PCB印制电路板表面镀镍工艺模板.doc

1概述
    镍，元素符号Ni，原子量58．7，密度8．88g/cm3，Ni2+电化当量1．095g／AH。
    用于印制板镍镀层分为半光亮镍(又称低应力镍或哑镍)和光亮镍两种。关键作为板面镀金或插头镀金底层，依据需要也可作为面层，镀层厚度根据IPC-6012(1996)标准规不低于2~2．5μm。镍镀层应含有均匀细致，孔隙率低，延展性好等特点，而且低应力镍应含有宜于钎焊或压焊功效。
    2低应力镍
    2．1镀镍机理
    阴极：在阴极上，镀液中镍离子取得电子沉积出镍原子，同时伴有少许氢气析出。
    Ni2++2e+Ni0Ni2+／Ni=-0．25V
    2H++2e+H20Ni2+／N2=-0.0V
    即使Ni标准电极电位很负，但因为氢过电位和镀液中镍离子浓度、温度、pH等操作条件影响，阴极上析出氢极少，这时镀液电流效率可达98％以上。只有当pH很低时，才会有大量氢气析出，此时阴极上无镍沉积。
    阳极：一般镀镍使用可溶性镍阳极。阳极主反应为金属镍电化学溶解：
    Ni-2e→Ni2+
    当阳极电流密度过高，电镀液中又缺乏阳极活化剂时，阳极将发生钝化并伴有氧气析出：
    2H20-4e→02↑+4H+
    当镀液中有氯离子存在时，也可能发生析出氯气得反应：
    2C1--2e→C12↑
    阳极上金属镍电化学溶解使镍离子不停进入溶液，从而提供了阴极电沉积所需镍离子。但当阴极面积不够大或镀液中活化剂不够时，将造成阳极钝化而析出氧，生成氧进步氧化阳极表面，生成棕色Ni203氧化膜。
    2Ni+3[O]→Ni2O3
    因为阳极钝化，使电流密度降低，槽电压升高，电能损失增加。
    当使用高速镀镍工艺时，阳极采取非溶性材料如：铂、钛上镀铂网或钛上镀钌网，也能够采取含硫活性镍阳极。
    2．2镀液配方及操作条件
    2．3镀液配制
    1)在备用槽中，用热去离子水溶解计量硫酸镍、氯化镍和计量1/2硼酸。
    2)加热至55~60℃，加活性炭3g/L，搅拌2h，静置2h，过滤，将无炭粒溶液转人已清洗洁净工作槽中。
    3)搅拌下，加入其它量硼酸，调pH到3．0，在55-60℃下，用瓦楞形阴极，在0．3~0．5A／dm2下电解，直至阴极板上镀层颜色均匀一致为止。
通常通电量需达4Ah/L。
    4)加入添加剂和润湿剂，搅拌，调pH及液位，分析镀液成份。试镀。
    假如所用硫酸镍、氯化镍等材料纯度低，则需在加活性炭之前，先加H2O21~3ml／L，搅拌半小时，加热至65℃，保持半小时，再加活性炭并继续按步骤进行。
    2．4各成份作用
    2．4．1主盐
    硫酸镍或氨基磺酸镍是镀镍溶液关键成份，在一般镀镍中，控制Ni2+浓度65-75g／L。表7-2中列出了这两种类型镀液所镀出镀层关键性能比较。从表中看出，以氨基磺酸盐型低应力镍镀层性能更佳。但氨基磺酸镍稳定性较差，价格较贵。而用硫酸镍为主盐也能达成技术要求。
    提升主盐浓度，能够提升镀层沉积速度，并能使许可电流密度范围扩大，但主盐浓度太高会造成镀液分散能力降低。主盐浓度降低造成镀层沉积速度降低，严重时会造成高电流区镀层烧焦。
    2．4．2阳极活化剂
    为了确保阳极正常溶解，预防阳极钝化，镀液中需要阳极活化剂。镍卤族化合物如：氯化镍、溴化镍等能够作为镍阳极活化剂。氯化镍浓度不能太高，不然会使镀层应力增加，通常以氯化镍小于30g／L为宜；以溴离子作阳极活化剂，它浓度升高影响不大，但溴化物原料起源不如氯化镍方便。
    阳极钝化有以下现象：
    1)槽电压升高，通常可达6V以上，但电流却很小。
    2)阳极表面气泡较多，有时会有刺激性气味，甚至表面呈褐色。
    造成阳极钝化关键原因：
    镀液中阳极活化剂浓度太低。
    阳极面积太小。
    此时，将溶液和阳极面积调整后，将阳极取出，经稀硫酸处理后，洗净重新放人镀液。
    2．4．3缓冲剂
    硼酸是镀镍溶液最好缓冲剂。它能够将镀液酸度控制在一定范围之内，为了达成最好缓冲效果，硼酸浓度不能低于30g／L，最好保持在40-50g／L。
    H2BO3缓冲作用是经过H2BO3电离来维持，H2BO3是一个弱酸，它在水溶液中电离反应以下:
    H2BO3和H++H2BO3-
    H2BO3和H++HBO32-
    HBO32和H++BO33-
    当溶液pH上升时，电离平衡向右进行，维持了溶液pH值稳定；当溶液pH下降时，使电离平衡向左进行，一样维持了溶液pH稳定。
    硼酸不仅含有pH缓冲能力，而且它能提升阴极极化，改善镀液性能，使在较高电流密度下，镀层不易烧焦。硼酸存在也有利于改善镀层机械性能。
2．4．4添加剂
    添加剂加入，改善了镀液阴极极化，使镀层均匀细致并含有半光亮镍光泽，同时改善了镀液分散能力。
    添加剂关键成份是应力消除剂，因为添加剂加入，降低了镀层内应力，伴随添加剂浓度改变，能够使镀层内应力由张应力改变为压应力。能起到这种作用材料有如：萘磺酸、对甲苯磺酰胺、糖精等。添加剂成份选配适宜，能够使镀层均匀细致有光泽而且可焊性好。
    2．4．5润湿剂润湿剂能降低镀液表面张力，使表面张力降至35-37dyn／cm，这有利于消除镀层针孔、麻点。用于印制板镀镍溶液宜使用低泡润湿剂，如：二乙基已基硫酸钠、正辛基硫酸钠等。
2．5操作条件
    2．5．1pH值
    pH控制在3．5~4为宜。当pH一定时，伴随电流密度增加，电流效率也增加。pH高，镍沉积速度快，但pH太高将造成阴极周围出现碱式镍盐沉淀，从而产生金属杂质夹杂，使镀层粗糙、毛刺和脆性增加。pH低些，镀层光泽性好，但pH太低造成阴极电流效率降低，沉积速度降低，严重时阴极大量析氢，镀层难以沉积。
    使用可溶性阳极镀液，伴随电极过程进行，镀液pH逐步升高。使用不溶性阳极镀液，因为阳极析氧，使镀液中OH-浓度降低，从而pH会降低。
    降低镀液pH用10％(V／V)H2S04；提升镀液pH用碳酸镍或碱式碳酸镍。提升镀液pH不宜用N。OH，因为钠离子在镀液中积累会降低电流密度上限，轻易造成高电流区镀层烧焦。碳酸镍加入方法最好是将它放人聚丙烯滤袋并挂在镀液中，使其缓慢溶于镀液中，且不可将固体物直接放入镀液中，当pH达成要求后，取出滤袋，洗净后烘干备用。当市售碳酸镍难以购到时，能够自己制备：将3份重量硫酸镍和1．3份重量无水碳酸钠分别用少许去离子水溶解，在搅拌下将碳酸钠溶液慢慢倒人硫酸镍溶液中，反应方程式以下：
    NiSO4+Na2CO，→NiCO3↑+Na2SO4
    待沉淀完全后，过滤，用去离子水洗涤沉淀数次，以去除硫酸钠，沉淀即可使用。
    2．5．2温度
    操作温度对镀层内应力影响较大，提升温度可降低镀层内应力，当温度由10-35℃时，镀层内应力有显著降低，到60℃以上，镀层内应力稳定。通常维持操作温度55~60℃为宜。
    镀液操作温度升高，提升了镀液中离子迁移速度，改善了溶液电导，从而也就改善了镀液分散能力和深镀能力，使镀层分布均匀。同时温度升高也能够许可使．用较高电流密度，这对高速电镀极为关键。
    2．5．3电流密度
    在达成最高许可电流密度之前，阴极电流效率随电流密度增加而增加。在正常操作条件下，当阴极电流密度4A／dm2时，电流效率可达97％，而镀层外观和延展性全部很好。对于印制板电镀，因为拼板面积比较大，至使中心区域和边缘电流密度可相差数倍，所以实际操作时，可取操作电流密度2A／dm2左右为宜。
    2．5．4搅拌
    搅拌能有效地清除浓差极化，确保电极过程连续有效地进行，同时也有利于阴极表面产生少许氢气很快逸出，降低可能出现针孔、麻点。搅拌方法可采取：镀液连续过滤、阴极移动和空气搅拌，或选择其中二者相配合。对于高速镀镍，其电流密度高达20A／dm2以上，为了愈加好清除浓差极化，应配有镀液喷射专用设备。
    镀液连续过滤是必需，它可立即清除镀液中机械杂质，又能保持镀液流动。过滤机能力以满足每小时过滤镀液2~5次为宜，滤芯用聚丙烯材料，精度以5μm为宜。
若采取阴极移动，振幅20~25mm，15~20次／min。
    若采取空气搅拌，则必需和连续过滤相配合，所供压缩空气应是无油压缩空气，气流中速，假如空气量太大，造成溶液流动太快，将降低镀液分散能力。
    2．5．5镍阳极
    常规镀镍均采取可溶性镍阳极，能够使用镍板或装在钛篮中镍角，并用吊钩将阳极悬挂在阳极杆上。
    理想阳极要能够均匀溶解，不产生杂质进入镀液，不形成任何残渣。所以对阳极材料成份及阳极结构全部有严格要求。
    现在采取盛有镍球(角)钛篮作为阳极已相当普遍。使用钛篮盛阳极材料能够保持足够大阳极面积而且不改变，阳极保养也比较简单，只要定时将阳极材料补人篮中。钛篮底部应高出槽底50-70mm，以避免阴极边缘因电力线过于集中而使镍镀层烧焦。使用钛篮还可利用合适遮蔽法调整阳极有效面积来改善阴极镀层分布。
    钛是很好阳极篮结构材料，它强度高、质轻、耐蚀而且表面有层氧化膜，此膜在正常电镀条件下，能够阻止电流经过钛篮而使电流直接通向钛篮内镍，但镍量不够时，钛就会受到浸蚀，所以应常常充实篮内阳极镍材预防"架空"。钛篮常见网目是10x3mm，也有用更宽。钛篮应装入聚丙烯材料织成阳极袋内，阳极袋必需适度套紧并有正确长度，阳极袋口应高出液面30-40mm，以防阳极泥渣析出。为预防阳极袋受到意外伤害而使阳极泥渣泄出，能够使用双层袋，这么内袋要套紧，外袋要松些。
    高质量镍阳极对保护镀层质量，延长镀液寿命十分关键。伴随钛篮出现，阳极镍品种也在改善和提升。现在常见有25x25x15mm镍块，有96-12mm镍球，还有022-10mm形如钮扣状镍饼。装载密度通常是：镍球5．4~6ks／dm3,镍饼4．6kS／dm3。
    还有一个含硫镍阳极是活性镍阳极，它形状如圆饼或球形，它活性起源于精练过程所加人少许硫，它能使阳极溶解均匀，即使在没有氯化物镀液中，也能使阳极效率达100％，阳极所含硫并未进入镀液而是以不溶性硫化镍残渣形式保留在阳极袋中。该硫化镍残渣还可吸附镀液中铜离子而帮助净化镀液。这种活性镍阳极更适于作高速电镀阳极。球形或饼状阳极全部是用于自动线操作。
    阳极材料成份应符合国家标准GB6516-86，其它标准如IS06283，ASTMB39，全部制订了对应材料标准。
    2．6镀液维护
    1)定时分析镀液中主盐成份并立即给以补充，以保持镀液成份稳定。选择高质量硫酸镍、
    氯化镍、硼酸或氨基磺酸镍至关关键。补人镀液中主盐应预先溶解后经活性炭处理才可人缸，硼酸可直接加人缸中，加入方法最好是将它置人阳极袋中，使在镀液中缓慢溶入。
    2)立即检验和调整镀液pH值，通常每4小时最少检验调整一次。
    3)添加剂依据安时数立即补充，最好能由赫尔槽试验配合补加。
4)镀液关键污染来自于重金属离子和有机污染，要立即清除。
    镀镍液重金属污染关键是Cu2+，Fe2+，Zn2+，当Cu2+达0．01~0．05g／L时，造成镀层低电流区发黑，严重时镀层无光亮，可焊性差。Pe和Zn污染关键起源于主盐和阳极。当Fe2+0．03~0．05g／L时，镀层发脆，产生针孔；当Zn2+0．02g／L时，镀层低电流区出线条纹。以上重金属杂质可在操作温度下，调pH到3，以0．2~0．5A／dm2电流用瓦楞形阴极通电处理，直至镀层在高低电流区颜色一至为止。小电流处理也会消耗添加剂，所以在小电流处理完成后，需检验并调整pH，同时补充适量添加剂。这项除杂工作应常常进行。也能够经过哑镍除杂水并伴有小电流处理重金属杂质。
    有机污染来自干膜或网印油墨，尤其是当油墨烘干不根本时。有机杂质造成镀层发雾、发脆、针孔，严重时影响可焊性。少许有机污染出现针孔、麻点可经过补加润湿剂来克服，当这么做无效时，应对溶液进行炭处理。经过过滤机进行炭处理对镀液日常维护是必需，这么还能够和小电流处理同时进行，达成一举两得。
    5)镀液大处理：当镀液受到严重污染或经过较长时间使用后(如六个月至1年)，有必需进行大处理。大处理就是经过化学、电化学和机械方法，将溶液中重金属和有机杂质比较根本清理一次，相当于镀液再生。
    处理方法以下：将溶液置人备用槽中，加足需要补充主盐，加H2O2(30％)1~3ml／L,搅拌1至2小时，调pH到5．5，加温60-65℃，保温最少0．5小时，加优质活性炭粉3g／L，搅拌1-2小时，此时液温应在50℃以上，将溶液静置，过滤，将完全澄清溶液转入工作槽中，调PH到3，以瓦楞形阴极通小电流处理，直至阴极上高低电流区颜色一致为止。大处理后，调整PH，补充开缸量湿润剂和开缸量1/3-l/2添加剂，试镀。
    2．7不合格镀液退除
    不合格镀层能够用铜基体镀镍退镍液退除但要注意除膜，不然影响结协力。
3镀光亮镍
    光亮镍镀层均匀、细致、光亮，但不可焊。和一般金属零件镀光亮镍相比，印制板镀光亮镍层要求有愈加好延展性。
    光亮度镍溶液应含有很好分散能力和深镀能力和对杂质容忍性强等特点，同时应稳定，便于维护。
    3．1镀液配方及操作条件
    3．2镀液配制
    1)在备用槽中，用60℃左右热纯水将计量硫酸镍、氯化镍和1/2计量硼酸溶解。
    2)在60℃左右溶液中，加入活性炭粉3g／L，搅拌1-2小时。静置，过滤，将澄清无炭粒溶液转入已经清洗好工作槽中。
    3)加纯水至靠近镀液体积，调pH到3(用10％H2SO4)，调液温到50-60℃，用瓦楞形阴极以0．2~0．5A／dm2阴极电流密度电解4-8小时，直至阴极镀层均匀一致为止。电解过程中逐步加人另二分之一硼酸。电解处理通电量通常不少于4Ah／L。
    4)按工艺要求加入添加剂、润湿剂，在搅拌下调整pH和液位。分析镀液成份。
    5)试镀。
    3．3镀液中各成份作用
    3．3．1硫酸镍(NiSO4·6H2O)
    硫酸镍是镀液关键成份。浓度以250-300g／L为宜。硫酸镍浓度高，镀层沉积速度快，电流密度范围大，但浓度太高造成携带损失增加，也不利于镀液分散能力。硫酸镍浓度太低。镀层沉积速度慢，高电流区轻易烧焦。为了维持稳定沉积速度，最好将硫酸镍浓度控制在较小范围内，如280g／L左右。
    3．3．2氯化镍(NiCl2·6H2O)
    氯化镍是阳极活化剂，氯化镍浓度高有利于提升阳极电流效率，保持阳极溶解正常进行，但浓度太高造成镀层应力增加。氯化镍浓度太低将造成阳极钝化。氯化镍浓度以50-70g／L为宜。
    3．3．3硼酸(H2BO3)
    硼酸是镀液缓冲剂，其浓度40-50g／L为宜。硼酸浓度太低，影响溶液导电率，同时镀液缓冲效果差；提升硼酸浓度，溶液导电率提升，镀层均匀度改善。硼酸浓度高对电镀过程无害。
    3．3．4添加剂
    光亮镀镍添加剂分为初级光亮剂和次级光亮剂两种。初级光亮剂就是通常所说开缸剂、柔软剂等，它作用是改善和细化镀层结晶，使镀层分布均匀，并和次级光亮剂配合，降低镀层内应力。次级光亮剂就是通常所说光亮剂、主光剂等，它和初级光亮剂配合，使镀层光亮整平、均匀、细致，而且延展性好。单独使用次级光亮剂即使能够取得光亮镍镀层，但镀层光亮范围窄，应力高，脆性大。现在普遍使用初级光亮剂是糖精、苯亚磺酸钠、对甲苯磺酰胺等。广泛使用次级光亮剂是1．4-丁炔二醇及其衍生物，丙炔醇及其衍生物及吡啶类化合物等。
这类成份配合适当，就可成为理想镀镍光亮剂。为了使用方便和得到最好效果通常全部配成专利添加剂在市场销售，使用者能够依据自己需要选择性能好，价格合理添加剂用于生产。
    3．3．5润湿剂
    润湿剂是表面活性剂，它可降低溶液表面能力，降低或克服镀层出现针孔、麻点等疵病。作为印制板镀镍，应选择低泡润湿剂，浓度通常1-5ml／L。控制表面张力在35-40dyn／em。
    润湿剂太少，镀层出现针孔、麻点；润湿剂太多会造成镀层发雾、发花。甚至组成有机污染。
    3．4操作条件影响
    3．4．1pH值
    光亮镀镍pH值通常在4左右。pH太高，镀层脆性会增加；pH太低，阴极电流效率低，严重时，阴极析出大量氢气而无镀层析出。
    3．4．2温度
    温度控制在50-60~C，提升温度镀层沉积速度加紧，许可电流密度范围扩大，且镀层内应力低，镀液分散能力和深镀能力全部得到改善。为了得到最好镀层，镀液最好配有控温装置，保持液温稳定。
    3．4．3电流密度
    光亮镀镍电流密度可达1．5-8A／dm2，线路板操作中，通常选择2-4A／dm2，这是因为大拼板上其中心部位和边缘部位电流分布差距很大，为预防边缘烧焦，对不一样板面要选好最好电流密度。
    3．4．4搅拌和过滤
    光亮镀镍许可电流密度较高，为确保得到均匀细致镀层，镀液需要流动和净化。空气搅拌和阴极移动并配有镀液连续过滤是必需，能够依据具体情况选择空气搅拌配连续过滤，或阴极移动配连续过滤，或三者联合使用。
    3．4．5阳极
    光亮镀镍使用可溶性镍阳极，镍角可使用纯镍或含硫活性镍。镍角装入有阳极袋包裹钛篮中，阳极袋用聚丙烯布制成。
    3．5光亮镀镍溶液维护
    1)定时分析硫酸镍、氯化镍、硼酸，并立即给调整。补加硫酸镍、氯化镍时，应事先溶解并经活性炭处理后方可加入镀槽。硼酸补加：可将待补加硼酸放人聚丙烯袋内，将其吊人溶液中慢慢溶解。
    2)立即检验和调整溶液pH值。降低pH用10％(V/V)H2SO4，升高pH用NiCO3或NiCO3·Ni(OH)2。日常作业中，PH会升高，通常最少4小时应调整一次。
    3)按赫尔槽试验或参考说明书中给出添加剂消耗数据立即补充所用添加剂。
    4)立即处理镀液中污染。铜、铁、锌等重金属离子污染通常是用在pH，下，在操作温度下，用瓦楞形阴极通0．1-0．5A／dm2电流处理，直到瓦楞形阴极上镀层颜色均匀为止。必需时能够用除杂水，除杂水加入量不可太多，过多会造成镀层发脆。也能够在加入除杂水后辅以小电流处理。
    有机污染用活性炭处理。
    假如镀液使用时间比较长，有必需进行大处理时，可参见2．6节。