化学镍金主要用于电路板的表面处理.用来防止电路板表面的铜被氧化或腐蚀.并且用于焊接及应用于接触（例如按键，内存条上的金手指等）
化学镍金
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化学镍金的主要用途
化学镍金在电路板加工中的主要流程
工艺控制
1 除油缸
一般情况﹐PCB沉镍金采用酸性除油剂来处理制板﹐其作用在于去除铜面之轻度油脂及氧化物﹐达到铜面清洁及增加润湿效果的目的。它应当具备不伤Soider Mask(绿油)﹐低泡型易水洗的特点。
除油缸之后通常为二级市水洗﹐如果水压不稳定或经常变化﹐则将逆流水洗设计为三及市水洗更佳。
2 微蚀缸
微蚀的目的在于清洁铜面氧化及前工序遗留残渣﹐保持铜面新鲜及增加化学镍层的密着性﹐常用微蚀液为酸性过硫酸钠溶液。
Na2S2O8﹕80~120g/L
硫酸﹕20~50ml/L
沉镍金生产也有使用硫酸双氧水或酸性过硫酸钾微蚀液来进行的。
由于铜离子对微蚀速率影响较大﹐通常须将铜离子的浓度控制有5~25g/L﹐以保证微蚀速率处于0.5~1.5μm﹐生产过程中﹐换缸时往往保留1/5~1/3缸母液(旧液)﹐以保持一定的铜离子浓度﹐也有使用少量氯离子加强微蚀效果。
另外﹐由于带出的微蚀残液﹐会导致铜面在水
洗过程中迅速氧化﹐所以微蚀后水质和流量以及浸泡时间都须特别考虑。否则﹐预浸缸会产生太多的铜离子﹐继而影响钯缸寿命。所以﹐在条件允许的情况下(有足够的排缸)﹐微蚀后二级逆流水洗之后﹐再加入5%左右的硫酸浸洗﹐经二级逆流水洗之后进入预浸缸。
3 预浸缸
预浸缸在制程中没有特别的作用﹐只是维持活化缸的酸度以及使铜面在新鲜状态(无氧化物)下﹐进入活化缸。
理想的预浸缸除了Pd之外﹐其它浓度与活化缸一致。实际上﹐一般硫酸钯活化系列采用硫酸作预浸剂﹐盐酸把钯活化系列采用盐酸作预浸剂﹐也有使用铵盐作预浸剂(PH值另外调节)。否则﹐活化制程失去保护会造成钯离子活化液局部水解沉淀。
4 活化缸
活化的作用是在铜面析出一层钯﹐作为化学镍起始反应之催化晶核。其形成过程则为Pd与Cu的化学置换反应。
从置换反应来看﹐Pd与Cu的反应速度会越来越慢﹐当Pd与Cu完全覆盖后(不考虑浸镀的疏孔性)﹐置换反应即会停止﹐但实际生产中﹐人们不可能也不必要将铜面彻底活化(将铜面完全覆盖)。从成本上讲﹐这会使Pd的消耗大幅大升。更重要的是﹐这容易造成渗镀等严重品质问题。
由于Pd的本身特性﹐活化缸存在着不稳定这一因素﹐槽液中会产生细微的(5m滤芯根本不可能将其过滤)钯颗粒﹐这些颗粒不但会沉积在PCB的Pad位上﹐而且会沉积在基材﹑绿油以及缸壁上。当其积累到一定程度﹐就有可能造成PCB渗镀以及缸壁发黑等现象。
影响钯缸稳定性的主要原因除了药水系列不同之外﹐钯缸控制温度和钯离子浓度则是首要考虑的问题。温度越低﹐钯离子浓度越低﹐越有利于钯缸的控制。但不能太低﹐否则会影响活化效果﹐引起漏镀发生。
通常情况下﹐钯缸温度设定在20~30℃﹐其控制范围应在±1℃﹐而钯离子浓度则控制在20~40ppm﹐至于活化效果﹐则按需要选取适当的时间。
当槽壁及槽底出现灰黑色的沉积物﹐则需硝槽处理。其过程为﹕
加入1﹕1硝酸﹐启动循环泵2小时以上或直到槽壁灰黑色沉积物完全除去为止。适当时可考虑加热﹐但不可超过50℃﹐以免空气污染。
另外﹐也有人认为活化带出的钯离子残液在水洗过程中会造成水解﹐从而吸附在基材上引起渗镀﹐所以﹐应在活化逆流水洗之后﹐多加硫酸或盐酸的后浸及逆流水洗的制程。
事实上﹐正常情况下﹐活化带出的钯离子残液体﹐在二级逆流水洗过程中可以被洗干净。吸附在基材上的微量元素﹐在镍缸中不足以导致渗镀的出现。另一方面﹐如果说不正常因素导致基材吸附大量活化残液﹐并不是硫酸或盐酸能将其洗去﹐只能从根源去调整钯缸或镍缸。增加后浸及逆流水洗﹐其作用只是避免水中Pd含量太多而影响镍缸。
需要留意的是﹐水洗缸中少量的Pd带入镍缸﹐并不会对镍缸造成太大的影响﹐所以不必太在意活化后水洗时间太短﹐一般情况下﹐二级水洗总时间控制在1~3min为佳。尤其重要的是﹐活化后水洗不可使用超声波装置﹐否则﹐不但导致大面积漏镀﹐而且渗镀问题依然存在。
5 沉镍缸
化学沉镍是通过Pd的催化作用下﹐NaH2PO2水解生成原子态H﹐同时H原子在Pd催化条件下﹐将镍离子还原为单质镍而沉积在裸铜面上。
作为化学沉积的金属镍﹐其本身也具备催化能力。由于其催化能力劣于钯晶体﹐所以反应初期主要是钯的催化作用在进行。当镍的沉积将钯晶体完全覆盖时﹐如果镍缸活性不足﹐化学沉积就会停止﹐于是漏镀问题就产生了。这种渗镀与镍缸活性严重不足所产生的漏镀不同﹐前者因已沉积大约20μ"的薄镍﹐因而漏镀Pad位在沉金后呈现白色粗糙金面﹐而后者根本无化学镍的沉积﹐外观至发黑的铜色。
从化学镍沉积的反应看出﹐在金属沉积的同时﹐伴随着单质磷的析出。而且随着PH值的升高﹐镍的沉积速度加快的同时﹐磷的析出速度减慢﹐结果则是镍磷合金的P含量降低。反之﹐随着PH值的降低﹐镍磷含金的P含量升高。
化学镍沉积中﹐磷含量一般在7~11%之间变化。镍磷合金的抗蚀性能优于电镀镍﹐其硬度也比电镀镍高。
在化学沉镍的酸性镀液中﹐当PH<3时﹐化学镍沉积的反应就会停止﹐而当PH>6时﹐镀液很容易产生Ni(OH)2沉淀。所以一般情况﹐生产中PH值控制在4.5~5.2之间。由于镍沉积过程产生氢离子(每个镍原子沉积的同时释放4个氢离子)﹐所以生产过程中PH的变化是很快的﹐必须不断添补碱性药液来维持PH值的平衡。
通常情况下﹐氯水和氢氧化钠都可以用于生产维持PH值的控制﹐两者在自动补药方面差别不大﹐但在手动补药时就应特别关注。加入氨水时﹐可以观察到蓝色镍氨络离子出现﹐随即扩散时蓝色消失﹐说明氨水对化学镍是良好的PH调整剂。在加入氢氧化钠溶液时﹐槽液立即出现白色氢氧化镍沉淀粉末析出﹐随着药水扩散﹐白色粉末在槽液的酸性环境下缓慢溶解。所以﹐当使用氢氧化钠溶液作为化学镀的PH调整剂时﹐其配制浓度不能太高﹐加药时应缓慢加入。否则会产生絮状粉末﹐当溶解过程未彻底完成前﹐絮状粉末就会出现镍的沉积﹐必须将槽液过滤干净后﹐才可以重新开始生产。
在化学镍沉积的同时﹐会产生亚磷酸盐(HPO3)的副产物﹐随着生产的进行﹐亚磷酸盐浓度会越来越高﹐于是反应速度受生成物浓度的长高而抑制﹐所以镍缸寿命末期与初期的沉积速度相差1/3则为正常现象。但此先天不足可采用调整反应物浓度方式予以弥补﹐开缸初期Ni浓度控制在4.60g/L﹐随着MTO的增加Ni浓度控制值随之提高﹐直至5.0g/L停止。以维持析出速度及磷含量的稳定﹐以确保镀层品质。
影响镍缸活性最重要的因素是稳定剂的含量﹐常用的稳定剂是Pb(CH3COO)2或硫脲﹐也有两种同时使用的。稳定剂的作用是控制化学沉镍的选择性﹐适量的稳定剂可以使活化后的铜面发生良好的镍沉积﹐而基材或绿油部分则不产生化学沉积。当稳定剂含量偏低时﹐化学沉镍的选择性变差﹐PCB表面稍有活性的部分都发生镍沉积﹐于是渗镀问题就发生了。当稳定剂含量偏高时﹐化学沉积的选择性太强﹐PCB漏铜面只有活化效果很好的铜位才发生镍沉积﹐于是部分Pad位出现漏镀的现象。
镀覆PCB的装载量(以裸铜面积计)应适中﹐以0.2~0.5dm/L为宜。负载太大会导致镍缸活性逐渐升高﹐甚至导致反应失控﹔负载太低会导致镍缸活性逐渐降低﹐造成漏镀问题。在批量生产过程中﹐负载应尽可能保持一致﹐避免空缸或负载波动太大的现象。否则﹐控制镍缸活性的各参数范围就会变得很窄﹐很容易导致品质问题发生。
镀液应连续过滤﹐以除去溶液中的固体杂质。镀液加热时﹐必须要有空气搅拌和连续循环系统﹐使被加热的镀液迅速传播。当槽内壁沉积镍层时﹐应该及时倒缸(将药液移至另一备用缸中进行生产)﹐然后用25%~50%(V/V)的硝槽进行褪除﹐适当时可考虑加热,但不可超过50℃。
至于镍缸的操作控制﹐在温度方面﹐不同系列沉镍药水其控制范围不同。一般情况下﹐镍缸操作范围86±5℃﹐有的药水则控制在81±5℃。在生产中﹐具体设定根据试板结果来定﹐不同型号的制板﹐有可能操作温度不同。通常一个制板的良品操作范围只有±2℃﹐个别制板也有可能小于±1℃。在浓度控制方面﹐采用对Ni的控制来调节其它组分的含量﹐当Ni浓度低于设定值时﹐自动补药器开始添加一定数量的药水来弥补所消耗的Ni﹐而其它组分则依据Ni添补量按比例同时添加。
镍层的厚度与镀镍时间呈线性关系。一般情况下﹐200μ"镍层厚度需镀镍时间28min﹐150μ"镍层百度需镀镍时间21min左右。由于不同的制板所需的活性不同﹐为减轻镍缸控制的压力(即增大镍缸各参数的控制范围)﹐可以考虑采用不同的活化时间﹐例如正常生产Pd缸有一个时间﹐容易渗镀的制板另设定活化时间。这样一来﹐则可以组合成六个程序来进行生产。需要留意的是﹐对于多程序生产﹐应当遵循一个基本原则﹐就是所有程序飞巴的起始位置必须保持一致﹐否则连续生产中切换程序容易造成过多的麻烦。
镍缸的循环量一般设计在5~10turn over(每小时)﹐布袋式过滤应优先选择考虑。摇摆通常都是前后摆动设计﹐但对于laser盲孔板﹐镍缸和金缸设计为上下振动为佳。
6 沉金缸
置换反应形式的浸金薄层﹐通常30分钟可达到极限厚度。由于镀液Au的含量很低﹐一般为1~2g/L﹐溶液的扩散速度影响到大面积Pad位与小面积Pad位沉积厚度的差异。一般来说﹐独立位小Pad位要比大面积Pad位的金厚度高100%也属正常现象。
对于PCB的沉金﹐其金面厚度也会因内层分布而相互影响﹐其个别Pad位也会出较大的差异。
通常情况下﹐沉金缸的浸镀时间设定在7~11分钟﹐操作温度一般在80~90℃﹐可以根据客户的金厚要求﹐通过调节温度来控制金厚。需要留意的是﹐金缸容积越大越好﹐不但其Au浓度变化小而有利于金厚控制﹐而且可以延长换缸周期。
为了节省成本﹐金缸之后需加装回收水洗﹐同时也可减轻对环境的污染。回收缸之后﹐一般都是逆流水洗。
生产线的设计
沉镍金自动线
1.1 排缸
从生产线的角度来看﹐排缸数量越少越好﹐一方面可以减少不必要的天车运行距离和时间﹐另一方面﹐还可以节省投资成本以及占地空间。
关于排缸的顺序﹐一般情况应从产能﹑滴水污染﹑天车运行及操作方便等几个因素来考虑。镍缸由于保养费时﹐所以应当排放一备用缸。
对于每天大约3KSF产能的生产线﹐设计一台天车则可以满足生产﹐建议排缸顺序如下﹕
(1)上下料﹑(2)(3)(4)三级逆流水洗﹑(5)回收﹑(6)金缸﹑(7)(8)二级逆流水洗﹑(9)(10)双架位镍缸﹑(11)(12)备用双架位镍缸﹑(13)(14)二级逆流水洗﹑(15)活化缸﹑(16)预浸缸﹑(17)(18)二级逆流水洗﹑(19)酸洗缸﹑(20)(21)二级逆流水洗﹑(22)微蚀缸﹑(23) (24)(25) 三级逆流水洗﹑(26)除油缸
对于每天大约4.5 KSF产能的生产线﹐需设计两台天车来满足生产需求﹐建议排缸顺序如下﹕
(1)上下料﹑(2)(3)(4)三级逆流水洗﹑(5)回收﹑(6) (7)双架位金缸﹑(8) (9)二级逆流水洗﹑(10) (11)(12)三架位镍缸﹑(13)(14) (15)备用三架位镍缸﹑(16) 除油缸﹑(17)(18) (19)三级逆流水洗﹑(20)微蚀缸﹑(21)(22)二级逆流水洗﹑(23)酸洗缸﹑(24)(25)二级逆流水洗﹑(26) 预浸缸﹑(27)活化缸﹑(28)(29)二级逆流水洗
对于每天大约6KSF的生产数﹐只需将三架位镍缸改为四架位镍缸即可。
对于更大产能的生产线﹐则应考虑将缸的宽度和深度以及长度加大﹐以提高每架板的挂板数量。
1.2 挂板设计
关于挂窗尺寸﹐一般考虑最大板横挂。如18"×24"板则将24"边打横挂入﹐否则药水在板面滑落时间比横挂增加30%以上。因此﹐镍缸的有效宽度和有效深度一般为26"×21"左右﹐其它缸则参考镍缸的挂板空间。
这样的设计﹐可以避免镍缸太深而导致药水交换不佳等问题。同时小尺寸生产则可以挂两排﹐以增加产量和弥补镍缸负载的不足。
关于挂具的设计﹐应最大限度减少挂具在药液中浸泡的面积﹐降低药水带出以及挂具上沉积镍金的问题。同时﹐硝挂具一般采用王水﹐其操作的困难度较大﹐所以也应考虑保养的方便。
建议使用PP夹板﹐每个挂具挂板15~20块﹐每块隔板的厚度以10mm为佳。顶部以316不锈钢定夹板﹐下边以铁弗龙包胶U型相框来固定挂板。
1.3 缸体材质
由于镍缸和金缸操作温度在80~90℃﹐所以缸体不但须耐高温﹐而且须不易渗漏。所以一般使用316不锈钢做镍缸﹐缸壁最好采用镜面抛光。金缸一般使用耐热PP或不锈钢内衬铁弗龙。其它缸采用普通PP材质即可。
对于镍缸﹐如果仅生产单双面板﹐也可考虑使用耐热PP材质。但对于盲孔板﹐由于布线复杂﹐沉镍金生产过程中﹐线路间有可能出现相互影响而易产生漏镀﹐所以镍缸操作比单﹑双面板要高出5℃左右﹐甚至达到90℃以上。对采用PP材质的镍缸﹐不可避免产生大量的镍沉积在缸底﹐给操作带来很多问题。所以﹐镍缸及其缸内附件﹐包括加热和打气系统﹐如果使用不锈钢材质﹐则能够通过正电保护抑制上镍﹐不但使用镍缸操作变得容易﹐而且在成本方面避免不必要的浪费。
1.4 程序
沉镍金生产﹐往往不可能只有一两种制板生产。由于每一种制板都有可能需要不同的活性﹐所以沉镍金生产线﹐最好有四个以上的程序段﹐来满足不同的生产需求。
前后处理设备
2.1 前处理
由于沉镍金生产中“金面颜色不良”问题﹐通过调整系统活性以及加强微蚀速度等方式﹐虽然有时会凑效﹐但常常既费时又费力﹐而且这些措施很不安全﹐稍不注意就产生另一种报废。所以﹐在有条件的情况下﹐另设计一条水平线作为前处理﹐通过增加制程来拓宽沉镍金参数范围的控制。
磨刷→水洗→微蚀→水洗→干板
磨刷﹕
通常采用500-1000#尼龙刷辘﹐在喷水装态下清洁铜面﹐以除去绿油工序残留的药液以及轻度的冲板不净剩余残渣。如果绿油工序制程稳定﹐或出现问题的可能性很小﹐则磨刷这个制程不需要设计。
微蚀﹕
通常使用80-120g/L的过硫酸钠与5%的硫酸配制槽液﹐通过调节温度﹐使微蚀率控制在1μm左右﹐它的作用是清洁铜面。去除前工序(主要指绿油)残留在板面的药水渍或严重氧化等铜面杂物﹐防止沉镍金出现由前工序引起的甩镍﹑金面颜色不良﹑渗镀等问题。
需要注意的是﹐前处理若使用了水平微蚀剂﹐沉镍金制程中的微蚀缸仍需保留﹐但微蚀率达到0.5μm即可﹐否则易造成铜厚不足的问题。
2.2 后处理
由于沉镍金表面正常情况下光洁度和平整度很好﹐所以轻微的金面氧化或水渍都会使金面颜色变得很难看。而沉镍金生产线纵然控制到最佳﹐也只能杜绝金面氧化﹐对于烘干缸因水珠而遗留的水渍实在是无能为力。
高压水洗机不但可以有效地清洗板面残留药水﹐防止金面氧化﹐而且干板过程有风力将水珠吹走﹐完全避免残留水珠而造成的水渍问题。
也有人在高压水洗机前加一段2%的酸洗段﹐以洗去因金缸后造成的金面氧化。这也是事后补救的一种可取的方法。因为金面残留的药水在短短的水洗过程中造成金面氧化﹐那说明它对金面的攻击作用是远远大于2%的盐酸或硫酸﹐而且水平酸洗过程也不足十秒﹐之后又有高压水洗和干板﹐其对于镍金面的影响应该可以忽略不计。但是﹐有的客户明确提出而且强烈反对沉金板酸洗﹐那也是没有办法的事﹐客户是上帝﹐他不喜欢的事最好别做。
循环过滤泵﹑加热及打气装置
3.1 循环过滤泵
为保持槽液有一定的循环效果﹐除油﹑微蚀﹑活化﹑沉镍﹑沉金各缸都需要加装循环泵﹐除镍缸之外以上各缸还需加装过滤器﹐通过5μm滤芯来过滤槽液。
对于镍缸其循环不但要求均匀﹐有利于药液扩散和温度扩散﹐而且不能流速太快而影响化学镍的沉积﹐通常其循环量6-7turn over为佳。同时镍缸还需过滤﹐以除去槽液中杂物。由于棉芯容易上镍﹐所以应首先考虑布袋式过滤系统。关于镍缸的溢流问题﹐由主缸流入副缸﹐更有利于药水扩散和温度平衡。
3.2 加热装置
除油﹑微蚀﹑活化﹑沉镍﹑沉金各缸都需要加热系统﹐除镍金之外﹐均可使用石英或铁弗龙加热器。对于镍缸﹐最好采用不锈钢加热交换管﹐且须外接下电保护。因为自动补药器是在副缸加药﹐所以须留意加药口不可正对副缸中的加热器。
3.3 打气装置
微蚀和镍缸的主副槽以及各水洗缸都应加装打气系统。生产时通常是除油后第一道水洗﹑镍缸主槽﹑及镍缸后水洗处于打气关闭状态。对于镍缸﹐每一根加热管下方都应该保持强力打气状态。
接口设备
沉镍金生产线的周边附属设施中﹐首先需要的是DI水机﹐各药水缸配槽以及活化﹑沉镍﹑金回收之后的水洗缸﹐都需要使用DI水。有的厂采用中央DI水处理﹐半管道接入沉金线﹐那则是最理想的设计。
在生产过程中﹐由于活化缸和微蚀缸对温度要求很严格﹐所以应当购置冷水机来控制槽液温度。对于镍缸﹐有的人嫌降温过程太慢(由操作温度降至50℃以下)﹐将冷水管(临时管道)接入镍缸﹐这也是充分利用现有资源的好方法。
由于镍缸硝槽时使用硝酸数量较大﹐而且不便重复利用﹐所以﹐在镍缸底部连接一备用硝酸槽﹐通过一个抽水马达(须耐硝酸)以及换向阀﹐将硝酸抽到所需的槽中。须留意的是﹐管理槽(贮存硝酸)的容积要大于镍缸20-50%。
沉镍金周边设施除DI水机﹑冷水机及管理槽﹐还须将生产线污浊空气抽出﹐送往化气塔净化。同时﹐生产线最好也加装送风装置﹐以保持操作环境的空气新鲜。
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