行业高端高速光模块，一般需要满足金丝键合工艺要求和印制插头耐磨要求，表面处理趋于采用镍钯金（或沉厚金）+长短印制插头镀硬金工艺，这类产品PCB加工时为保证印制插头电镀硬金工艺，需要添加电镀金辅助引线，电镀金后需要将引线去除，常规工艺加工容易生产引线位置渗镀、蚀刻引线后引线残留等缺陷，本文以这类典型的长短印制插头产品为例，对产品加工工艺进行研究改良。

相关表面处理加工说明长短印制插头PCB相关的表面处理，主要有电镀闪金、电镀硬金、镍钯金（或沉厚金）。
电镀闪金又称为电镀镍金，意思就是快速镀金，在铜面上镀镍后，再在镍层表面电镀一层致密较薄的镀金层，电镀上的金层为纯金，质地较软，也称为软金，可应用于直接焊接，也多用于电镀硬金的预镀金程序，作为电镀硬金的基地，它提供了类似化镍金的镍层与薄金层，镍层厚度一般控制在≥3μm，金层一般控制≥0.025μm；电镀硬金是金钴合金，含钴0.25%左右，硬度比较硬，一般厚度控制在0.25-1μm，适合用在受力摩擦的地方，如板与卡槽接触的接触点，或按压测试点，俗称“金手指”、或“印制插头”。化学镍钯金：利用还原与置换反应的化学镀的方式，在铜面上生成平整的镍层、钯层、金层，厚度与电镀镍金接近，由于金层为纯金，其同闪金一样，也经常被称为软金，钯厚度≥0.05μm，金厚度≥0.05μm，如果不沉钯层，金层厚度达到0.1μm以上（沉厚金），可应用金丝键合工艺，并且能够满足良好的焊接性能。在不考虑水洗的情况下，不同表面处理的主要流程如下：电镀闪金：除油→微蚀→酸洗→电镀镍→电镀金（纯金、软金、薄金）
电镀硬金：除油→酸洗→电镀硬金（钴金合金、硬金、厚金）
化学镍钯金：除油→微蚀→酸洗→活化→酸洗→化学沉镍→化学钯→化学沉金（纯金、软金、薄金）

长短印制插头PCB工艺难点分析长短印制插头PCB工艺难点描述印制插头镀硬金时需要保证印制插头与板边电镀夹点位置连通导电，为便于工程资料处理和加工，采用在长短印制插头前端添加的引线方式，添加的引线在电镀硬金前需要进行保护，防止表面电镀上硬金产生抗蚀层，电镀硬金后需要采用蚀刻的方式去除添加的导电引线，以形成长度不一致的长短印制插头，优化前的关键常规加工工艺流程如下所示：

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优化前的工艺保护引线、印制插头电镀、阻焊是关键工序，处理方法不当容易产生可靠性问题：✦ 引线保护工艺：蚀刻后线路较高，一般和基材间形成40μm左右高度差，干膜厚度一般为38μm左右，贴膜过程中干膜在高温条件下熔融态，由于时间短，排气困难，难以充分填充引线侧面与基材底部结合的夹角位置，电镀金过程中在设备震动，药水攻击因素影响下，镍金药水渗入干膜填充不良位置，造成引线侧面电镀上镍金，由于镍金层抗蚀导致引线残留、印制插头前端不平。

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图1印制插头引线与基材底部夹角高度差示意图
✦ 蚀刻引线加工工艺流程长，部分PCB工厂没有电镀闪金生产线，无法承接此类订单。

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图2 印制插头引线残留

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图3 印制插头引线残留前端不平
✦ 阻焊前由于印制插头位置已经镀硬金，阻焊覆盖的铜面容易产生氧化，阻焊前处理机械研磨处理容易损伤金面、化学处理方式会腐蚀镍面，一般建议采用1000目尼龙针刷+喷砂方式处理。工艺改善方案通过分析确认，确定长短印制插头工艺难点改善及试验方案：
✦ 引线工艺：按优化前方式采用从印制插头前端拉引线的方式，降低资料处理难度、减少对阻抗的影响，评估印刷油墨保护引线工艺的可行性，利用油墨的印刷过程中产生的流动性充分填充线路侧，解决引线侧面保护困难问题。油墨需要选择显影型选化油墨，显影型的目的是可以通过图形转移工艺，提高印制插头的精度；专用选化油墨能够耐化学沉金、镍钯金、电镀金工艺，需要具备良好的耐化学药水攻击的性能，同时预防油墨内的成分析出，造成镍缸药水污染导致的镍腐蚀问题；油墨具有良好的流动性和填充能力，能够增加线路侧面底部位置填充效果，专用油墨需要具备容易去除的性能，退除引线保护油墨后不伤阻焊油墨。
✦ 印制插头镀金和蚀刻引线流程设计在阻焊后，阻焊前可进行常规化学处理和机械研磨处理，可解决阻焊下面铜面氧化问题。✦ 加工工艺流程长：合并流程，印制插头区域、焊接区域沉镍钯金工艺同时进行，加工后，采用干膜保护焊接区域，露出印制插头位置进行电镀硬金。

试验设计蚀刻引线设计为了得到宽度一致的印制插头，引线添加可以参考以下设计：引线宽度可以与印制插头一致，也可以以相同宽度外延0.1mm，再缩小引线宽度0.2mm，此方式可以降低引线残留几率。

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图4 电镀辅助引线添加
工艺流程设计根据改善方案，将印制插头镀金与蚀刻引线流程由阻焊前制作改为阻焊后制作，引线保护采用的油墨需要选择显影型选化油墨。以下优化设计了两种加工工艺，其中流程设计方法2流程相对简单。✦ 流程设计方法1：印制插头镀硬金前采用镀闪金做为电镀硬金的基地：

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图5 电镀闪金+长短印制插头镀硬金工艺
✦ 流程设计方法2：印制插头区表面处理由镍钯金代替镀闪金工艺作为电镀硬金的基地，与焊接区域表面处理同时进行，优化后工艺流程如下：

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图6 镍钯金（或沉厚金）+长短印制插头镀硬金工艺
试验结果✦ 引线保护采用显影型选化油墨，表面处理后没有油墨脱落和渗镀问题。

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图7 显影型选化油墨保护引线状态
✦ 改良的两种流程设计方法加工的产品，印制插头镀硬金后，常规退膜参数可去除保护引线的油墨，对阻焊油墨不会造成攻击，蚀刻后印制插头前端引线位置没有引线残留和平齐度良好。

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图8 流程设计方法1产品无引线残留

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图9 流程设计方法2产品无引线残留
可靠性评估改良后2种工艺的产品各取10PNL产品进行外观、结合力等可靠性检测，各项目指标合格，说明产品可靠性符合要求。
表1 改良后工艺可靠性测试

分析与结论镍钯金+长短印制插头镀硬金产品，通过显影型选化油墨应用，解决了引线渗镀问题，流程设计方法2采用镍钯金表面处理替代闪金作为电镀硬金的基地，可同时节省了一道镀闪金的关键工艺，流程更简单，并且可靠性符合要求，工艺更优。
表2 长短印制插头优化前后工艺对比

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本文通过对镍钯金+长短印制插头镀硬金产品加工出现的主要技术难点研究，找出原因并对其进行流程优化试验，结合试验结果和生产验证，有效改善了加工过程中蚀刻引线渗镀导致印制插头引线残留问题，对流程进行重排，同时达到流程精简的目的。
光模块长短印制插头产品，代表了长短印制插头产品当中较难的工艺，本文的制造工艺可以延伸到普通长短印制插头的产品加工，也可以根据客户要求和工程实际加工能力将流程重排，应用于加工印制插头镀硬金+其他表面处理的长短印制插头产品。

作者：金百泽
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