2013
03/07
本篇文章來自
捷多邦
化學鎳金工藝探討
化學鎳金鍍層集可焊接、可接觸導通，可打線、可散熱等功能于一身，是PCB板面單一處理卻具有多用途的濕制程。目前尚無其它的工藝可與之抗衡。但該制程不好做已時日已久，問題常常出現(xiàn)且不易重工，問題的解決須從源頭開始。對此，本人將工作過程中遇到的品質(zhì)問題同業(yè)界前輩探討一下。
首先我們看看常見問題的原因及解決方法。
1． 色差：
原因：
①鎳槽被污染或使用壽命已到，槽液有機物累積過多。
②金槽內(nèi)的鎳離子過多
③活化槽鈀濃度不足。
解決：
① 換鎳槽，杜決污染源。
② 分析金槽鎳含量，超過0.５g/L換槽。
③ 適當提高鈀濃度。
2． 鍍層粗糙
原因：
① 鎳槽活性太強。
② 過濾不夠，板子振動頻率幅度不夠。
③ 前處理不良。
解決：
① 適當降低溫度、濃度和PH值。
② 加強過濾，最好用5μm的濾芯邊疆過濾。同時加強板子的振動頻率和幅度，便于趕走板面上附著的氫氣。
③ 加強前處理，同時檢查銅面是否粗糙，杜決來料不良。
3． 露銅：
原因：
① 反面沾異物
② 濕膜顯影不凈和水洗不凈
③ 鈀附著力不夠
④ 活化后水洗過長
⑤ 鎳槽藥水管控失衡。
解決：
① 加重刷磨（追蹤異物來源）
② 濕膜制程檢討心改善
③ 控制去脂槽的Cu2+含量（小于7g/L）
④ 縮短水洗時間（15SEC）
⑤ 嚴格按比例添加，同時根據(jù)化驗結果結果調(diào)整
4． 金脫皮：
原因：
① 鎳層含磷星高
② 鎳層鈍化
解決：
① 用AA分析磷含量，適當降低還原劑添加幅度，若不行則換槽。
② 避免鎳層在空氣中暴露時間過長。
5． 鎳、銅結合力差（鎳/銅分層）
原因：
① 銅面不潔
② 前處理失效
解決：
① 加強前處理
② 分析前處理各槽藥液中Cu+含量，如有超標既換之。
（去脂槽Cu2+<7g/L，微蝕槽Cu2+<15g/L。酸洗槽Cu2+<0.3g/L）
然后從化學鎳金的反應機理入手。
一、化金
當PCB板面鍍好鎳層放入金槽后，其鎳面即受到槽液的攻擊而溶出鎳離子，所拋出的兩個電子被金氰離子獲得而在鎳面上沉積出金層。
反應機理：
Ni→Ni2+2e
Au(CN)2-+e→Au+2CN-
由此可知，一個鎳原子溶解可獲得兩個金原子的沉積，又因金層上有許多疏瓦，故表面雖已蓋滿了金層，但仍可讓疏孔的鎳面溶解而繼續(xù)鍍出金層，只是速度越來越慢而已。
二、化鎳
鎳鹽：以硫酸鎳為主，也有氯化鎳、乙酸鎳
還原劑：次磷酸二氫鈉，NaH2PO2
反應機理：
說明：①次磷酸二氫鈉的次磷酸根離子水解并氧化成磷酸根，同時放出兩個活性氫原子吸附在銅底鈀面上。
②鎳離子在活化鈀面上迅速還原鍍出鎳金屬。
③小部分次磷酸根在催化氫的刺激下，產(chǎn)生磷原子并沉積在鎳層中。
④部分次磷酸根在催化環(huán)境下，自己也會氧化并生成氫氣從鎳面上向外冒出。
其次，化學鎳金各流程的管控。
一、前處理。
1． 刷磨：使用高目數(shù)的尼龍刷（1000-1200目）對板面進行輕刷（刷磨電流2.0±0.2A）除去訪垢和氧化物.在刷磨后接板時必須戴干凈的手套避免接觸成型線內(nèi)的待鍍區(qū),以免后續(xù)做板出來后板面上有花斑。
2． 去脂：去徐油脂及有機物，只能采用非離子型遙介面活性劑，僅具潤濕效果而已，不能用太強的板子型活性劑，以防止防焊漆表面或基材上帶有靜電而上鎳或損傷水性堿液顯影的防焊漆而溶出碳份污染槽液。
3． 微蝕：通常只咬銅30-40μm即可，如果發(fā)現(xiàn)有星點露銅現(xiàn)名象，很可能為濕膜制程之顯影不潔或顯影后水洗不凈造成。此時可適當延長微蝕時間以便除之。
4． 酸洗：去除微蝕生成的銅鹽。
5． 預活化：采用氯化鈀作為活化劑時，其預活化可以鹽酸配槽，去除前面槽，去除前面槽液的污染，保護活化槽。
6． 活化：用的活化劑為離子型的氯化鈀（也有硫酸鈀，硫酸釕等鉑族貴金屬）。濃度最好控制在30ppm-60ppm。
有段時間，我司生產(chǎn)的某多層板總是有焊墊色差現(xiàn)象，且兩面（S面、C面）總是對稱出現(xiàn)，測量鎳層只有30μm左右，而旁邊焊墊鎳層有120μm以上，且做其它料號很正常，此異常曾困擾生產(chǎn)許久，后經(jīng)供應商分析是多層板的內(nèi)外層存在電位差（此現(xiàn)象經(jīng)微蝕后更為突出）阻止鎳的附著，后提高鈀濃度至60ppm不良率大幅下降色差且不明顯，可允收。
7． 水洗：在各藥水槽之間均須有強力攪拌和循環(huán)的純水洗，避免使用而水洗造成板面污染。
二、化學鎳槽的管理
組成及管控：槽液的配方一般為供應商的機密，主要成份有：鎳鹽，還原劑，和多種有機添加劑。
PH：（4.6-5.2）調(diào)整時可用檸檬本或銨水調(diào)整,注意:用銨水調(diào)整時須緩慢加入且少量多次進行。
溫度:80℃以上，以保證鎳槽反應的順利進行。
磷含量：（6-8%）含量低，其抗蝕性，焊錫性都會變差，且鎳層表面易鈍化，含量高，會影響鎳層的質(zhì)量，增大鎳層的內(nèi)應力，使金鎳之間的結合力變差。
Ni2+：（4.6-5.2g）含量低，影響沉積速率，含量高，槽液穩(wěn)定性差，活性太強易板出。
有面添加劑：添加劑主要有絡合劑（使Ni2+生成絡合物，避免生成氫氧化物或亞磷酸鹽沉淀）；加速劑，安定劑。由于槽液中加有加速劑（多為乳酸），故槽液泛卻停用后易發(fā)霉。因此，在產(chǎn)量不大或長時間性不用時，每隔3-4天就升溫做假鍍（夏天尤為重要）。以維持其品質(zhì)及活性。
槽液析出：在配槽前須用50%的硝酸浸泡8小時發(fā)上，使槽壁生成鈍化膜防止鎳附著，生產(chǎn)時在槽四角的假鍍桿要外加0.9V左右的直流電壓，以抑制鎳鍍上槽壁，硝槽時，附屬設備（過濾機、管道）也要硝化干凈。心可能的防止槽液析出。槽液的活性需要十分的穩(wěn)定，最好采用自動添加系統(tǒng)使槽液各項成份穩(wěn)定。這樣槽液析出就會變慢。壽命就會延長，但是為了保證焊錫性的可靠，其槽液壽命只能用4-5MTO就須換槽。
三、化學金槽的管理
成份：金鹽為氰化亞金鉀，含金量63.8%.PH:5.1-6.1
化學金采用電位置換反應的原理進行的.能在鎳面上鍍上1-3μm的金層,在開始反應的一兩分鐘內(nèi)沉積速度很快,至后來只能透過金層的疏孔讓鎳溶出,而繼續(xù)推動金層的沉積.因以鎳的不斷溶出,金槽內(nèi)的鎳含量不斷增加,一旦超過0.5y/L以上時,不但外觀不佳且附著力也不行.故金槽的壽命只能維持3-4MTO。
根據(jù)長時間的工作經(jīng)驗行出以下干規(guī)律，供同行參考。換兩次鎳槽換一次活化槽。
換兩次鎳槽換一次活化槽
換兩次活化槽換一次金槽
換兩次金槽換一次脫脂槽
四、后處理：
PCB鍍完金后要盡快清洗，最好是熱水洗，以保證無水放印，滿足客戶的外觀要求，同時心力避免在酸性環(huán)境下存放，避免金面發(fā)紅，最好是墊紙轉走。
最后，上游制程品質(zhì)隱患的影響。
對化學鎳金制程本身沒有大的問題出現(xiàn)，主要是防焊白化，是點露銅。而這兩項都是濕膜制程品質(zhì)隱患而引起。
1． 焊自化。防焊油墨的品質(zhì)破壞是決定因素，但一般的油墨只要控制好工藝參數(shù)，也可將嚴重程度減至最小。
我司發(fā)前化金板用TARUM TT-9G油墨，該油墨品質(zhì)十分過硬，在鎳槽鍍50mm都未見防焊白化。但是改用太陽4000-GF5型油墨，防焊白化有20mil，做試驗發(fā)現(xiàn)不印文字去做板，白化程度為15mil，判斷是有了文字烤板的緣故，因此將濕膜后烤參數(shù)由150℃ 45min改為150℃ 40min；文字烤板參板由150℃ 20min（單面文字）改為140℃ 15min，做板后防焊白化只有8mil左右，可允收。說明非化金板適用油墨在做板時，烤板的時間不宜過長，避免油墨烘烤過度老化，化金時防焊老化。
2． 星點露銅：這是最讓人頭痛的問題，產(chǎn)生的原因主要是濕膜顯影及顯影后的水洗烤板時的放板密度（方便有機溶劑、油煙散發(fā)）通風狀況及烤箱內(nèi)的清潔程度。
發(fā)現(xiàn)此種情況，嚴重的退洗，輕微的采取刷磨兩次，延長微蝕時間解決，最有效的方法是從濕膜制程改善。
結束語
化學鎳金制程的品質(zhì)控制不是一件容易的事，尤其是潛在的品質(zhì)隱患（如：焊錫性）只有客戶上線后才能發(fā)現(xiàn)，不過只要嚴格的按標準作業(yè)，問題發(fā)生的機率就會減少。
本人將該制程的一些經(jīng)驗寫出來是為得到業(yè)界的指導
化學鎳金鍍層集可焊接、可接觸導通，可打線、可散熱等功能于一身，是PCB板面單一處理卻具有多用途的濕制程。目前尚無其它的工藝可與之抗衡。但該制程不好做已時日已久，問題常常出現(xiàn)且不易重工，問題的解決須從源頭開始。對此，本人將工作過程中遇到的品質(zhì)問題同業(yè)界前輩探討一下。
首先我們看看常見問題的原因及解決方法。
1． 色差：
原因：
①鎳槽被污染或使用壽命已到，槽液有機物累積過多。
②金槽內(nèi)的鎳離子過多
③活化槽鈀濃度不足。
解決：
① 換鎳槽，杜決污染源。
② 分析金槽鎳含量，超過0.５g/L換槽。
③ 適當提高鈀濃度。
2． 鍍層粗糙
原因：
① 鎳槽活性太強。
② 過濾不夠，板子振動頻率幅度不夠。
③ 前處理不良。
解決：
① 適當降低溫度、濃度和PH值。
② 加強過濾，最好用5μm的濾芯邊疆過濾。同時加強板子的振動頻率和幅度，便于趕走板面上附著的氫氣。
③ 加強前處理，同時檢查銅面是否粗糙，杜決來料不良。
3． 露銅：
原因：
① 反面沾異物
② 濕膜顯影不凈和水洗不凈
③ 鈀附著力不夠
④ 活化后水洗過長
⑤ 鎳槽藥水管控失衡。
解決：
① 加重刷磨（追蹤異物來源）
② 濕膜制程檢討心改善
③ 控制去脂槽的Cu2+含量（小于7g/L）
④ 縮短水洗時間（15SEC）
⑤ 嚴格按比例添加，同時根據(jù)化驗結果結果調(diào)整
4． 金脫皮：
原因：
① 鎳層含磷星高
② 鎳層鈍化
解決：
① 用AA分析磷含量，適當降低還原劑添加幅度，若不行則換槽。
② 避免鎳層在空氣中暴露時間過長。
5． 鎳、銅結合力差（鎳/銅分層）
原因：
① 銅面不潔
② 前處理失效
解決：
① 加強前處理
② 分析前處理各槽藥液中Cu+含量，如有超標既換之。
（去脂槽Cu2+<7g/L，微蝕槽Cu2+<15g/L。酸洗槽Cu2+<0.3g/L）
然后從化學鎳金的反應機理入手。
一、化金
當PCB板面鍍好鎳層放入金槽后，其鎳面即受到槽液的攻擊而溶出鎳離子，所拋出的兩個電子被金氰離子獲得而在鎳面上沉積出金層。
反應機理：
Ni→Ni2+2e
Au(CN)2-+e→Au+2CN-
由此可知，一個鎳原子溶解可獲得兩個金原子的沉積，又因金層上有許多疏瓦，故表面雖已蓋滿了金層，但仍可讓疏孔的鎳面溶解而繼續(xù)鍍出金層，只是速度越來越慢而已。
二、化鎳
鎳鹽：以硫酸鎳為主，也有氯化鎳、乙酸鎳
還原劑：次磷酸二氫鈉，NaH2PO2
反應機理：
說明：①次磷酸二氫鈉的次磷酸根離子水解并氧化成磷酸根，同時放出兩個活性氫原子吸附在銅底鈀面上。
②鎳離子在活化鈀面上迅速還原鍍出鎳金屬。
③小部分次磷酸根在催化氫的刺激下，產(chǎn)生磷原子并沉積在鎳層中。
④部分次磷酸根在催化環(huán)境下，自己也會氧化并生成氫氣從鎳面上向外冒出。
其次，化學鎳金各流程的管控。
一、前處理。
1． 刷磨：使用高目數(shù)的尼龍刷（1000-1200目）對板面進行輕刷（刷磨電流2.0±0.2A）除去訪垢和氧化物.在刷磨后接板時必須戴干凈的手套避免接觸成型線內(nèi)的待鍍區(qū),以免后續(xù)做板出來后板面上有花斑。
2． 去脂：去徐油脂及有機物，只能采用非離子型遙介面活性劑，僅具潤濕效果而已，不能用太強的板子型活性劑，以防止防焊漆表面或基材上帶有靜電而上鎳或損傷水性堿液顯影的防焊漆而溶出碳份污染槽液。
3． 微蝕：通常只咬銅30-40μm即可，如果發(fā)現(xiàn)有星點露銅現(xiàn)名象，很可能為濕膜制程之顯影不潔或顯影后水洗不凈造成。此時可適當延長微蝕時間以便除之。
4． 酸洗：去除微蝕生成的銅鹽。
5． 預活化：采用氯化鈀作為活化劑時，其預活化可以鹽酸配槽，去除前面槽，去除前面槽液的污染，保護活化槽。
6． 活化：用的活化劑為離子型的氯化鈀（也有硫酸鈀，硫酸釕等鉑族貴金屬）。濃度最好控制在30ppm-60ppm。
有段時間，我司生產(chǎn)的某多層板總是有焊墊色差現(xiàn)象，且兩面（S面、C面）總是對稱出現(xiàn)，測量鎳層只有30μm左右，而旁邊焊墊鎳層有120μm以上，且做其它料號很正常，此異常曾困擾生產(chǎn)許久，后經(jīng)供應商分析是多層板的內(nèi)外層存在電位差（此現(xiàn)象經(jīng)微蝕后更為突出）阻止鎳的附著，后提高鈀濃度至60ppm不良率大幅下降色差且不明顯，可允收。
7． 水洗：在各藥水槽之間均須有強力攪拌和循環(huán)的純水洗，避免使用而水洗造成板面污染。
二、化學鎳槽的管理
組成及管控：槽液的配方一般為供應商的機密，主要成份有：鎳鹽，還原劑，和多種有機添加劑。
PH：（4.6-5.2）調(diào)整時可用檸檬本或銨水調(diào)整,注意:用銨水調(diào)整時須緩慢加入且少量多次進行。
溫度:80℃以上，以保證鎳槽反應的順利進行。
磷含量：（6-8%）含量低，其抗蝕性，焊錫性都會變差，且鎳層表面易鈍化，含量高，會影響鎳層的質(zhì)量，增大鎳層的內(nèi)應力，使金鎳之間的結合力變差。
Ni2+：（4.6-5.2g）含量低，影響沉積速率，含量高，槽液穩(wěn)定性差，活性太強易板出。
有面添加劑：添加劑主要有絡合劑（使Ni2+生成絡合物，避免生成氫氧化物或亞磷酸鹽沉淀）；加速劑，安定劑。由于槽液中加有加速劑（多為乳酸），故槽液泛卻停用后易發(fā)霉。因此，在產(chǎn)量不大或長時間性不用時，每隔3-4天就升溫做假鍍（夏天尤為重要）。以維持其品質(zhì)及活性。
槽液析出：在配槽前須用50%的硝酸浸泡8小時發(fā)上，使槽壁生成鈍化膜防止鎳附著，生產(chǎn)時在槽四角的假鍍桿要外加0.9V左右的直流電壓，以抑制鎳鍍上槽壁，硝槽時，附屬設備（過濾機、管道）也要硝化干凈。心可能的防止槽液析出。槽液的活性需要十分的穩(wěn)定，最好采用自動添加系統(tǒng)使槽液各項成份穩(wěn)定。這樣槽液析出就會變慢。壽命就會延長，但是為了保證焊錫性的可靠，其槽液壽命只能用4-5MTO就須換槽。
三、化學金槽的管理
成份：金鹽為氰化亞金鉀，含金量63.8%.PH:5.1-6.1
化學金采用電位置換反應的原理進行的.能在鎳面上鍍上1-3μm的金層,在開始反應的一兩分鐘內(nèi)沉積速度很快,至后來只能透過金層的疏孔讓鎳溶出,而繼續(xù)推動金層的沉積.因以鎳的不斷溶出,金槽內(nèi)的鎳含量不斷增加,一旦超過0.5y/L以上時,不但外觀不佳且附著力也不行.故金槽的壽命只能維持3-4MTO。
根據(jù)長時間的工作經(jīng)驗行出以下干規(guī)律，供同行參考。換兩次鎳槽換一次活化槽。
換兩次鎳槽換一次活化槽
換兩次活化槽換一次金槽
換兩次金槽換一次脫脂槽
四、后處理：
PCB鍍完金后要盡快清洗，最好是熱水洗，以保證無水放印，滿足客戶的外觀要求，同時心力避免在酸性環(huán)境下存放，避免金面發(fā)紅，最好是墊紙轉走。
最后，上游制程品質(zhì)隱患的影響。
對化學鎳金制程本身沒有大的問題出現(xiàn)，主要是防焊白化，是點露銅。而這兩項都是濕膜制程品質(zhì)隱患而引起。
1． 焊自化。防焊油墨的品質(zhì)破壞是決定因素，但一般的油墨只要控制好工藝參數(shù)，也可將嚴重程度減至最小。
我司發(fā)前化金板用TARUM TT-9G油墨，該油墨品質(zhì)十分過硬，在鎳槽鍍50mm都未見防焊白化。但是改用太陽4000-GF5型油墨，防焊白化有20mil，做試驗發(fā)現(xiàn)不印文字去做板，白化程度為15mil，判斷是有了文字烤板的緣故，因此將濕膜后烤參數(shù)由150℃ 45min改為150℃ 40min；文字烤板參板由150℃ 20min（單面文字）改為140℃ 15min，做板后防焊白化只有8mil左右，可允收。說明非化金板適用油墨在做板時，烤板的時間不宜過長，避免油墨烘烤過度老化，化金時防焊老化。
2． 星點露銅：這是最讓人頭痛的問題，產(chǎn)生的原因主要是濕膜顯影及顯影后的水洗烤板時的放板密度（方便有機溶劑、油煙散發(fā)）通風狀況及烤箱內(nèi)的清潔程度。
發(fā)現(xiàn)此種情況，嚴重的退洗，輕微的采取刷磨兩次，延長微蝕時間解決，最有效的方法是從濕膜制程改善。
結束語
化學鎳金制程的品質(zhì)控制不是一件容易的事，尤其是潛在的品質(zhì)隱患（如：焊錫性）只有客戶上線后才能發(fā)現(xiàn)，不過只要嚴格的按標準作業(yè)，問題發(fā)生的機率就會減少。
本人將該制程的一些經(jīng)驗寫出來是為得到業(yè)界的指導
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