PCB印制線路板的電鍍鎳工藝解析

1、作用與特性

PCB（是英文Printed Circuie Board印制線路板的簡(jiǎn)稱）上用鍍鎳來(lái)作為貴金屬和賤金屬的襯底鍍層，對(duì)某些單面印制板，也常用作面層。對(duì)于重負(fù)荷磨損的一些表面，如開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、觸片或插頭金，用鎳來(lái)作為金的襯底鍍層，可大大提高耐磨性。當(dāng)用來(lái)作為阻擋層時(shí)，鎳能有效地防止銅和其它金屬之間的擴(kuò)散。啞鎳/金組合鍍層常常用來(lái)作為抗蝕刻的金屬鍍層，而且能適應(yīng)熱壓焊與釬焊的要求，唯讀只有鎳能夠作為含氨類蝕刻劑的抗蝕鍍層，而不需熱壓焊又要求鍍層光亮的PCB，通常采用光鎳/金鍍層。鎳鍍層厚度一般不低于2.5微米，通常采用4-5微米。

PCB低應(yīng)力鎳的淀積層，通常是用改性型的瓦特鎳鍍液和具有降低應(yīng)力作用的添加劑的一些氨基磺酸鎳鍍液來(lái)鍍制。

我們常說(shuō)的PCB鍍鎳有光鎳和啞鎳（也稱低應(yīng)力鎳或半光亮鎳），通常要求鍍層均勻細(xì)致，孔隙率低，應(yīng)力低，延展性好的特點(diǎn)。

2、氨基磺酸鎳（氨鎳）

氨基磺酸鎳廣泛用來(lái)作為金屬化孔電鍍和印制插頭接觸片上的襯底鍍層。所獲得的淀積層的內(nèi)應(yīng)力低、硬度高，且具有極為優(yōu)越的延展性。將一種去應(yīng)力劑加入鍍液中，所得到的鍍層將稍有一點(diǎn)應(yīng)力。有多種不同配方的氨基磺酸鹽鍍液，典型的氨基磺酸鎳鍍液配方如下表。由于鍍層的應(yīng)力低，所以獲得廣泛的應(yīng)用，但氨基磺酸鎳穩(wěn)定性差，其成本相對(duì)高。

3、改性的瓦特鎳（硫鎳）

改性瓦特鎳配方，采用硫酸鎳，連同加入溴化鎳或氯化鎳。由于內(nèi)應(yīng)力的原因，所以大都選用溴化鎳。它可以生產(chǎn)出一個(gè)半光亮的、稍有一點(diǎn)內(nèi)應(yīng)力、延展性好的鍍層；并且這種鍍層為隨后的電鍍很容易活化，成本相對(duì)底。

4、鍍液各組分的作用：

主鹽──氨基磺酸鎳與硫酸鎳為鎳液中的主鹽，鎳鹽主要是提供鍍鎳所需的鎳金屬離子并兼起著導(dǎo)電鹽的作用。鍍鎳液的濃度隨供應(yīng)廠商不同而稍有不同，鎳鹽允許含量的變化較大。鎳鹽含量高，可以使用較高的陰極電流密度，沉積速度快 ，常用作高速鍍厚鎳。但是濃度過(guò)高將降低陰極極化，分散能力差，而且鍍液的帶出損失大。鎳鹽含量低沉積速度低，但是分散能力很好，能獲得結(jié)晶細(xì)致光亮鍍層。

緩沖劑──硼酸用來(lái)作為緩沖劑 ，使鍍鎳液的PH值維持在一定的范圍內(nèi)。實(shí)踐證明，當(dāng)鍍鎳液的PH值過(guò)低，將使陰極電流效率下降；而PH值過(guò)高時(shí)，由于H2的不斷析出 ，使緊靠陰極表面附近液層的PH值迅速升高，導(dǎo)致Ni（OH）2膠體的生成，而Ni（OH）2在鍍層中的夾雜，使鍍層脆性增加，同時(shí) Ni（OH）2膠體在電極表面的吸附，還會(huì)造成氫氣泡在電極表面的滯留，使鍍層孔隙率增加。硼酸不僅有PH緩沖作用，而且他可提高陰極極化，從而改善鍍液性能，減少在高電流密度下的“燒焦“現(xiàn)象。硼酸的存在還有利于改善鍍層的機(jī)械性能。

陽(yáng)極活化劑──除硫酸鹽型鍍鎳液使用不溶性陽(yáng)極外，其它類型的鍍鎳工藝均采用可溶性陽(yáng)極。而鎳陽(yáng)極在通電過(guò)程中極易鈍化，為了保證陽(yáng)極的正常溶解，在鍍液中加入一定量的陽(yáng)極活化劑。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CI—氯離子是最好的鎳陽(yáng)極活化劑。在含有氯化鎳的鍍鎳液中，氯化鎳除了作為主鹽和導(dǎo)電鹽外，還起到了陽(yáng)極活化劑的作用。在不含氯化鎳或其含量較低的電鍍鎳液中，需根據(jù)實(shí)際性況添加一定量的氯化鈉。 溴化鎳或氯化鎳還常用來(lái)作去應(yīng)力劑用來(lái)保持鍍層的內(nèi)應(yīng)力，并賦與鍍層具有半光亮的外觀。

添加劑——添加劑的主要成份是應(yīng)力消除劑，應(yīng)力消除劑的加入，改善了鍍液的陰極極化，降低了鍍層的內(nèi)應(yīng)力，隨著應(yīng)力消除劑濃度的變化，可以使鍍層內(nèi)應(yīng)力由張應(yīng)力改變?yōu)閴簯?yīng)力。常用的添加劑有：萘磺酸、對(duì)甲苯磺酰胺、糖精等。與沒(méi)有去應(yīng)力劑的鎳鍍層相比，鍍液中加入去應(yīng)力劑將會(huì)獲得均勻細(xì)致并具有半光亮的鍍層。通常去應(yīng)力劑是按安培一小時(shí)來(lái)添加的（現(xiàn)通用組合專用添加劑包括防針孔劑等）。

潤(rùn)濕劑——在電鍍過(guò)程中，陰極上析出氫氣是不可避免的，氫氣的析出不僅降低了陰極電流效率，而且由于氫氣泡在電極表面上的滯留，還將使鍍層出現(xiàn)針孔。鍍鎳層的孔隙率是比較高的，為了減少或防止針孔的產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)向鍍液中加入少量的潤(rùn)濕劑，如十二烷基硫酸鈉、二乙基已基硫酸鈉、正辛基硫酸鈉等，它是一種陰離子型的表面活性物質(zhì)，能吸附在陰極表面上，使電極與溶液間的界面張力降低，氫氣泡在電極上的潤(rùn)濕接觸角減小，從而使氣泡容易離開(kāi)電極表面，防止或減輕了鍍層針孔的產(chǎn)生。

5、鍍液的維護(hù)

a）溫度——不同的鎳工藝，所采用的鍍液溫度也不同。溫度的變化對(duì)鍍鎳過(guò)程的影響比較復(fù)雜。在溫度較高的鍍鎳液中，獲得的鎳鍍層內(nèi)應(yīng)力低 ，延展性好，溫度加致50度C時(shí)鍍層的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定。一般操作溫度維持在55--60度C。如果溫度過(guò)高，將會(huì)發(fā)生鎳鹽水解，生成的氫氧化鎳膠體使膠體氫氣泡滯留，造成鍍層出現(xiàn)針孔，同時(shí)還會(huì)降低陰極極化。所以工作溫度是很嚴(yán)格的 ，應(yīng)該控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)，在實(shí)際工作中是根據(jù)供應(yīng)商提供的最優(yōu)溫控值 ，采用常溫控制器保持其工作溫度的穩(wěn)定性。

b）PH值——實(shí)踐結(jié)果表明，鍍鎳電解液的PH值對(duì)鍍層性能及電解液性能影響極大。在PH≤2的強(qiáng)酸性電鍍液中，沒(méi)有金屬鎳的沉積，只是析出輕氣 。一般PCB鍍鎳電解液的PH值維持在3—4之間 。PH值較高的鍍鎳液具有較高的分散力和較高的陰極電流效率。但是PH過(guò)高時(shí)，由于電鍍過(guò)程中陰極不斷地析出輕氣，使陰極表面附近鍍層的PH值升高較快，當(dāng)大于6時(shí)，將會(huì)有輕氧化鎳膠體生成，造成氫氣泡滯留，使鍍層出現(xiàn)針孔。氫氧化鎳在鍍層中的夾雜 ，還會(huì)使鍍層脆性增加。PH較低的鍍鎳液，陽(yáng)極溶解較好，可以提高電解液中鎳鹽的含量，允許使用較高的電流密度，從而強(qiáng)化生產(chǎn)。但是PH 過(guò)低 ，將使獲得光亮鍍層的溫度范圍變窄。 加入碳酸鎳或堿式碳酸鎳，PH值增加 ；加入氨基磺酸或硫酸，PH值降低，在工作過(guò)程中每四小時(shí)檢查調(diào)整一次PH值。

c）陽(yáng)極——目前所能見(jiàn)到的PCB常規(guī)鍍鎳均采用可溶性陽(yáng)極 ，用鈦籃作為陽(yáng)極內(nèi)裝鎳角已相當(dāng)普遍。其優(yōu)點(diǎn)是其陽(yáng)極面積可做得足夠大且不變化，陽(yáng)極保養(yǎng)比較簡(jiǎn)單 。鈦籃應(yīng)裝入聚丙烯材料織成的陽(yáng)極袋內(nèi)防止陽(yáng)極泥掉入鍍液中。并應(yīng)定期清洗和檢查孔眼是否暢通。新的陽(yáng)極袋在使用前，應(yīng)在沸騰的水中浸泡。

d）凈化——當(dāng)鍍液存在有機(jī)物污染時(shí)，就應(yīng)該用活性炭處理。但這種方法通常會(huì)去除一部分去應(yīng)力劑（添加劑），必須加以補(bǔ)充。其處理工藝如下；

（1）取出陽(yáng)極，加除雜水5ml/l，加熱（60—80度C）打氣（氣攪拌）2小時(shí)。

（2）有機(jī)雜質(zhì)多時(shí)，先加入3—5ml/lr的30%雙氧水處理，氣攪拌3小時(shí)。

（3）將3—5g/l粉末狀活性在不斷攪拌下加入，繼續(xù)氣攪拌2小時(shí)，關(guān)攪拌靜置4小時(shí)，加助濾粉使用備用槽來(lái)過(guò)濾同時(shí)清缸。

（4）清洗保養(yǎng)陽(yáng)極掛回，用鍍了鎳的瓦楞形鐵板作陰極，在0.5—0.1安/平方分米的電流密度下進(jìn)行拖缸8—12小時(shí)（當(dāng)鍍液存在無(wú)機(jī)物污染影響質(zhì)量時(shí)，也常采用）

（5）換過(guò)濾芯（一般用一組棉芯一組碳芯串聯(lián)連續(xù)過(guò)濾，按周期性便換可有效延期大處理時(shí)間，提高鍍液的穩(wěn)定性），分析調(diào)整各參數(shù)、加入添加劑潤(rùn)濕劑即可試鍍。

e）分析——鍍液應(yīng)該用工藝控制所規(guī)定的工藝規(guī)程的要點(diǎn)，定期分析鍍液組分與赫爾槽試驗(yàn)，根據(jù)所得參數(shù)指導(dǎo)生產(chǎn)部門調(diào)節(jié)鍍液各參數(shù)。

f）攪拌——鍍鎳過(guò)程與其它電鍍過(guò)程一樣 ，攪拌的目的是為了加速傳質(zhì)過(guò)程，以降低濃度變化，提高允許使用的電流密度上限。對(duì)鍍液進(jìn)行攪拌還有一個(gè)十分重要的作用，就是減少或防止鍍鎳層產(chǎn)生針孔。因?yàn)?，電鍍過(guò)程中，陰極表面附近的鍍離子貧乏，氫氣的大量析出 ，使PH值上升而產(chǎn)生氫氧化鎳膠體，造成氫氣泡的滯留而產(chǎn)生針孔。加強(qiáng)對(duì)留鍍液的攪拌，就可以消除上述現(xiàn)象。常用壓縮空氣、陰極移動(dòng)及強(qiáng)制循環(huán)（結(jié)合碳芯與棉芯過(guò)濾）攪拌。

g）陰極電流密度——陰極電流密度對(duì)陰極電流效率、沉積速度及鍍層質(zhì)量均有影響。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)采用PH較底的電解液鍍鎳時(shí)，在低電流密度區(qū)，陰極電流效率隨電流密度的增加而增加；在高電流密度區(qū)，陰極電流效率與電流密度無(wú)關(guān)，而當(dāng)采用較高的PH電鍍液鎳時(shí)，陰極電流效率與電流密度的關(guān)系不大。

與其它鍍種一樣，鍍鎳所選取的陰極電流密度范圍也應(yīng)視電鍍液的組分、溫度及攪拌條件而定，由于PCB拼板面積較大，使高電流區(qū)與低電流區(qū)的電流密度相差很大，一般采用2A/dm2為宜。

6、故障原因與排除

a） 麻坑：麻坑是有機(jī)物污染的結(jié)果。大的麻坑通常說(shuō)明有油污染。攪拌不良，就不能驅(qū)逐掉氣泡，這就會(huì)形成麻坑?？梢允褂脻?rùn)濕劑來(lái)減小它的影響，我們通常把小的麻點(diǎn)叫針孔，前處理不良、有金屬什質(zhì)、硼酸含量太少、鍍液溫度太低都會(huì)產(chǎn)生針孔，鍍液維護(hù)及工藝控制是關(guān)鍵，防針孔劑應(yīng)用作工藝穩(wěn)定劑來(lái)補(bǔ)加。

b） 粗糙、毛刺 ：粗糙就說(shuō)明溶液臟，充分過(guò)濾就可糾正（PH太高易形成氫氧化物沉淀應(yīng)加以控制）。電流密度太高 、陽(yáng)極泥及補(bǔ)加水不純帶入雜質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)都將產(chǎn)生粗糙及毛刺。

c） 結(jié)合力低：如果銅鍍層未經(jīng)充分去氧化層，鍍層就會(huì)剝落現(xiàn)象，銅和鎳之間的附著力就差 。如果電流中斷 ，那就將會(huì)在中斷處 ，造成鎳鍍層的自身剝落，溫度太低嚴(yán)重時(shí)也會(huì)產(chǎn)生剝落。

d） 鍍層脆、可焊性差：當(dāng)鍍層受彎曲或受到某種程度的磨損時(shí)，通常會(huì)顯露出鍍層脆。這就表明存在有機(jī)物或重金屬什質(zhì)污染，添加劑過(guò)多、夾帶的有機(jī)物和電鍍抗蝕劑，是有機(jī)物污染的主要來(lái)源，必須用活性炭加以處理，添加濟(jì)不足及PH過(guò)高也會(huì)影響鍍層脆性。

e） 鍍層發(fā)暗和色澤不均勻 ：鍍層發(fā)暗和色澤不均勻，就說(shuō)明有金屬污染。因?yàn)橐话愣际窍儒冦~后鍍鎳，所以帶入的銅溶液是主要的污染源。重要的是 ，要把掛具所沾的銅溶液減少到最低程度。為了去除槽中的金屬污染 ，尤其是去銅溶液應(yīng)該用波紋鋼陰極，在2~5安/平方英尺的電流密度下，每加侖溶液空鍍5安培一小時(shí)。前處理不良、低鍍層不良、電流密度太小、主鹽濃度太低、電鍍電源回路接觸不良都會(huì)影響鍍層色澤。

f） 鍍層燒傷 ：引起鍍層燒傷的可能原因：硼酸不足，金屬鹽的濃度低、工作溫度太低、電流密度太高、PH太高或攪拌不充分。

g） 淀積速率低： P值低或電流密度低都會(huì)造成淀積速率低。

h） 鍍層起泡或起皮：鍍前處理不良、中間斷電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、有機(jī)雜質(zhì)污染 、電流密度過(guò)大、溫度太低、PH太高或太低、雜質(zhì)的影響嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生起泡或起皮現(xiàn)象。

I）陽(yáng)極鈍化：陽(yáng)極活化劑不足，陽(yáng)極面積太小電流密度太高。