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镀镍金培训教材 目录 一 制程目的二 概述三 镀镍金工艺体系的介绍四 工艺流程及工艺原理简介五 溶液配方及工艺规范六 制程控制七 镀镍金设备简介八 常见的缺陷问题及解决方案九 总结 一 制程目的 金因具有优越的导电性及抗氧化性 因此PCB制作中需要镀金制程 但因为金的成本较高 所以只用于金手指 局部镀或化学金 如bondingpad等 金手指 GoldFinger 或称EdgeConnector 设计的目的 在于藉由connector连接器的插接作为板对外联络的出口 整板镀金在考虑其成本及可焊性要求下 逐渐被化学金所取代 金手指擦入连接器的示意图 二 概述 PCB上用镀镍来作为贵金属和贱金属的衬底镀层 对某些单面印制板 也常用作面层 对于重负荷磨损的一些表面 如开关触点 触片或插头金 用镍来作为金的衬底镀层 可大大提高耐磨性 当用来作为阻挡层时 镍能有效地防止铜和其它金属之间的扩散 哑镍 金组合镀层常常用来作为抗蚀刻的金属镀层 而且能适应热压焊与钎焊的要求 唯独只有镍能够作为含氨类蚀刻剂的抗蚀镀层 而不需热压焊又要求镀层光亮的PCB 通常采用光镍 金镀层 PCB上的金镀层有几种作用 金作为金属抗蚀层 它能耐受所有一般的蚀刻液 它的导电率很高 其电阻率为2 44微欧 厘米 由于它的负的氧化电位 使得它是一种抗锈蚀的理想金属和接触电阻低的理想的接触表面金属 近年来镀金工艺得到不断发展 它们大多是专利性的 PCB镀金以弱酸性柠檬酸系列的微氰镀液为宜 中性镀液由于其耐污染能力差 而碱性氰化物镀金其对电镀抗蚀剂的破坏作用而不适用 三 镀镍 金工艺体系介绍 镍的电镀层可以从低氯化物硫酸盐 氨基磺酸盐 氟硼酸盐等电镀溶液体系获得 印制板镀层必须具备内应力小 外观细致光滑 与铜基体有良好的结合力等特点 能同时满足上述要求的镀液一般是低氯化物的硫酸盐和氨基磺酸盐体系 氨基磺酸盐特点是内应力低 沉积速度快 但成本也较高 镀镍 镀层性能比较 金的电镀层可以从碱性氰化物 亚硫酸盐镀液 柠檬酸盐微氰镀液等体系中获得 碱性氰化物镀金虽然镀液性能最稳定 易操作 好维护 镀层硬度也较高 但含有高剧毒的物品 氰化钾 因而对环境保护和人员的身体健康都不利 同时 碱性氰化物对环氧基材有一定的侵蚀作用 因而在印制电路中很少使用 镀金 柠檬酸盐微氰镀液既具有氰化物镀金溶液稳定 易操作 好维护的特点 又具有较低毒性 能造成人体血红蛋白的变异 镀层综合性能优异等特点 因此 是目前电镀金的主力工艺 我司使用的镍金工艺是氨基磺酸盐系列 柠檬酸微氰镀金系列 四 工艺流程及工艺原理 压板 钻孔 图形转移 化学沉铜 镀镍金在PCB工艺流程中的位置 以多层板为例 绿油 白字 全板镀金 图形电镀铜 内层图形制作 褪膜 蚀刻 镀金手指 锣板 电测 包装 出货 镀镍金工艺流程如下 全板镀金 入板 金回收 除油 双水洗 微蚀 双水洗 酸浸 镀铜 水洗 活化 镀镍 活化 镀金 水洗 水洗 下板 镀金手指工艺流程如下 入板 微蚀 水洗 磨板 水洗 镍活化 DI水洗 镀镍 自来水洗 活化 DI水洗 镀金 水洗 金回收 下板 以本公司为例 一 微蚀 NPS系列微蚀药水 1 微蚀药剂组成 过硫酸钠Na2S2O8硫酸H2SO4作用 去除表面氧化 粗化铜面 使铜形成一表现粗糙度 增加铜面与镍面之间的结合力 反应原理 Cu Na2S2O8 CuSO4 Na2SO4 2 操作条件 Na2S2O8 50 70g lH2SO4 1 3 V V Cu2 5 25g l温度 30 2 时间 垂直式1min槽材质 PVC或PP加热器 石英或铁弗龙加热器 由于Cu2 对微蚀速率影响较大 通常须将Cu2 的浓度控制在5 25g l 以保证微蚀速率处于20 40 之间 生产过程中 换缸时往往保留1 5 1 3缸母液 旧液 以保持一定的Cu2 浓度 3 铜离子控制 二 活化1 活化剂 MP 49 作用 使铜面吸附活性剂 防止铜面镀镍后钝化 保持铜原有的活性 增加铜层与镍层的结合力 2 操作条件 MP 49 30 40g l温度 55 5 槽材质 PVC或PP温控 铁弗龙包覆加热器或冷却盘管过滤 5 mPP滤芯连续过滤 三 镀镍1 药液组成 氨基磺酸镍Ni SO3NH2 2氯化镍NiCl2 6H2O硼酸H3BO3光泽剂ACR3010Brighter作用 作为金层与铜层之间的屏障 防止铜Migration 作为镀金的基底层 大幅度提高金的耐磨性 且对铜基体提供电化起保护作用 反应原理 阳极反应 Ni 2e Ni2 阴极反应 Ni2 2e Ni2H 2e H2 2 操作条件氨基磺酸镍Ni SO3NH2 2100 150g l氯化镍NiCl2 6H2O5 25g l硼酸H3BO330 45g l ACR3010 30 45ml lPH 3 8 4 4温度 55 5 电流密度 全板镀金8 25ASF 金手指50 100ASF槽体材质 PP材质循环过滤系统 3 5times hour 优先考虑布袋式过滤 棉芯过滤需监控流量 发现堵塞及时更换 温控 铁弗龙或石英加热器或冷却盘管 3 镀液维护规则 严格控制溶液的PH值 使其始终处于工艺控制范围之内 正确使用碱式碳酸镍和氨基璜酸镍调整PH值 定期作赫尔槽和镀层内应力实验 以便准确的控制镀层质量和外观 定期作小电流电解处理消除有害元素对镀层的影响 定期对镀液作活性碳处理 防止有机污染对镀层质量的影响 四 镀金1 镀液成份A 金盐即氰化金钾KAu CN 2 其含量为68 3 其控制浓度一般为3 5g lB 添加剂添加剂包含氯化铵 柠檬酸铵及适量稳定剂 常用EDTA络合Ni2 以稳定生成物对反应速度的影响 作用 防止镍层氧化 增加其导电性及耐磨性 反应原理 阳极 2H2O 4e O2 4H 阴极 Au e Au Au 3 0 6g lPH 3 8 4 8S G 1 06 1 12Ni2 500PPM温度 55 5 PH 4 5 0 5加热 石英或铁弗龙加热器搅拌 过滤机循环搅拌 使用1 m的PP滤芯 不可使用空气搅拌 槽材质 PP 2 操作条件 3 镀液维护镀金槽应配有安分计计算安分时和连续过滤机 根据安分计提供的数据并考虑到镀液携带的损失 及时补加金盐 经常检查镀液的PH值和镀液的比重 有机污染应尽量避免 工件进槽前应清洗彻底 尽量避免将镀镍液带入金缸 五 溶液配方与工艺规范 一 镀镍 1 溶液的配方为了保证镀液的质量稳定 配制镀镍溶液必须使用化学纯等级以上的试剂产品 特别要控制溶液中Cu Zn Pb的含量 使其控制在0 005 以下 同时 要绝对避免使用有硝酸根的镍盐 开缸镀液必须使用电阻率 500K CM的去离子水 相当于玻璃蒸馏器中的一次蒸馏水 2 各组份作用与工艺规范1 氨基磺酸镍氨基磺酸镍是提供Ni2 的主盐 浓度可在100 150g l内调整 浓度较低时 镀液分散能力好 镀层结晶细致 但沉积速率较慢 允许的阴极电流 Dk 上限值较小 浓度较高时 允许Dk较高 沉积速率较快 2 NiCl2 6H2ONiCl2 6H2O是阳极活化剂 Cl 不仅能活化阳极 还会增加镀液的导电性 使镀液分散能力提高 镀层结晶细致 过高的Cl 易使阳极过腐蚀 产生大量的阳极泥 并造成镀层毛刺 还会增大镀层的内应力 Cl 浓度对镀膜内应力影响如下图示 镍层的内应力随Cl 的变化曲线图 3 H3BO3H3BO3是镀镍的缓冲剂 在氨基磺酸镍及NiSO4镀液中 用量一般为30 45g l 低于20g l 缓冲作用不明显 当浓度 31g l时 才有显著作用 浓度太高时 易在钛篮袋结晶析出 影响Ni的电化学沉积 同时 降低阴极电流效率 在水溶液中 H3BO3产生如下平衡 H3BO3H H3BO3 当溶液PH 时 H3BO3离解出H 以稳定PH值 4 PH控制溶液的PH值对镍的电沉积过程及所得镀层性质有很大影响 PH一般在3 8 4 4之间 PH值偏高 镀液分散能力较好 较高的阴极电流效率和沉积速率 但PH过高 有出现碱试镍盐的倾向 并有利于H2气泡的滞留 导致镀层结晶粗糙 且PH控制对镀层应力 延伸率都有很大的影响 镀层的延伸率随PH的变化曲线图 镀层的应力随PH的变化曲线图 5 温度提高温度 也即提高了镀液中离子的迁移速度 改善了溶液的电导 提高了溶液的分散能力与深镀能力 但过高的温度会加剧镍盐生成氢氧化物沉淀的倾向 从而使镀液的分散能力下降 且操作温度对镀层内应力影响较大 温度对镀层内应力影响如下图 镀膜内应力随温度的变化而变化 6 添加剂添加剂的主要成份是应力消除剂 应力消除剂的加入 改善了镀液的阴极极化 降低了镀层的内应力 随着应力消除剂浓度的变化 可以使镀层内应力由张应力改变为压应力 常用的添加剂有 萘磺酸 对甲苯磺酰胺 糖精等 与没有去应力剂的镍镀层相比 镀液中加入去应力剂将会获得均匀细致并具有半光亮的镀层 通常去应力剂是按安培一小时来添加的 现通用组合专用添加剂包括防针孔剂等 虽然镀镍时的阴极电流效率很高 但在实际生产中仍会有少量的H 参与放电 在阴极上以氢气泡的形式析出吸附在阴极表面 特别是当有机杂质吸附在阴极表面时 溶液与阴极表面张力增大 氢气泡更容易滞留在阴极表面而造成针孔 为了减少或防止针孔的产生 应当向镀液中加入少量的表示活性剂 表示活性剂作用主要表现在以下几个方面 降低溶液的表面张力 改善溶液对电极的润湿作用 使镀膜晶粒细化及改变晶料取向 改变镀膜应力 延展性等机械性能 防止镀层产生针孔和凹洞 2020 1 29 48 可编辑 我司金手指拉使用的是十二烷基硫酸钠作为防针孔剂 其结构如下 CH2CH2 CH2S Na CH2 O O O O 镀镍时因溶液的表面张力大 阴极析出的H2难以离去 因而易产生针孔及凹洞 加入防针孔剂后 溶液表面张力可降至3 3 5 10 5N cm 镀液中的H2易脱离 实际生产中 也可以用H2O2作为防针孔剂 用量为3 的过氧化氢水溶液1 3ml l 十二烷基硫酸钠与H2O2优缺点分析 7 阳极对于镀Ni工艺来说 阴极溶解除取决于阳极材料成份和制作方法外 还取决于溶液的PH Cl 及DK 实际生产表明 采用纯度很高的电解镍板作阳极 电镀时很容易钝化 而且在含CL的镀液中约有0 05 的镍阳极成为疏松的镍渣落入溶液中 这不但降低了镍阳极的利用率 而且很容易使镀层产生毛刺 国内外活性镍阳极技术条件 我司所用的阳极是钛篮装含S的镍角 它的特点是溶解性能好 不产生阳极泥 特别是所含的S 在阳极溶解的同时 可把镀液中的铜杂质除去 反应方程式为 Cu2 S2 CuS 8 电流密度 镀镍时的极限电流密度DK的大小 与溶液的温度 浓度 PH值 搅拌程度有关 一般来说 随着温度 浓度的升高 搅拌程度的加剧 PH的降低 镀液可采用的阴极电流密度 DK 的上限值也升高 在允许的电流密度范围内 电流密越高 电流效率也越高 因此 在可能的条件下 应尽可能采用较高的电流密度 电流密度的确定方法 客户所要求的最小金 镍厚设计板的图形分布阴极电流效率及目前药水状态 电流的计算方法 I 1 144 S 板的块数 电流密度 ASF S 电镀面积 IN2 I 电流 A 3 不合格镀层的褪除 作为印制板镍镀层的褪镀液必须具备以下特性 对环氧基材和铜箔无腐蚀性对绝缘保护胶带或抗蚀干膜无浸蚀溶解作用可在室温下操作 以免绝缘保护胶带或抗蚀干膜脱落 印制板镍镀层的褪镀液可以选用下述配方 氟化氢氨NH4HF2200 250g l柠檬酸C6H8O7 H2O30g l过氧化氢H2O227 5 100 200ml l室温 褪尽为止 二 镀金 镀镍后的板经过活化后 即至下一制程 镀金 板面镀金 板面镀金是24K纯金层 以低应力镍和光亮镍为底层 镍镀层作为中间层起着金 铜层之间的挡作用 它可以阻止金铜间的相互扩散 板面镀金层即是碱性蚀刻的保护层 也是按键式印制板的最终镀层 插头镀金 插头镀金也称镀硬金 俗称 金手指 它是含有Co Ni Fe Sb等合金元素的和金镀层 合金元素含量 0 2 硬金镀层的技术指标 1 溶液的配制配制镀金所用的去离子水 必须符合下列指标 电阻率 25 106 可溶性固体 TDS 7mg lSO2 1mg lCl 5mg lPH 5 5 8 5 相当于玻璃蒸馏器中的2次蒸馏水 2 各组份作用与工艺规范1 氰化亚金钾氰化亚金钾是镀液中的主盐 其含量不足时 镀液阴极电流密度范围狭窄 镀层发暗 沉积速率低 镀层孔隙率高 镀层易发花 结晶粗糙 当其过量时 镀层易发花 结晶粗糙 颜色偏红 2 柠檬酸盐柠檬酸盐在溶液中起到络合和缓冲作用 并能使镀层发亮 含量低时 溶液的导电性下降 溶液分散能力较差 含量过高时 阴极电流效率 K下降 并容易便镀液老化 3 磷酸盐磷酸盐是一种缓冲剂 既能稳定稳定镀液 又可提高镀层的光泽度 4 钴 镍 锑盐添加剂微量的钴 镍 锑盐可明显影响镀层的电化学结晶过程 近而影响镀层的硬度 因此 其用量必须得到严格的控制 5 温度温度对溶液得导电能力和分散能力影响不大 但对阴极电流密度DK的上限值和镀层颜色有影响 温度升高 可以提高阴极电流密度的上限值 从而提高镀液的沉积速率 但温度过高时 镀层色泽不均匀 高 低电流密度区易变红 中等电流密度区易发暗 且结晶粗糙 温度过低 则镀层不光亮 沉积速率也大幅度下降 6 阳极印制板插头镀金可以采用 Cr18NiTi 不锈钢作阳极 也可以采用钛铂网作阳极 但无论使用何种阳极板 都应尽量使阳极面积远远大于阴极面积 据悉 这样有助于延长镀液的老化期 7 电流密度酸金的阴极效率并不好 即使全新镀液也只有30 40 而已 且因逐渐老化及污染而降低到15 左右 阴极上不可避免的有H2析出 阴极电流密度主要影响镀层的色泽 当电流密度过高时 镀层疏松 发暗 硬度低 甚至还可能有其他杂质金属与金发生共沉积 从而使镀层变脆 电流密度过低 沉积速度太慢 镀层偏薄 3 不合格镀层的褪除 不合格的金镀层可以用含氰化物50 60g l的碱性褪金液褪除 这种褪金液褪除速度快且不伤害镍基体 融金量可达25g l 操作温度30 50 褪金后的镍镀层经过活化后可继续镀金 4 金的回收 除了加工板的边料废板之外 带出的金溶液是可设法回收的来源之一 一些厂商出售专门用于回收金的树脂 把这些树脂放在过滤箱中 紧靠电镀金的不流动漂洗槽的漂洗水 由一台泵通过过滤来加强循环 当金达到饱和时 取出树脂并进一步再生回收 然后在过滤器中装入新的树脂 操作过程就可重复进行 六 制程控制 1 加药及换药周期 2 生产前准备验证若遇下列情况时 需检查前5块板镍金厚及表面状况 做生产前准备验证2 1设备维修 大保养后2 2新设备开始生产 新酸液缸2 3缸液碳处理后2 4加药后及转换PR或制作新PR时2 5更改工艺参数后2 6机器停产超过24小时或以上 3 生产线的保养 生产线的保养应做足日保养及月保养 保养事项包含但不局限于以下方面 检查各缸喷嘴是否有被杂物堵塞 清洗各缸喷管 更换镍 金缸之滤芯 补充镍角 清洗滤网 检查导电刷 胶刮 白金钛网之损坏程度 添加润滑油于自动入板及自动收板处 检查运输带之压力及更换损坏之部分 镍缸每三个月做一次碳处理 附 镍缸碳处理程序 1 清洗碳处理槽 将镀镍液泵至碳处理槽中 2 加热至45 50C 按3ml l加入双氧水 搅拌4小时 3 恒温45 50C 按5g l加入活性碳 搅拌4 8小时 4 静置4 8小时后 泵回电镀缸