金板为什么会变色

时间2016/9/13 0:33:38
发布人管理员
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背景

随着PCB制造技术的不断进步,客户不仅对PCB的性能要求越来越高,同时对于PCB的外观也提出更加严格的要求。目前,沉金板面异色问题一直是个“顽疾”。关于沉金板面异色,业内普遍认为是人员操作不规范导致的板面污染,而系统深入地研究很少。

本文由生产实际出发并结合相关试验测,对沉金板面异色问题进行分类研究,对应每一种类型进行机理分析并找到关键影响因素,为业内同行提升沉金工艺品质提供切实有效的参考。


失效模式分析


为了有针对性的解决金面异色问题,对异色问题的主要产生形式,分类进行汇总记录,并根据不同的产生原因和机理,试着提出改善办法与建议。

异常问题归类

按工厂生产和品质部门的反馈,异色的表现形式较多,受多工序影响:沉金、字符、外形、电测。经初步理论分析,各工序可能的影响因素可用如下鱼骨图表示:

对在线沉金板的制作及终检过程进行跟进,主要确定四类不同的异色类型:手指印、药水渍、整面氧化;对于这几类缺陷进行如下分析:

手指印缺陷分析

缺陷表现形式

手指印的表现形式为板面上存在非定位的指纹印痕,且主要产生在板边图形位置,板内图形区分布较少;相应图片如下:

从缺陷图片可以印证手指的分布规律,即板边图形位置分布较多,较集中,板中心图形区分布较少;

 产生环节排查

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理论分析

目前所发现的手指印异常可通过清洗进行去除,说明手指印发生在金面之上,且手指印未与金面发生反应形成不可去除的其他物质;因此,从产生的理论性上排除了手指印沾染在金层以下的情况。即可以证明在沉金前未出现异常情况。

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实地调查

在理论排除手指印产生于沉金前之后,需通过衬调查的方式来判断手指印的产生环节。

药水印迹缺陷分析

缺陷表现形式

根据观察结果来看,水渍的来源主要有两种,一种是清洗时水中杂质残留板面,烘干后形成印迹;另一种是由于清洗过程药水清洗不净残留板面,烘干后形成印迹;而第二种情况又占多数。

如上两图即为典型的缺陷表观,左图因板面水渍未烘干而直接叠板,形成印痕;右图则因局部位置药水残留过多未被清洗干净烘干后形成印痕。此种印迹在大金面位置表现更为明显,异色区域会更大。

产生环节排查

此类异常的产生说明过程有药水或DI水的参与,同时结合在线跟进情况,认定主要产生环节在两个点:沉金或成品清洗的环节。

塞孔口异色

缺陷表现形式

塞孔口异色主要出现在阻焊半塞孔的孔口,尤其是大金面上的半塞孔周围容易出现此类问题;具体表现为在孔口一周出现形似孔环的异色区。

产生环节排查

因缺陷绝大多数出现在阻焊半塞孔位置,并在终固化后发现,认定缺陷产生在阻焊半塞孔的制作流程。曝光后显影易将孔内油墨冲至板面,形成孔口局部位置的异色;半塞孔内易留药水,最终流到板面形成异色。

 验证分析

调研发现的三种主要异色情况及字符异色的情况需要通过分析来确定具体产生机理,并以试验方式重复再现以利于有效改善方案的制定。

在试验前,对正常沉金板与部分异常板进行元素分析,以检验异常元素并作为后续试验过程检验的参照。

对比正常沉金板,整面异色板的晶格排布无明显异常,各组成元素含量较稳定,但检出有异常元素Cu;手指印异常板和组成元素含量基本正常,未发现有其他异常元素。

手指印测试试验

手指印缺陷的试验确认从外观对比与EDS分析两个方面进行,外观主要确认板面异色位置是否残留明显手指接触印迹;EDS分析主要来对比异常板与测试板的异色区域实际元素组成。

外观对比测试

异常现象:因手指印导致的异常多出现在板面位置,可见明显的指纹条纹,个别严重位置在显微镜下可见较多的角质残留。

模拟重现:人为模拟采取裸手直接接触板面方式来模拟在线异常状况。

对比图片:下图为各类异常情况的显微镜拍图

结果分析:异常板和试验板在显微镜下的外观较一致,异色区域经放大均可见明显条纹状印痕。由此从外观上可认为此类问题即为操作过程中失误导致沾染。

 EDS元素分析

经过外观对比和模拟试验的初步确认后,再采用元素分析的方法对异色的元素构成进行分析。

根据EDS的分析两组模拟试验与在线异常板的元素组成,可得到以下结论:

(1)在线异常板与模拟试验板所含元素种类及含量相近;

(2)手套印试验板检出有异色特征元素Cu,同时在电镜下可见轻微的晶胞突起;认为此异色是板面沾染铜离子导致。铜离子可能来源板面沾染含铜离子水渍。

综上,通过试验对比外观形貌和元素组成,可认为调查所发现的条纹状疑似指纹印即来源于操作过程中的不洁净物接触。

药水印迹测试试验

缺陷模式:板面存在大面积残留水迹,并留下板上线路的印迹;客诉板有检出铜离子;

验证试验:使用试验板在保养之前过清洗线或不烘干叠板来对此过程进行模拟;并对试验板进行元素分析;

对比图片:

缺陷对比:在保养前进行的过线测试中,可见板面同样出现了与在线异常类似的水渍残留印迹;

元素分析:对出现异常的在线板和模拟板进行元素分析,以判断和手指印类异色的成因区别;

对异常的元素分析显示,药水印异色可分为两种形态,一类是因药水沾染板面未清洗干净,与正常板具有不同的C、O含量,板面不一致的物质组成,形成了异色;另一类是由于板面存在铜离子,铜离子残留导致几乎整个板面的变色。

来源追溯:对于药水的残留,主要是在沉金后药水残留在孔内或板面凹陷位置,经不彻底的清洗、风干药水挥发至板面最终形成异色痕迹。整面异色铜离子的来源有几个方面,一个是沉金缸及之后的水洗缸铜离子浓度超标,导致板面整体沾染;一个是清洗环节有与铜板混洗导致金面沾染铜离子。

字符清洗测试试验

 异常元素分析

在跟进过程中发现,部分有大金面的板在字符后常易发生异色现象,且发现异色区域附近有疑似固化的字符油墨,据此认为是因字符沾染板面导致异色。

因此试验从确认此类异色的来源入手,分析异色位置的元素组成及含量可以较准确地定位异色成分的来源,从而得知异色的大概产生原因。

取缺陷板异色位置和字符油墨进行元素分析,根据分析结果,缺陷板位置含有字符油墨的特征元素Ti,即认为此类缺陷由字符油墨的残留沾染导致。

处理方式试验

确认异色来源后,通过模拟试验来模拟此类异色的表观问题,以完全定位此类问题。

因元素分析确认此类异常来自于字符油墨的沾染残留,试验以确认板面字符油墨的不同残留形态展开。

通过不同处理方式的对比,对字符沾染异色在发现后通过先使用洗网水擦拭,再过洗金后处理线或阻焊显影线清洗的方式的处理效果最好。

塞孔口异色测试试验

塞孔口异色因主要产生于阻焊半塞孔类产品,此类订单数量较少,因此未做具体验证分析,仅要求此类板在完成阻焊半塞孔后,在后续的清洗流程中,需半塞孔孔口面朝下,清洗速度与烘干速度按正常速度的50%进行,同时在烘干后进行检查,确认半塞孔内无药水残留。

改善方案及实施效果

手指印缺陷改善

方案制定

此问题的解决计划从预防和清除两方面进行解决:

方案实施

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手指印的预防

一方面要求工序员工生产时均戴棉纱手套作业,同时提高手套的更换频率,在出现手套明显脏污或吸湿变潮后立即进行更换;

另一方面从外部引进新物料——水相封孔剂,用于沉金后的板面保护,以期减少板面手指印的沾染;

试验样品:无表观缺陷且金色正常的沉金板;

试验前处理:按正常清洗速度过成品清洗线,清洗整板;再整板浸润封孔剂;

试验条件:

结果判定:统计比较不同条件下,板面手指印的残留情况来确认实际的去除效果;

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手指印的清除

采用调整生产参数和引进新药水的方式进行相应改善。

试验样品:无静观缺陷且金色正常的沉金板;

试验前处理:手指不洁净情况或戴脏污潮湿手套接触板面,并保持1min左右;

试验条件:

    ①按常规1.0m/min清洗速度过板;

    ②按0.8m/min的清洗速度过板;

    ③按0.6m/min的清洗速度过板;

引入酸性清洁剂替代常规的硫酸来清洗金板,并试验确认其对沉金板无其他影响。

试验方式:引入新药水替代硫酸进行在线试制;

试验条件:正常生产条件,不改变现有生产参数;

结果判定:统计实际生产过程中手指印异常数量改善比例来确认改善效果;

 改善效果

采取两种方式对手指印进行改善后,对手指印的改善有较明显的效果;主要改善效果来自于成品清洗线新药水的使用。具体试验结果及数据如下:

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封孔剂的试用

根据试验的结果,水相封孔剂涂覆后金面仍会沾染手指印迹,且清洗时仍需使用清洁剂,较不涂覆封孔剂未表现出特别明显的优势。因此,结合使用成本考虑,不采用封孔剂进行前端改善。

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操作习惯的规范

    通过要求增加字符和外形工序更换手套的频率,在外形后检出的有手指印异色的板有一定减少,因缺乏具体的统计数据,因此改善效果不能较好的量化评估;但此点仍建议继续实施,保持现有的改善效果。

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清洁剂的使用

通过实验室的测试,主要对清洁剂进行各主要指标评估,以检验此药水的基本性能参数;并进行样品试制,以检验此药水对金面异色的实际清洗效果。样品进行清洁剂清洗试验效果如下图所示:

此药水是硫酸与有机酸类的混合物;因此其对部分杂质和异色物质比纯硫酸有更好的溶解性;同时此药水表面张力较小,更易清洁细小缝隙里的杂质及铜离子。根据样品试制结果此清洁剂对板面清洁有一定的改善效果,优于单纯硫酸清洁体系,遂决定开始进行小批量的试用。

 药水印迹缺陷改善

方案制定

因药水印迹异色的产生,主要是因为药水残留板面或水洗槽不净导致的;在发现后可通过返洗较便捷去除,因此对于药水印的去除,同样通过引入新药水来进行,通过较好的板面清洁,来实现板面药水或异常离子的去除。

方案实施

通过进行新药水的使用来推动方案的实施,并通过统计FQA的异常检出率,来确认清除效果。

改善效果

药水印迹改善通过使用新药水进行,改善效果从整体改善效果中进行体现。

字符残留缺陷改善

方案制定

根据前面试验的结果,可确认字符残留即由字符返工清洗不净造成字符油墨残留造成;且按照先洗网水擦拭再过阻焊显影线或沉金后处理线的方式能较有效地解决此类问题。

通过对工序设备产能和实际使用情况调查,沉金后处理线使用频率高,基本满负荷生产;阻焊工序配置有两条阻焊显影线,且1#线较少用于日常生产,产能可满足清洗需求,决定采用阻焊显影线用于返工清洗。

方案实施

根据制定的方案,要求工序对字符沾染板按照此作业,并跟进统计改善效果。

改善效果

通过确定字符返工规范,按要求对金面沾染字符板有效返工处理,IPQC在字符后检出的此类异常较措施实施前从5-6款/月下降到1款/月左右。

总结语

通过对沉金异色的多种原因分析,并做了针对性改善,总结如下:

    目前主要的异色类型有手指印、药水渍、塞孔口异色、整面氧化等四类;

    造成异色的影响因素主要有操作不规范,人为沾染手指印、药水残留清洁不净、水洗槽含杂质、半塞孔内药水或油墨渗出至板面形成异色,以及字符油墨沾染板面清洁不净形成异色;

    引入新清洁药水,因其含有有机组分的酸类,因此其对部分杂质与异色物质比硫酸有更好的溶解和清洁效果,能对杂质离子和手指印及各类药水、杂质残留板面不净进行更有效地清除,减少此类异常;

    通过规范字符返工流程,增加阻焊显影清洁流程,有效降低了字符沾染板面形成的异色;

    从改善措施实施近两个月的统计来看,沉金异色的比例较措施实施前下降约50%,同时工厂反馈良好,改善效果较明显.

背景

随着PCB制造技术的不断进步,客户不仅对PCB的性能要求越来越高,同时对于PCB的外观也提出更加严格的要求。目前,沉金板面异色问题一直是个“顽疾”。关于沉金板面异色,业内普遍认为是人员操作不规范导致的板面污染,而系统深入地研究很少。

本文由生产实际出发并结合相关试验测,对沉金板面异色问题进行分类研究,对应每一种类型进行机理分析并找到关键影响因素,为业内同行提升沉金工艺品质提供切实有效的参考。


失效模式分析


为了有针对性的解决金面异色问题,对异色问题的主要产生形式,分类进行汇总记录,并根据不同的产生原因和机理,试着提出改善办法与建议。

异常问题归类

按工厂生产和品质部门的反馈,异色的表现形式较多,受多工序影响:沉金、字符、外形、电测。经初步理论分析,各工序可能的影响因素可用如下鱼骨图表示:

对在线沉金板的制作及终检过程进行跟进,主要确定四类不同的异色类型:手指印、药水渍、整面氧化;对于这几类缺陷进行如下分析:

手指印缺陷分析

缺陷表现形式

手指印的表现形式为板面上存在非定位的指纹印痕,且主要产生在板边图形位置,板内图形区分布较少;相应图片如下:

从缺陷图片可以印证手指的分布规律,即板边图形位置分布较多,较集中,板中心图形区分布较少;

 产生环节排查

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理论分析

目前所发现的手指印异常可通过清洗进行去除,说明手指印发生在金面之上,且手指印未与金面发生反应形成不可去除的其他物质;因此,从产生的理论性上排除了手指印沾染在金层以下的情况。即可以证明在沉金前未出现异常情况。

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实地调查

在理论排除手指印产生于沉金前之后,需通过衬调查的方式来判断手指印的产生环节。

药水印迹缺陷分析

缺陷表现形式

根据观察结果来看,水渍的来源主要有两种,一种是清洗时水中杂质残留板面,烘干后形成印迹;另一种是由于清洗过程药水清洗不净残留板面,烘干后形成印迹;而第二种情况又占多数。

如上两图即为典型的缺陷表观,左图因板面水渍未烘干而直接叠板,形成印痕;右图则因局部位置药水残留过多未被清洗干净烘干后形成印痕。此种印迹在大金面位置表现更为明显,异色区域会更大。

产生环节排查

此类异常的产生说明过程有药水或DI水的参与,同时结合在线跟进情况,认定主要产生环节在两个点:沉金或成品清洗的环节。

塞孔口异色

缺陷表现形式

塞孔口异色主要出现在阻焊半塞孔的孔口,尤其是大金面上的半塞孔周围容易出现此类问题;具体表现为在孔口一周出现形似孔环的异色区。

产生环节排查

因缺陷绝大多数出现在阻焊半塞孔位置,并在终固化后发现,认定缺陷产生在阻焊半塞孔的制作流程。曝光后显影易将孔内油墨冲至板面,形成孔口局部位置的异色;半塞孔内易留药水,最终流到板面形成异色。

 验证分析

调研发现的三种主要异色情况及字符异色的情况需要通过分析来确定具体产生机理,并以试验方式重复再现以利于有效改善方案的制定。

在试验前,对正常沉金板与部分异常板进行元素分析,以检验异常元素并作为后续试验过程检验的参照。

对比正常沉金板,整面异色板的晶格排布无明显异常,各组成元素含量较稳定,但检出有异常元素Cu;手指印异常板和组成元素含量基本正常,未发现有其他异常元素。

手指印测试试验

手指印缺陷的试验确认从外观对比与EDS分析两个方面进行,外观主要确认板面异色位置是否残留明显手指接触印迹;EDS分析主要来对比异常板与测试板的异色区域实际元素组成。

外观对比测试

异常现象:因手指印导致的异常多出现在板面位置,可见明显的指纹条纹,个别严重位置在显微镜下可见较多的角质残留。

模拟重现:人为模拟采取裸手直接接触板面方式来模拟在线异常状况。

对比图片:下图为各类异常情况的显微镜拍图


结果分析:异常板和试验板在显微镜下的外观较一致,异色区域经放大均可见明显条纹状印痕。由此从外观上可认为此类问题即为操作过程中失误导致沾染。

 EDS元素分析

经过外观对比和模拟试验的初步确认后,再采用元素分析的方法对异色的元素构成进行分析。


根据EDS的分析两组模拟试验与在线异常板的元素组成,可得到以下结论:

(1)在线异常板与模拟试验板所含元素种类及含量相近;

(2)手套印试验板检出有异色特征元素Cu,同时在电镜下可见轻微的晶胞突起;认为此异色是板面沾染铜离子导致。铜离子可能来源板面沾染含铜离子水渍。

综上,通过试验对比外观形貌和元素组成,可认为调查所发现的条纹状疑似指纹印即来源于操作过程中的不洁净物接触。

药水印迹测试试验

缺陷模式:板面存在大面积残留水迹,并留下板上线路的印迹;客诉板有检出铜离子;

验证试验:使用试验板在保养之前过清洗线或不烘干叠板来对此过程进行模拟;并对试验板进行元素分析;

对比图片:


缺陷对比:在保养前进行的过线测试中,可见板面同样出现了与在线异常类似的水渍残留印迹;

元素分析:对出现异常的在线板和模拟板进行元素分析,以判断和手指印类异色的成因区别;


对异常的元素分析显示,药水印异色可分为两种形态,一类是因药水沾染板面未清洗干净,与正常板具有不同的C、O含量,板面不一致的物质组成,形成了异色;另一类是由于板面存在铜离子,铜离子残留导致几乎整个板面的变色。

来源追溯:对于药水的残留,主要是在沉金后药水残留在孔内或板面凹陷位置,经不彻底的清洗、风干药水挥发至板面最终形成异色痕迹。整面异色铜离子的来源有几个方面,一个是沉金缸及之后的水洗缸铜离子浓度超标,导致板面整体沾染;一个是清洗环节有与铜板混洗导致金面沾染铜离子。

字符清洗测试试验

 异常元素分析

在跟进过程中发现,部分有大金面的板在字符后常易发生异色现象,且发现异色区域附近有疑似固化的字符油墨,据此认为是因字符沾染板面导致异色。

因此试验从确认此类异色的来源入手,分析异色位置的元素组成及含量可以较准确地定位异色成分的来源,从而得知异色的大概产生原因。


取缺陷板异色位置和字符油墨进行元素分析,根据分析结果,缺陷板位置含有字符油墨的特征元素Ti,即认为此类缺陷由字符油墨的残留沾染导致。

处理方式试验

确认异色来源后,通过模拟试验来模拟此类异色的表观问题,以完全定位此类问题。

因元素分析确认此类异常来自于字符油墨的沾染残留,试验以确认板面字符油墨的不同残留形态展开。


通过不同处理方式的对比,对字符沾染异色在发现后通过先使用洗网水擦拭,再过洗金后处理线或阻焊显影线清洗的方式的处理效果最好。

塞孔口异色测试试验

塞孔口异色因主要产生于阻焊半塞孔类产品,此类订单数量较少,因此未做具体验证分析,仅要求此类板在完成阻焊半塞孔后,在后续的清洗流程中,需半塞孔孔口面朝下,清洗速度与烘干速度按正常速度的50%进行,同时在烘干后进行检查,确认半塞孔内无药水残留。

改善方案及实施效果

手指印缺陷改善

方案制定

此问题的解决计划从预防和清除两方面进行解决:


方案实施

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手指印的预防

一方面要求工序员工生产时均戴棉纱手套作业,同时提高手套的更换频率,在出现手套明显脏污或吸湿变潮后立即进行更换;

另一方面从外部引进新物料——水相封孔剂,用于沉金后的板面保护,以期减少板面手指印的沾染;

试验样品:无表观缺陷且金色正常的沉金板;

试验前处理:按正常清洗速度过成品清洗线,清洗整板;再整板浸润封孔剂;

试验条件:


结果判定:统计比较不同条件下,板面手指印的残留情况来确认实际的去除效果;

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手指印的清除

采用调整生产参数和引进新药水的方式进行相应改善。

试验样品:无静观缺陷且金色正常的沉金板;

试验前处理:手指不洁净情况或戴脏污潮湿手套接触板面,并保持1min左右;

试验条件:

    ①按常规1.0m/min清洗速度过板;

    ②按0.8m/min的清洗速度过板;

    ③按0.6m/min的清洗速度过板;

引入酸性清洁剂替代常规的硫酸来清洗金板,并试验确认其对沉金板无其他影响。

试验方式:引入新药水替代硫酸进行在线试制;

试验条件:正常生产条件,不改变现有生产参数;

结果判定:统计实际生产过程中手指印异常数量改善比例来确认改善效果;

 改善效果

采取两种方式对手指印进行改善后,对手指印的改善有较明显的效果;主要改善效果来自于成品清洗线新药水的使用。具体试验结果及数据如下:

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封孔剂的试用


根据试验的结果,水相封孔剂涂覆后金面仍会沾染手指印迹,且清洗时仍需使用清洁剂,较不涂覆封孔剂未表现出特别明显的优势。因此,结合使用成本考虑,不采用封孔剂进行前端改善。

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操作习惯的规范

    通过要求增加字符和外形工序更换手套的频率,在外形后检出的有手指印异色的板有一定减少,因缺乏具体的统计数据,因此改善效果不能较好的量化评估;但此点仍建议继续实施,保持现有的改善效果。

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清洁剂的使用

通过实验室的测试,主要对清洁剂进行各主要指标评估,以检验此药水的基本性能参数;并进行样品试制,以检验此药水对金面异色的实际清洗效果。样品进行清洁剂清洗试验效果如下图所示:


此药水是硫酸与有机酸类的混合物;因此其对部分杂质和异色物质比纯硫酸有更好的溶解性;同时此药水表面张力较小,更易清洁细小缝隙里的杂质及铜离子。根据样品试制结果此清洁剂对板面清洁有一定的改善效果,优于单纯硫酸清洁体系,遂决定开始进行小批量的试用。


 药水印迹缺陷改善

方案制定

因药水印迹异色的产生,主要是因为药水残留板面或水洗槽不净导致的;在发现后可通过返洗较便捷去除,因此对于药水印的去除,同样通过引入新药水来进行,通过较好的板面清洁,来实现板面药水或异常离子的去除。

方案实施

通过进行新药水的使用来推动方案的实施,并通过统计FQA的异常检出率,来确认清除效果。

改善效果

药水印迹改善通过使用新药水进行,改善效果从整体改善效果中进行体现。

字符残留缺陷改善

方案制定

根据前面试验的结果,可确认字符残留即由字符返工清洗不净造成字符油墨残留造成;且按照先洗网水擦拭再过阻焊显影线或沉金后处理线的方式能较有效地解决此类问题。

通过对工序设备产能和实际使用情况调查,沉金后处理线使用频率高,基本满负荷生产;阻焊工序配置有两条阻焊显影线,且1#线较少用于日常生产,产能可满足清洗需求,决定采用阻焊显影线用于返工清洗。

方案实施

根据制定的方案,要求工序对字符沾染板按照此作业,并跟进统计改善效果。

改善效果

通过确定字符返工规范,按要求对金面沾染字符板有效返工处理,IPQC在字符后检出的此类异常较措施实施前从5-6款/月下降到1款/月左右。

总结语

通过对沉金异色的多种原因分析,并做了针对性改善,总结如下:

    目前主要的异色类型有手指印、药水渍、塞孔口异色、整面氧化等四类;

    造成异色的影响因素主要有操作不规范,人为沾染手指印、药水残留清洁不净、水洗槽含杂质、半塞孔内药水或油墨渗出至板面形成异色,以及字符油墨沾染板面清洁不净形成异色;

    引入新清洁药水,因其含有有机组分的酸类,因此其对部分杂质与异色物质比硫酸有更好的溶解和清洁效果,能对杂质离子和手指印及各类药水、杂质残留板面不净进行更有效地清除,减少此类异常;

    通过规范字符返工流程,增加阻焊显影清洁流程,有效降低了字符沾染板面形成的异色;

    从改善措施实施近两个月的统计来看,沉金异色的比例较措施实施前下降约50%,同时工厂反馈良好,改善效果较明显.

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