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化学镀与电镀技术 现代印制电路原理和工艺 1 化学镀与电镀技术 2 电镀的目的在于为制造中的印制电路板提供其本身欠缺及并非固有的表面特性 印制电路板的电镀相对比较简单 镀种也较少 但电镀本身 其基本原理是相同的 在当前印制电路板制造工艺上采取镀硬金方法或以镍打底的镀金或浸金工艺技术 印制电路板化学镀和电镀的主要目的是确保印制电路板的可焊性 防护性 导电性和耐磨性 3 本章主要介绍在印制板生产工艺中必须用到的化学镀铜 化学镀镍金 化学镀镍 浸金 激光化学镀金 化学镀锡 化学镀银 化学镀铑 化学镀钯 电镀铜 激光镀铜 电镀锡铅 电镀镍金 脉冲镀金 电镀银及其它金属的技术 4 6 1电镀铜 铜元素符号Cu 具有良好的导电性和良好的机械性能 并且铜容易活化 能够与其它金属镀层形成良好的金属一金属间键合 从而获得镀层间的良好的结合力 电镀厂 5 6 1 1铜镀层的作用及对镀层 镀液的基本要求1 镀铜层的作用 1 是作为孔的化学镀铜层 一般0 5 2微米 的加厚层 通过全板镀铜达到厚度5 8微米 一般称为加厚铜 2 是作为图形电镀Sn Pb或低应力镍的底层 其厚度可达20 25微米 一般称为图形镀铜 6 2 对铜镀层的基本要求 1 良好的机械性能 2 镀液有良好的分散能力和深镀能力 3 镀层与基体结合牢固 结合力好 4 镀层有良好的导电性 5 镀层均匀 细致 有良好的外观 7 3 对镀铜液的基本要求 1 镀液具有良好的分散能力和深镀能力 以保证在印制板比较厚和孔径比较小时 仍能达到Ts Th接近1 1 2 镀液在宽的电流密度范围内 都能得到均匀 细致 平整的镀层 3 镀液稳定 便于维护 对杂质的容忍度高 8 6 1 2镀铜液的选择 镀铜溶液有多种类型如 硫酸盐型 焦磷酸盐型 氟硼酸盐型以及氰化物型 硫酸盐型镀液获得均匀 细致 柔软的镀层 并且镀液成分简单 分散能力和深镀能力好 电流效率高 沉积速度快 污水治理简单 所以 印制板镀铜主要使用硫酸盐镀铜 9 一种是用于零件电镀的普通硫酸盐镀铜液一种是用于印制板电镀的高分散能力的镀铜液 这种镀液具有 高酸低铜 的特点 因而有很高的导电性和很好的分散能力与深镀能力 电镀液 10 表6 1硫酸盐型镀液 11 没有添加剂的硫酸盐镀铜液 不可能达到使用的要求 我国对光亮酸性镀铜添加剂的研制始于七十年代 具有代表性的添加剂产品有电子部15所的LC153和SH 110等 改革开放以来 从国外引进了大量印制板生产线 同时也引进了很多先进的电镀添加剂 用于高分散能力的镀铜液的添加剂及其工艺见表6 3 12 表6 2国产镀铜添加剂及其工艺 13 表6 3各种镀铜添加剂及其工艺 14 1 电镀铜机理镀铜溶液的主要成分是硫酸铜和硫酸 在直流电压的作用下 在阴 阳极上发生如下反应 阴极 Cu2 2e Cu阳极 Cu 2e Cu2 在直流情况下电流效率可达98 以上 15 2 镀铜液的配制1 以10 NaOH溶液注入镀槽 开启过滤机和空气搅拌 将此液加温到60 C 保持4 8小时 然后用清水冲洗 再注入5 硫酸 同样浸洗然后用清水冲洗 2 在备用槽内 注入所配溶液1 4体积的蒸馏水或去离子水 在搅拌下缓慢加入计量的硫酸 借助于溶解所放出的热量 加入计量的硫酸铜 搅拌使全部溶解 3 加入1 1 5毫升 升双氧水 搅拌1小时 升温至650 C 保温1小时 以赶走多余的双氧水 16 4 加入3克 升活性炭 搅拌1小时 静止半小时后过滤 直至没有炭粒为止 将溶液转入镀槽 5 加入计量的盐酸 加入计量的添加剂 加蒸馏水或去离子水至所需体积 放入予先准备好的阳极 6 以1 1 5安培 分米2阳极电流密度进行电解处理 使阳极形成一层致密的黑色薄膜 大约3 4小时以后 可以投入使用 17 1 硫酸铜硫酸铜是镀液中主盐 它在水溶液中电离出铜离子 铜离子在阴极上获得电子沉积出铜镀层 硫酸铜浓度控制在60 100克 升 2 硫酸硫酸的主要作用是增加溶液的导电性 硫酸的浓度对镀液的分散能力和镀层的机械性能均有影响 镀液中各成份的作用 18 3 操作条件的影响 1 温度 2 电流密度 3 搅拌 4 阳极 5 镀液的维护 19 1 温度温度对镀液性能影响很大 温度提高 会导致允许的电流密度提高 加快电极反应速度 一般以20 300 C为佳 20 2 电流密度为了提高生产效率 在保证镀层质量的前提下 应尽量使用高的电流密度 电流密度不同 沉积速度也不同 21 3 搅拌搅拌可以消除浓差极化 提高允许电流密度 从而提高生产效率 搅拌可以通过使工件移动或使溶液流动 或两者兼有来实现 22 1 阴极移动 阴极移动是通过阴极杆的运动来实现工件的移动 2 压缩空气搅拌 对镀铜液而言 它能提供足够的氧气 促进溶液中的Cu 氧化成Cu2 协助消除Cu 的干扰 3 过滤 过滤可以净化溶液 使溶液中的机械杂质及时地除去 防止或减少了毛刺出现的机会 搅拌的方式 23 4 阳极硫酸盐光亮镀铜 要使用含磷阳极 其磷含量0 04 0 065 铜含量不小于99 9 其它杂质的允许含量见表6 4 24 为什么使用含磷铜阳极 使用优质含磷铜阳极 能在阳极表面形成一层黑色保护膜 它象栅栏一样 能控制铜的溶解速度并大大减少了阳极泥 25 5 镀液的维护 1 定期分析调整镀液中硫酸铜 硫酸和氯离子的浓度 使之经常处于最佳状态 2 添加剂的补充 在电镀过程中 添加剂不断消耗 可以根据安时数 按供应商提供的添加量进行补充 但还要考虑镀件携带的损失 适当增加5 10 26 3 定期用活性碳处理 在电镀过程中 添加剂要分解 同时干膜或抗电镀油墨分解物及板材溶出物等都会对镀液构成污染 因此要定期用活性炭净化 一般每年至少用活性炭处理一次 27 表6 5电镀铜故障原因及排除方法 6 常见故障及处理 28 6 1 4半光亮酸性镀铜半光亮酸性镀铜的特点在于它所用光亮剂不含硫 因而添加剂的分解产物少 镀层的纯度高 延性好 同时镀液具有极好的深镀能力 镀层外观为均匀 细致 整平的半光亮镀层 29 表6 6半光亮酸性镀铜Cu 200 的配方及操作条件 30 6 1 5印制板镀铜的工艺过程镀铜用于全板电镀和图形电镀 其中全板镀铜是紧跟在化学镀铜之后进行 而图形电镀是在图相转移之后进行的 31 全板电族的工艺流程如下 化学镀铜 活化 电镀铜 防氧化处理 水冲洗 干燥 刷板 印制负相抗蚀图象 修版 电镀抗蚀金属 水冲洗 去除抗蚀剂 水冲 蚀刻 32 图形电镀铜与电镀锡铅合金 或锡 连在一条生产线上工艺过程如下 33 6 1 6脉冲镀铜脉冲电镀 也称为PC电镀 与传统的直流电镀 也成为DC电镀 相比 可提高镀层纯度 降低镀层空隙率 改善镀层厚度的均匀性 脉冲电镀的实现不仅需要一个工艺参数与镀液相匹配的脉冲电源 还必须加强溶液的传递过程 如加强过滤 振动 甚至使用超声搅拌等等 34 脉冲电镀基本参数 脉冲导通时间 即脉宽 Ton脉冲关断时间Toff脉冲周期 Ton Toff脉冲频率f 1 脉冲占空比r Ton 100 脉冲电镀平均电流密度I Ion Ton Ioff Toff Ton Toff 35 6 2电镀Sn Pb合金 电镀Sn Pb合金大多是与电镀铜组成的自动生产线上来进行的 20世纪70年代开始 电镀Sn Pb合金层除了作耐碱抗蚀剂外 还用作可焊层 经热油热熔或红外热熔后 化学镀膜处理层 36 6 2 1Sn Pb合金镀配方与工艺规范 37 6 2 2主要成分的作用1 金属离子的作用在Sn Pb合金镀中 总金属离子浓度提高将有利于提高阴极电流密度的上限值和提高镀层的沉积速率 2 氟硼酸的作用氟硼酸能与镀液中的Sn2 和Sn2 pb2 形成稳定的络离子 以提供电沉积时所需求的金属离子 38 3 硼酸作用硼酸的作用主要在于稳定镀液中的氟硼酸 使之不水解 从下式可看出 HBF4 3H2O H3BO3 4HF4 添加剂的作用蛋白胨添加剂和非胨体系添加剂有结晶细化剂 能提高分散能力和深镀能力 39 6 2 3工艺参数的影响1 电流密度的影响2 温度3 循环过滤与阴极移动4 阳极 40 表6 960 40的Sn Pb合金阳极技术条件 41 6 3电镀镍和电镀金 电镀镍 金是指在PCB表面导体先镀上一层镍后再镀上一层金而言的一般要采用工艺导线法或图形电镀镀法常用的电镀镍可分为光亮镀镍和半光亮镀镍 其所用的配方体有硫酸盐体系和氨基磺酸盐体系等 42 6 3 1插头电镀镍与金 其工艺流程如下 上板 清洗 微蚀 刷洗 活化 漂洗 电镀 低应力镍 漂洗 活化 漂洗 电镀金 金回收 用 漂洗 烘干 下板 43 表6 14低应力镍液组成 配方及工艺条件 44 6 3 2电镀镍 闪镀金或电镀镍 电镀厚金1 电镀镍 闪镀金它是在电镀镍 3 5 m厚 上再闪镀0 05 0 15 m厚度的金层 薄金层主要是用来保护和保证镍层的可焊性能 采用电镀的金手指部位 45 表6 16镀闪金 厚金液组成配方 46 2 电镀镍 电镀厚金工艺流程如下 图形镀铜 水洗 微蚀 双逆水漂洗 酸洗 水洗 电镀镍 双逆水漂洗 镍活化 双逆水漂洗 电镀金 金回收 用 酸洗 水洗 烘干 47 6 3 3电镀镍和电镀金的维护 48 6 4化学镀镍 浸金 6 4 1化学镀镍 金发展的背景表面封装技术SMD的兴起 要求PCB本身不能弯曲 以避免潜在的应力 滑位 塌坍和短路的危险 化学Ni Au表面镀层等可以满足SMD焊装要求 电镀生厂线 49 化学Ni Au镀层原则上可以完全满足上述所有要求 但是 一般所讲的化学Ni Au 指的是镍厚度大约为5 m 是用自催化镀镍溶液制备的 而化学Au 实际上是化学浸Au 是通过Au置换Ni而产生的 厚度通常只能在0 03 0 1 m之间 最大也不超过0 15 m 只能满足熔焊和金线搭接焊的要求 在搭接焊中 要求化学Ni Au中Au层厚度在0 3 0 5 m 为此 Au层只好用自催化还原的Au的方法来制作 这样 成本将是很高而难于接受的 50 ATO公司在开发了化学Ni Au表面镀层后 又开发了化学Ni Pd Au 厚度 5 m 0 5 m 0 02 m 全功能的表面复合镀层 可以代替0 3 m以上的Au层 进行任何形式的焊接和搭接 51 2 各种因素对镀镍速度的影响 1 温度 2 pH值 3 镍盐的浓度 4 添加剂 5 反应产物 52 6 4 4化学浸金浸镀金的置换反应为 2Au CN 2 Ni 2Au Ni CN 42 原则上讲 当镍面上完全覆盖上一层Au之后 金的析出便停止 但由于金层表面孔隙很多 故多孔的金属下的镍仍可溶解 而金还会继续析出在镍上 只不过速率愈来愈低 直至终止 53 表6 22浸金溶液配方 54 Aurotech是ATO公司开发的化学Ni Au制程的商品名称 适用于制作阻碍膜之后的印制电路板的裸露区域 一般是焊脚或连接盘的导通孔 进行选择性镀覆的化学法 Aurotech工艺能在裸露的Cu表面和金属化孔内沉积均匀的化学Ni Au镀层 即便是高厚径比的小孔也如此 55 3 Aurotech工艺步骤说明 56 6 5脉冲镀金 化学镀金及激光化学镀金 6 5 1脉冲镀金脉冲镀金工艺是应用脉冲技术最早 最多和最有成效的镀种之一 它比直流镀金具有更优异的镀层性能 如镀金层结晶致密光亮 纯度高 可焊性好 孔隙少和耐蚀性高等 57 表6 23酸性脉冲镀金工艺规范 58 6 5 2化学镀金化学镀与浸镀其机理完全不同 化学镀是指在没有外电流的作用下 利用溶液中的还原剂将金属离子还原为金属并沉积在基体表面 而形成金属镀层的表面加工方法 又成为自催化电镀和无电电镀 59 表6 24化学镀薄金工艺配方 60 2 化学镀厚金工艺化学镀厚金是在化学浸金的镀层上进行 镀液中加入特殊的还原剂 使在置换与自催化作用下镀金 镀层厚度达0 5 1 m 是金线压焊的理想镀层 有特殊要求也可镀2 m 电镀生长 61 表6 25化学镀厚金工艺 62 1 化学镀锡机理铜基体上的化学镀锡原则上属于化学浸锡 是铜与镀液中络合锡离子发生置换反应的结果 当锡层形成后 反应立即停止 普通酸性溶液中 铜的标准电极电位 0Cu Cu 0 51V 锡的标准电极电位 0Sn2 Sn 0 136V 故金属铜不可能置换溶液中的锡离子而生成金属锡 63 6 6化学镀锡 镀银 镀钯和镀铑 1 化学镀锡在有络合物 如硫脲 存在的条件下 使铜置换溶液的锡离子成为可能 此时的化学反应如下 4 NH2 2CS 2Cu2 2e 2Cu NH2 2CS 4 Sn2 2e Sn4 NH2 2CS 2Cu2 Sn2 2Cu NH2 2CS 4 Sn2 1 64 2 化学镀银的工艺方法仍以浸镀为主 其化学反应式如下 2Ag Cu Cu 2 2Ag3 工艺流程 酸性除油 水冲洗 微蚀 水洗 刷光 预浸 化学镀银 水洗 干燥 65 表6 27化学镀银组成分及工艺条件 66 6 6 3化学镀钯 67 表6 29光亮镀铑工艺配方及工艺条件 6 6 4化学镀铑 68 6 7习题 1 电镀和化学镀在印制电路板工业应用的意义和目的是什么 印制电路板制造工业中常用到哪些电镀和化学镀镀种和技术 各镀种的作用是什么 2 铜镀层的作用及对镀层 镀液的基本要求是什么 3 解释和说明表6 2电镀铜镀液配方和工艺条件中 各组分和工艺条件的功能和作用 4 什么叫做霍尔槽试验 如何进行霍尔槽试验 霍尔槽试验在电镀工艺试验中有何作用 5 酸性光亮电镀铜故障原因及排除方法有哪些 试作适当的说明 6 印制板镀铜的工艺过程有哪几种 简述全板电镀和图形电镀的工艺流程 并说明这两种工艺的优缺点和适用范围 7 什么叫做脉冲电镀 与直流电镀铜相比 脉冲电镀铜有何优点 69 8