印制電路板表面鍍鎳工藝

1、1概述鎳，元素符號Ni ,原子量58 . 7,密度8. 88g/cm3 , Ni2+的電化當(dāng)量1. 095g /AH。用于印制板的鎳鍍層分為半光亮鎳(又稱低應(yīng)力鎳或啞鎳)和光亮鎳兩種。主要作為板面鍍金或 插頭鍍金的底層，根據(jù)需要也可作為面層，鍍層厚度按照IPC-6012(1996)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)不低于22 .5 p m。鎳鍍層應(yīng)具有均勻細(xì)致，孔隙率低，延展性好等 特點，而且低應(yīng)力鎳應(yīng)具有宜于釬焊或壓焊的功能。2低應(yīng)力鎳2 . 1鍍鎳機(jī)理陰極：在陰極上，鍍液中的鎳離子獲得電子沉積出鎳原子，同時伴有少量氫氣析 出。Ni2+2e+Ni0Ni2+/ Ni=-0 . 25V2H+2e+H20Ni2+ / N2=

2、-0.0V雖然Ni的標(biāo)準(zhǔn)電極電位很負(fù)，但由于氫的過電位以及鍍液中鎳離子的濃度、溫度、pH等操作條件的影響，陰極上析出氫極少，這時鍍液的電流效率可達(dá)98 %以上。只有當(dāng) pH很低時，才會有大量氫氣析出，此時陰極上無鎳沉積。陽極：普通鍍鎳使用可溶性鎳陽極。陽極的主反應(yīng)為金屬鎳的電化學(xué)溶解：Ni- 2e Ni2+當(dāng)陽極電流密度過高，電鍍液中又缺乏陽極活化劑時，陽極將發(fā)生鈍化并伴有 氧氣析出：2H20- 4e 02 T +4H+當(dāng)鍍液中有氯離子存在時，也可能發(fā)生析出氯氣得反應(yīng):2C1- 2e C12 T陽極上金屬鎳電化學(xué)溶解使鎳離子不斷進(jìn)入溶液，從而提供了陰極電沉積所需的鎳離子。但當(dāng) 陰極面積不夠大或

3、鍍液中活化劑不夠時，將導(dǎo)致陽極鈍化而析出氧，生成的氧進(jìn)步氧化陽極表 面，生成棕色的Ni203氧化膜。2Ni+3O Ni2O3由于陽極鈍化，使電流密度降低，槽電壓升高，電能損失增加。當(dāng)使用高速鍍鎳工藝時，陽極采用非溶性材料如：鉑、鈦上鍍鉑網(wǎng)或鈦上鍍釘網(wǎng)，也可以采用 含硫的活性鎳陽極。2. 2鍍液配方及操作條件2. 3鍍液配制1） 在備用槽中，用熱去離子水溶解計量的硫酸鎳、氯化鎳和計量1/2的硼酸。2）加熱至5560 C，加活性炭3g/L，攪拌2h，靜置2h，過濾，將無炭粒的溶液轉(zhuǎn)人已清洗干凈的工作槽中3）攪拌下，加入其余量硼酸，調(diào)pH到3. 0，在55-60 C下，用瓦楞形陰極，在0 . 30

4、. 5A/dm2下電解，直至陰極板上鍍層顏色均勻一致為止。一般通電量需達(dá)4Ah/L。4） 加入添加劑和潤濕劑，攪拌，調(diào)pH及液位，分析鍍液成分。試鍍。如果所用硫酸鎳、氯化鎳等材料純度低，則需在加活性炭之前，先加H2O213ml /L,攪拌半小時，加熱至65 C，保持半小時，再加活性炭并繼續(xù)按步驟進(jìn)行。2 . 4各成分作用2. 4.1主鹽硫酸鎳或氨基磺酸鎳是鍍鎳溶液的主要成分，在普通鍍鎳中，控制Ni2+濃度65-75g /L。表7-2中列出了這兩種類型鍍液所鍍出鍍層的主要性能比較。從表中看出，以氨基磺酸鹽型的低應(yīng)力鎳鍍層的性能更佳。但氨基磺酸鎳穩(wěn)定性較差，價格較貴。 而用硫酸鎳為主鹽也能達(dá)到技術(shù)

5、要求。提高主鹽濃度，可以提高鍍層的沉積速度，并能使允許電流密度范圍擴(kuò)大，但主 鹽濃度太高會導(dǎo) 致鍍液分散能力降低。主鹽濃度降低導(dǎo)致鍍層沉積速度降低，嚴(yán) 重時會導(dǎo)致高電流區(qū)鍍層燒 焦。2. 4 . 2陽極活化劑為了保證陽極正常溶解，防止陽極鈍化，鍍液中需要陽極活化劑。鎳的鹵族化合 物如：氯化鎳、 漠化鎳等可以作為鎳陽極活化劑。氯化鎳濃度不能太高，否則會使鍍層應(yīng)力增加，一般以氯化鎳不大于30g /L為宜；以漠離子作陽極活化劑， 它的濃度升高影響不大，但漠化物原料來源不如氯化鎳方便。陽極鈍化有以下現(xiàn)象：1) 槽電壓升高，一般可達(dá)6V以上，但電流卻很小。陽極表面氣泡較多，有時會有刺激性氣味，甚至表面呈

6、褐色。造成陽極鈍化的主要原因：鍍液中陽極活化劑濃度太低。陽極面積太小。此時，將溶液和陽極面積調(diào)整后，將陽極取出，經(jīng)稀硫酸處理后，洗凈重新放人 鍍液。2. 4 .3緩沖劑硼酸是鍍鎳溶液最好的緩沖劑。它可以將鍍液的酸度控制在一定范圍之內(nèi)，為了 達(dá)到最佳緩沖效果，硼酸濃度不能低于30g / L,最好保持在40-50g/L。H2BO3的緩沖作用是通過H2BO3的電離來維持的，H2BO3是一種弱酸，它在水溶液中電 離反應(yīng)如下：H2BO3 與 H+H2BO3-H2BO3 與 H+HBO32-HBO32 與 H+BO33-當(dāng)溶液pH上升時，電離平衡向右進(jìn)行，維持了溶液pH值的穩(wěn)定；當(dāng)溶液pH下降時，使電 離

7、平衡向左進(jìn)行，同樣維持了溶液pH的穩(wěn)定。硼酸不僅具有pH緩沖能力，而且它能提高陰極極化，改善鍍液性能，使在較高 的電流密度 下，鍍層不易燒焦。硼酸的存在也有利于改善鍍層的機(jī)械性能。2. 4 .4添加劑添加劑的加入，改善了鍍液的陰極極化，使鍍層均勻細(xì)致并具有半光亮鎳的光澤，同時改善了 鍍液的分散能力。添加劑的主要成分是應(yīng)力消除劑，由于添加劑的加入，降低了鍍層的內(nèi)應(yīng)力，隨 著添加劑的 濃度變化，可以使鍍層內(nèi)應(yīng)力由張應(yīng)力改變?yōu)閴簯?yīng)力。能起到這種作用的材料有如：萘磺酸、 對甲苯磺酰胺、糖精等。添加劑成分選配合適，可以使 鍍層均勻細(xì)致有光澤并且可焊性好。2. 4. 5潤濕劑潤濕劑能降低鍍液的表面張力，使

8、表面張力降至35-37dyn / cm ,這有利于 消除鍍層的針孔、麻點。用于印制板的鍍鎳溶液宜使用低泡潤濕劑，如：二乙基已基硫酸鈉、 正辛基硫酸鈉等。2. 5操作條件2. 5 . 1pH值pH控制在3. 54為宜。當(dāng)pH 一定時，隨著電流密度增加，電流效率也增 加。pH高，鎳的沉積速度快，但pH太高將導(dǎo)致陰極附近出現(xiàn)堿式鎳鹽沉淀，從而 產(chǎn)生金屬 雜質(zhì)的夾雜，使鍍層粗糙、毛刺和脆性增加。pH低些，鍍層光澤性好，但pH太低導(dǎo)致陰極 電流效率降低，沉積速度降低，嚴(yán)重時陰極大量析氫，鍍層 難以沉積。使用可溶性陽極的鍍液，隨著電極過程的進(jìn)行，鍍液pH逐漸升高。使用不溶性 陽極的鍍液， 由于陽極析氧，使

9、鍍液中OH-濃度減少，從而pH會降低。降低鍍液pH用10 %（V/V） H2S04 ；提高鍍液pH用碳酸鎳或堿式碳酸鎳。提高鍍液 pH不宜用N。OH，因為鈉離子在鍍液中的積累會降低電流密度上限，容易導(dǎo)致高電流區(qū)鍍層 燒焦。碳酸鎳的加入方法最好是將它放人聚丙烯的濾袋并 掛在鍍液中，使其緩慢溶于鍍液中， 且不可將固體物直接放入鍍液中，當(dāng)pH達(dá)到要求后，取出濾袋，洗凈后烘干備用。當(dāng)市售碳 酸鎳難以購到時，可以自己制 備：將3份重量的硫酸鎳與1. 3份重量的無水碳酸鈉分別用少量去離子水溶解，在攪拌下將碳酸鈉溶液慢慢倒人硫酸鎳溶液中，反應(yīng)方程式如下:NiSO4+Na2CO，一 NiCO3 T +Na2S

10、O4待沉淀完全后，過濾，用去離子水洗滌沉淀數(shù)次，以去除硫酸鈉，沉淀即可使用。5. 2溫度操作溫度對鍍層內(nèi)應(yīng)力影響較大，提高溫度可降低鍍層內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)溫度由10- 35 C時，鍍層內(nèi)應(yīng)力有明顯降低，到60 C以上，鍍層內(nèi)應(yīng)力穩(wěn)定。一般維持操作溫度5560 C為宜 鍍液操作溫度的升高，提高了鍍液中離子的遷移速度，改善了溶液 的電導(dǎo)，從而 也就改善了鍍液的分散能力和深鍍能力，使鍍層分布均勻。同時溫度升高也可 以允許使.用較高的電流密度，這對高速電鍍極為重要。5 . 3電流密度在達(dá)到最高的允許電流密度之前，陰極電流效率隨電流密度的增加而增加。在正 常的操作條件 下，當(dāng)陰極電流密度4A /dm2時，電流效

11、率可達(dá)97 %，而鍍層 外觀和延展性都很好。對 于印制板電鍍，由于拼板面積比較大，至使中心區(qū)域與 邊緣的電流密度可相差數(shù)倍，所以實 際操作時，可取操作電流密度2A /dm2左右為宜。2. 5 . 4攪拌攪拌能有效地清除濃差極化，保證電極過程持續(xù)有效地進(jìn)行，同時也有利于陰極 表面產(chǎn)生的少 量氫氣很快逸出，減少可能出現(xiàn)的針孔、麻點。攪拌方式可采用：鍍液連續(xù)過濾、陰極移動和 空氣攪拌，或者選擇其中的兩者相配合。對于高速鍍 鎳，其電流密度高達(dá)20A /dm2以 上，為了更好的清除濃差極化，應(yīng)配有鍍液 噴射的專用設(shè)備。鍍液連續(xù)過濾是必要的，它可及時清除鍍液中的機(jī)械雜質(zhì)，又能保持鍍液流動。過濾機(jī)的能力以

12、滿足每小時過濾鍍液2-5次為宜，濾芯用聚丙烯材料，精度以5ym 為宜。若采用陰極移動，振幅2025mm , 15-20次/ min。若采用空氣攪拌，則必須與連續(xù)過濾相配合，所供的壓縮空氣應(yīng)是無油壓縮空氣，氣流中速， 如果空氣量太大，導(dǎo)致溶液流動太快，將降低鍍液的分散能力。2. 5 . 5鎳陽極常規(guī)鍍鎳均采用可溶性鎳陽極，可以使用鎳板或裝在鈦籃中的鎳角，并用吊鉤將陽極懸掛在陽 極桿上。理想的陽極要能夠均勻溶解，不產(chǎn)生雜質(zhì)進(jìn)入鍍液，不形成任何殘渣。因此對陽 極材料的成 分及陽極的結(jié)構(gòu)都有嚴(yán)格的要求。目前采用盛有鎳球（角）的鈦籃作為陽極已相當(dāng)普遍。使用鈦籃盛陽極材料可以保 持足夠大 的陽極面積而且不

13、變化，陽極保養(yǎng)也比較簡單，只要定期將陽極材料補(bǔ) 人籃中。鈦籃底部應(yīng) 高出槽底50-70mm，以避免陰極邊緣因電力線過于集中而 使鎳鍍層燒焦。使用鈦籃還可利用 適當(dāng)?shù)恼诒畏ㄕ{(diào)整陽極的有效面積來改善陰極 鍍層分布。鈦是很好的陽極籃結(jié)構(gòu)材料，它強(qiáng)度高、質(zhì)輕、耐蝕而且表面有層氧化膜，此膜 在正常電鍍條件 下，可以阻止電流通過鈦籃而使電流直接通向鈦籃內(nèi)的鎳，但鎳 量不夠時，鈦就會受到浸蝕， 所以應(yīng)經(jīng)常充實籃內(nèi)的陽極鎳材防止架空。鈦籃 常用網(wǎng)目是10 x3mm，也有用更寬的。鈦籃應(yīng)裝入聚丙烯材料織成的陽極袋內(nèi)，陽極袋必須適度套緊并有正確的長度，陽極袋口應(yīng)高 出液面30-40mm，以防陽極泥渣析出。為防止陽

14、極袋受到意外傷害而使陽極泥渣泄出，可以 使用雙層袋，這樣內(nèi)袋要套緊，外袋要松些 高質(zhì)量的的鎳陽極對保護(hù)鍍層的質(zhì)量，延長鍍液壽 命十分重要。隨著鈦籃的出現(xiàn)，陽極鎳的品種也在改進(jìn)和提高?，F(xiàn)在常用的有 25x25x15mm鎳塊，有96-12mm的鎳球，還有022-10mm形如鈕扣狀的鎳餅。裝載密度 一般是：鎳球 5 . 46ks / dm3,鎳餅 4. 6kS /dm3。還有一種含硫鎳陽極是活性鎳陽極，它的形狀如圓餅或球形，它的活性來源于精練過程所加人 的少量的硫，它能使陽極溶解均勻，即使在沒有氯化物的鍍液中，也能使陽極效率達(dá)100 %， 陽極所含的硫并未進(jìn)入鍍液而是以不溶性硫化鎳殘渣 形式保存在陽

15、極袋中。該硫化鎳殘渣還可吸 附鍍液中的銅離子而幫助凈化鍍液。這種活性鎳陽極更適于作高速電鍍的陽極。球形或餅狀陽極 都是用于自動線操作。陽極材料的成分應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB6516-86，其它標(biāo)準(zhǔn)如IS06283，ASTMB39，都制定 了相應(yīng)的材料標(biāo)準(zhǔn)。6鍍液維護(hù)1）定期分析鍍液中的主鹽成分并及時給以補(bǔ)充，以保持鍍液成分穩(wěn)定。選擇高質(zhì) 量的硫酸 鎳、氯化鎳、硼酸或氨基磺酸鎳至關(guān)重要。補(bǔ)人鍍液中的主鹽應(yīng)預(yù)先溶解后經(jīng)活性炭處理才可人 缸，硼酸可直接加人缸中，加入方式最好是將它置人陽極袋中，使在 鍍液中緩慢溶入。2）及時檢查和調(diào)整鍍液的pH值，一般每4小時至少檢查調(diào)整一次。3）添加劑根據(jù)安時數(shù)及時補(bǔ)充，

16、最好能由赫爾槽試驗配合補(bǔ)加4）鍍液的主要污染來自于重金 屬離子和有機(jī)污染，要及時清除。鍍鎳液的重金屬污染主要是Cu2+，F(xiàn)e2+，Zn2+，當(dāng)Cu2+達(dá)0 . 010 . 05g /L時，導(dǎo)致鍍層低電流區(qū)發(fā)黑，嚴(yán)重時鍍層無光亮，可焊性差。Pe和Zn的污染主要來源于主鹽和陽極。當(dāng)Fe2+0 . 030 . 05g / L時，鍍層發(fā)脆，產(chǎn)生針孑L；當(dāng) Zn2+0 . 02g /L時，鍍層低電流區(qū)出線條紋。以上重金屬雜質(zhì)可在操作 溫度下，調(diào)pH到3，以0. 20 . 5A / dm2的電流用瓦楞形陰極通電處理，直至鍍層在高低電流區(qū)顏色一至為 止。小電流處理也會消耗添加劑，因此在小電流處理完成后，需檢

17、查并調(diào)整pH，同時補(bǔ)充 適量添加劑。這項除雜工作應(yīng)經(jīng)常 進(jìn)行。也可以通過啞鎳除雜水并伴有小電流處理重金屬雜質(zhì)。有機(jī)污染來自干膜或網(wǎng)印油墨，特別是當(dāng)油墨烘干不徹底時。有機(jī)雜質(zhì)導(dǎo)致鍍層 發(fā)霧、發(fā)脆、 針孔，嚴(yán)重時影響可焊性。少量的有機(jī)污染出現(xiàn)的針孔、麻點可通 過補(bǔ)加潤濕劑來克服，當(dāng)這 樣做無效時，應(yīng)對溶液進(jìn)行炭處理。通過過濾機(jī)進(jìn)行 炭處理對鍍液日常維護(hù)是必須的，這樣 還可以與小電流處理同時進(jìn)行，達(dá)到一舉 兩得。5）鍍液大處理：當(dāng)鍍液受到嚴(yán)重污染或經(jīng)過較長時間使用后（如半年至1年），有 必要進(jìn)行 大處理。大處理就是通過化學(xué)、電化學(xué)和機(jī)械的方法，將溶液中的重金屬和有機(jī)雜質(zhì)比較徹 底的清理一次，相當(dāng)于鍍

18、液的再生。處理方法如下：將溶液置人備用槽中，加足需要補(bǔ)充的主鹽，加H2O2 （30 %） 13ml /L,攪拌1至2小時，調(diào)pH到5.5，加溫60-65 C，保溫至少0 . 5小時，加優(yōu)質(zhì)活性炭粉3g/L,攪拌1-2小時，此時液溫應(yīng)在50 C以上，將溶液靜置，過濾，將完全澄清的溶液轉(zhuǎn)入工作槽中，調(diào)PH到3，以瓦楞形陰極通小 電流處理，直至陰極上高低電流區(qū)顏色一致為止。大處理后，調(diào)整PH，補(bǔ)充開缸量的濕潤劑 和開缸量1/3-I/2添加劑，試鍍。不合格鍍層可以用銅基體鍍鎳的退鎳液退除但要注意除膜，否則影響結(jié)合力。3鍍光亮鎳光亮鎳鍍層均勻、細(xì)致、光亮，但不可焊。與普通金屬零件鍍光亮鎳相比，印制板鍍光

19、亮鎳層要 求有更好的延展性。光亮度鎳的溶液應(yīng)具有很好的分散能力和深鍍能力以及對雜質(zhì)的容忍性強(qiáng)等特 點，同時應(yīng)穩(wěn)定， 便于維護(hù)。1鍍液配方及操作條件2鍍液配制1）在備用槽中，用60 C左右的熱純水將計量的硫酸鎳、氯化鎳和1/2計量的硼 酸溶解。2）在60 C左右的溶液中，加入活性炭粉3g /L,攪拌1-2小時。靜置，過濾，將澄清的無炭 粒的溶液轉(zhuǎn)入已經(jīng)清洗好的工作槽中3）加純水至接近鍍液體積，調(diào)pH到3（用10 % H2SO4），調(diào)液溫到50-60 C,用瓦楞形陰極以0. 20 . 5A/dm2的陰極電流密度電解4-8小時，直至陰極鍍層均勻一致 為止。電解過程中逐漸加人另一半硼酸。電解處理的通電

20、量一般不 少于4Ah / L。4）按工藝要求加入添加劑、潤濕劑，在攪拌下調(diào)整pH和液位。分析鍍液成分。5）試鍍。3. 3. 1 硫酸鎳(NiSO4 6H2O)硫酸鎳是鍍液的主要成分。濃度以250-300g / L為宜。硫酸鎳濃度高，鍍層沉積速度快，電 流密度范圍大，但濃度太高導(dǎo)致攜帶損失增加，也不利于鍍液的分 散能力。硫酸鎳濃度太低。 鍍層沉積速度慢，高電流區(qū)容易燒焦。為了維持穩(wěn)定的沉積速度，最好將硫酸鎳濃度控制在較小 的范圍內(nèi)，如280g / L左右。3. 3 . 2 氯化鎳(NiCI2 6H2O)氯化鎳是陽極活化劑，氯化鎳濃度高有利于提高陽極電流效率，保持陽極溶解正 常進(jìn)行，但 濃度太高導(dǎo)

21、致鍍層應(yīng)力增加。氯化鎳濃度太低將導(dǎo)致陽極鈍化。氯化 鎳濃度以50-70g /L 為宜。3. 3 . 3硼酸(H2BO3)硼酸是鍍液的緩沖劑，其濃度40-50g/L為宜。硼酸濃度太低，影響 溶液的導(dǎo) 電率，同時鍍液緩沖效果差；提高硼酸濃度，溶液導(dǎo)電率提高，鍍層均勻度改善。硼 酸濃度高對電鍍過程無害。3. 3 . 4添加劑光亮鍍鎳的添加劑分為初級光亮劑和次級光亮劑兩種。初級光亮劑就是通常所說的開缸劑、柔軟 劑等，它的作用是改善和細(xì)化鍍層結(jié)品，使鍍層分布均勻，并與 次級光亮劑配合，降低鍍層內(nèi)應(yīng) 力。次級光亮劑就是通常所說光亮劑、主光劑等，它與初級光亮劑配合，使鍍層光亮整平、均 勻、細(xì)致，并且延展性好

22、。單獨使用 次級光亮劑雖然可以獲得光亮的鎳鍍層，但鍍層光亮范圍 窄，應(yīng)力高，脆性大。目前普遍使用的初級光亮劑是糖精、苯亞磺酸鈉、對甲苯磺酰胺等。廣泛使用的次級光亮劑是1.4- 丁炔二醇及其衍生物，丙塊醇及其衍生物及吡啶類化合物等。這類成分配合得當(dāng)，就可成為理想的鍍鎳光亮劑。為了使用方便和得到最佳效果一般都配成專利 添加劑在市場 銷售，使用者可以根據(jù)自己的需要選擇性能好，價 格合理的添加劑用于生產(chǎn)。3. 5潤濕劑潤濕劑是表面活性劑，它可降低溶液的表面能力，減少或克服鍍層出現(xiàn)的針孔、麻點等疵病。作為印制板鍍鎳，應(yīng)選用低泡潤濕劑，濃度一般1-5ml /L?？刂票砻鎻埩υ?5-40dyn / em。潤濕劑太少，鍍層出現(xiàn)針孔、麻點；潤濕劑太多會導(dǎo)致鍍層發(fā)霧、發(fā)花。甚至構(gòu) 成有機(jī)污染。3. 4操作條件的影響3. 4 . 1pH 值光亮鍍鎳的pH值一般在4左右。pH太高，鍍層脆性會增加；pH太低，陰極電流效率低， 嚴(yán)重時，陰極析出大量氫氣而無鍍層析出。3. 4 .2溫度溫度控制在50-60C，提高溫度鍍層沉積速度加快