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PCB化学镀镍/金工艺介绍(一)

印制电路板化学镍/金工艺是电路板表面涂覆可焊性涂层的一种。其工艺是在电路板阻焊膜工艺后在裸露铜的表面上化学镀镍,然后化学镀金。该工艺既能满足日益复杂的电路板装配焊接的要求,又比电镀镍/金工艺的成本低,更易于实现全自动化连续生产。同时更利于有效的保护导线的侧边缘。

  一、 化学镀镍

  化学镀镍溶液的工艺配方很多,采用次磷酸二氢钠为还原剂的镀液比较普遍。其实采用化学镀镍的方法,得不到纯镍镀层,而是二元以上的镍基合金。应用最多的是以镍为基,含有一定量的磷、硼、或氮的二元合金。电路板较适合于采用以次磷酸二氢钠为还原剂的酸性镀液(得到镀层含磷量体裁衣3-14%)。

  酸性化学镀镍的PH值一般在内4-6,与碱性镀液比其稳定性高,易于维护,沉积速率高。但其操作温度高。典型工艺如下:

  硫酸镍(NiSO4.7HO2)-----------------21克/升

  次磷酸钠(NaH2PO2.H2O)--------------18-26克/升

  丙酸---------------------------------2毫升/升

  乳酸---------------------------------30毫升/升

  稳定剂------------------------------0-1毫升/升

  PH-----------------------------------4-6

  温度---------------------------------80-90度C

  1、镀液中各成份的作用及操作条件影响:

  1.1、镍盐---硫酸镍,他的作用是提供还原为金属镍所需的Ni2+离子。但是镍盐浓度不能过高,实践结果表明,当镍盐浓度增加到一定数值时,沉积速度趋于稳定,这时PH 过高和络合剂含量不足时,还会生成氢氧化镍或亚磷酸镍沉淀,影响镀液的稳定性。

  1.2、还原剂---次磷酸钠为还原剂,提供NI2+离子还原为金属镍所需的电子。浓度提高,沉积速度加快,但比例浓度过高稳定性下降。次磷酸钠在镀液中的作用主要是使 Ni2+离子还原为金属镍,但也有部分H2PO2离子被还原为磷。控制不同的镀液组分及操作条件,可得到不同的含磷量(0-14%)的化学镍。其比例浓度大于20g/L时沉积速度不再增加,过量添加所得镀层粗糙无光泽,甚至会生成镍粉,使镀液很分解失效。

  1.3、络合剂---作用是使Ni2+离子生成稳定 络合物,以防止氢氧化镍或亚磷酸镍沉淀的生成。同时可使结晶细致光亮。

  1.4、缓冲剂---因为沉积速率、镀层质量、的稳定性与PH 值有很大关系。因此需加入适量的缓冲剂,使镀液的PH值稳定在工艺所需的范围内。

  1.5、稳定剂---在化学镀过程中,由于各种原因,常常在镀液中产生一些细小的金属镍的颗粒,这些金属镍微粒的表面做为众多的催化中心将加速镀液的分解。在实践中发现,加入一些稳定剂,它们能吸附在NI微粒的表面,以防止防止镀液的自分解,加入量极少,若添加过量将会大大降低沉积速度。

  1. 6、加速剂---为了提高沉积速度,加些加速剂,这些加速剂能降低络合剂和稳定剂的功能,提高沉积速度。现在普遍使用专利性的商用综合添加剂。

  1. 7、PH值---提高PH值,可使沉积速度加速,也抑制了析氢的副反应。但过高大于6时镀液的自分解严重,太低时反应无法进行(一般4.3-5.0)为宜。

  1.8、温度---随温度的升高沉积速度加快,每增加10度C,沉积速度加快一倍。实践证明酸性次磷酸镍钠化学镀液在60度C以下,沉积速度非常慢,甚至根本不发生反应。但超出过多,一方面能耗过大,另一方面易出现镀液自分解现象。

  2、稳定性及其维护

  2.1、当镀液出现如下现象时,就不能生产了。

  2.1.1、气体不仅从镀件表面逸出,而且从整个镀液中放出,有甚至很剧烈。

  2.1.2、镀液中出现黑色沉淀物。

  2.1.3、在容器壁及镀件表面生成黑色镀层。

  2.1.4、镀液的颜色逐渐变浅。

  2.2、影响稳定性的因素:

  2.2.1、镀液的前处理不当---镀件在除油或浸蚀后清洗不彻底,将除油液或浸蚀液带入镀液,使PH值发生变化,PH值过高或过低都会使镀液出现沉淀。非金属在镀镍前的钯盐活化液若清洗不干净,将钯盐带入镀液,由于pb2+离子Ni2+离子还原为金属Ni的颗粒存在于镀液中,也会加速镀液的分解。

  2.2.2、镀液的配比或镀液配制方法不当---若次磷酸钠的浓度过高,会加速镀液内部还原反应,使亚磷酸根浓度过高,易产生亚磷酸镍沉淀;若镍盐浓度过高、络合剂的浓度过底,由于产生氢氧化镍沉淀而诱发镀液自分解。另外,在配制镀液时,还原剂、主盐或碱加得过快,使局部浓度过高,也会产生亚磷酸镍或氢氧化镍沉淀。有时,在配制镀液时,组分添加顺序不当或搅拌不充分,都可能诱发沉或金属镍颗粒的产生,加速镀液的自分解。

  2.2.3、操作方法不当---如果用电炉或蒸气直接加热镀液,使镀液局部温度过高,或者镀液PH值过高,均会使镀液迅速出现沉淀而加速镀液分解。沉积速度过高,而得镀液比较疏松,部分金属颗粒进入镀液,形成催化中心,也会促进镀液的自分解。

  3、 镀液的维护与管理:

  3、 1严格按照一定的配比及配制方法配制镀液。

  3、 2加强镀前处理中的清洗工序,不能将酸、碱或活化液带入镀液。

  3、3严格控制操作条件,如镀液加热要均匀,镀液不能空载、装载量要适宜,按工艺要求控制PH值等。

  3、4采用连续过滤的方法及时清除处理镀液中的沉积物,保持容器壁的清洁。

  3、5建立分析镀液成分的可靠方法,定期分析主盐、还原剂及亚磷酸根的含量,以更随时调整镀液。

  3、6加入适量的稳定剂,以延长镀注液的使用寿命,但不能添加过量,以免降低沉积速度。

  3、7镀液稳定性与使用的镀槽材料也有很大的关系,常用的有玻璃、搪瓷等,大槽可用经过硝酸钝化过的不锈铜槽。不能用聚乙烯槽,它会污染镀液。

  3、8镀液定期从镀槽中移出,将镀槽进行清理,洗净沉积物,避免镍磷合金镀层附着在槽体上

  3、9严禁在镀液中直接加入固体试剂,加入药品时,将其配制成稀溶液,在不断搅拌的情况下缓慢加入,加料时镀液温度应在60度以下。

  3、10当镀液受金属杂质污染时可用低电流密度通电处理的方法除去杂质

  3、11从化学镀镍的反应式可知,在化学镀镍的同时,将伴随产生大量的氢,氢在于阻焊层/铜的交界面,随反应速度的加快,酸的浓度就越大,在高温条件下,会加速对阻焊层的破坏,严重时会产生阻焊层起泡。所以需要选择合适的化学镀镍的稳定剂使应在较低的温度下或以较慢的速度进行,减少H形成。

  3、12由于化学镀镍层处于元件脚与铜焊盘之间,所以化学镀镍层的性能对于连接点的强度起着十分重要的作用。由于元件(如陶瓷BGA)与FR-4电路板的热膨胀系数不同,这就要求 化学镀镍层有较高的延伸率,才能保证焊点的连接可靠性。通过选择合适的化学镀镍的配方,稳定剂,装载量以及工艺控制来提高化学镀镍层的延伸率。

  3、13化学镀镍层的厚度一般控制在4-5μm,最少要大于2.5微米厚的镀镍层才能起到有效的阻挡层的作用,防止铜的迁移。

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