PCB电镀镍工艺及故障原因与排除.doc
PCB镀镍工艺及故障原因与排除 1、作用与特点 PCB（印刷电路板的英文缩写）采用“\t”镍镀层作为贵金属和贱金属的基板镀层，也常用于一些单面印刷电路板的面层。对于一些磨损较重的表面，如开关触点、接点或插头金等，用镍作为金的基板镀层，可大大提高耐磨性。镍作为阻挡层时，能有效阻止铜与其它金属间的扩散。哑光镍/金组合镀层常用作耐蚀刻的金属镀层，能满足热压焊接和钎焊的要求。只有镍才能作为含氨蚀刻剂的耐蚀刻剂镀层，不需要热压焊接而又要求镀层光亮的PCB通常采用光亮镍/金镀层。镍镀层厚度一般不小于2.5微米，通常采用4-5微米。 PCB中低应力镍的沉积层通常采用改性瓦特镀镍液和一些添加了降低应力的添加剂的氨基磺酸镀镍液进行镀制。我们常说的PCB镀镍包括光亮镍和哑光镍（也叫低应力镍或半光亮镍），通常要求镀层均匀细密，孔隙率低，应力小，延展性好。
2、氨基磺酸镍（氨镍） 氨基磺酸镍在金属化孔电镀、印刷插头接触片上广泛用作基材镀层，所得沉积层内应力小，硬度高，延展性极佳。镀液中添加应力消除剂，所得镀层会带有一点应力。氨基磺酸镍镀液有多种不同配方，氨基磺酸镍镀液的典型配方如下表所示。由于镀层应力小，得到广泛应用，但氨基磺酸镍稳定性差，成本相对较高。 3、改良瓦特镍（硫镍） 改良瓦特镍配方采用“硫酸镍”\t“”硫酸镍，配合溴化镍或氯化镍。由于内应力大，多采用溴化镍。可产生半光亮、略带内应力、延展性好的镀层；且此镀层容易活化，便于后续电镀，成本相对较低。 4、镀液各组分的作用：主要盐类--氨基磺酸镍和硫酸镍是镀镍液中的主要盐类。镍盐主要提供镀镍所需的镍金属离子，同时还起导电盐的作用。不同供应商的镀镍液浓度稍有不同，镍盐的允许含量差别很大。
镍盐含量高，因而可采用较高的阴极电流密度，沉积速度快，常用于高速厚镍镀层。但浓度过高，会使阴极极化降低，分散能力差，镀液损耗大。镍盐含量低，沉积速度慢，但分散能力很好，可得到结晶、细密、光亮的镀层。缓冲剂——“硼酸” 硼酸作为缓冲剂，使镀镍液的pH值维持在一定的范围内。实践表明，镀镍液pH值过低，阴极电流效率会下降；pH值过高时，由于H2不断析出，使靠近阴极表面的液层pH值迅速上升，导致Ni(OH)2胶体的生成，Ni(OH)2夹杂在镀层中会增加镀层的脆性。同时，Ni(OH)2胶体在电极表面的吸附还会使氢气泡滞留在电极表面，增加镀层孔隙率。硼酸不仅有pH缓冲作用，而且可以增加阴极极化，从而改善镀液性能，减少大电流密度下的“烧焦”现象。硼酸的存在还有利于提高镀层的力学性能。阳极活化剂——除硫酸盐型镀镍液采用不溶性阳极外，其他类型的镀镍工艺均采用可溶性阳极。镍阳极在通电过程中极易“钝化”，为保证阳极的正常溶解，镀液中加入一定量的阳极活化剂。
通过试验发现，Cl-氯离子是最好的镍阳极活化剂。在含有氯化镍的镀镍液中，氯化镍除了作为主盐和导电盐外，还起着阳极活化剂的作用。在不含氯化镍或氯化镍含量较低的镀镍液中，需根据实际情况加入一定量的“氯化钠”\t“”氯化钠。溴化镍或氯化镍也常用作应力消除剂，以保持镀层内应力，使镀层呈现半光亮的外观。添加剂-添加剂的主要成分是应力消除剂。应力消除剂的加入，改善了镀液的阴极极化，降低了镀层内应力。随着应力消除剂浓度的变化，镀层内应力可由拉应力变为压应力。常用的添加剂有：萘磺酸、对甲苯磺酰胺、糖精等。与不加应力消除剂的镀镍相比，在镀液中添加应力消除剂，可获得均匀、细腻、半光亮的镀层。通常应力消除剂是按安培小时添加的（目前一般专用添加剂的组合有防针孔剂等）。润湿剂--电镀过程中，阴极析氢是不可避免的，析氢不但降低阴极电流效率，而且由于氢气泡在电极表面的滞留，会使镀层产生针孔。
镍镀层的孔隙率较高，为了减少或防止针孔的产生，应在镀液中加入少量润湿剂，如十二烷基硫酸钠、二乙基己基硫酸钠、正辛基硫酸钠等。润湿剂是阴离子表面活性剂，能吸附在阴极表面，使电极与溶液之间的界面张力降低，氢气泡对电极的润湿接触角减小，使气泡容易离开电极表面，防止或减少镀层针孔的产生。5、镀液的维护a)温度——不同的镀镍工艺采用不同的镀液温度。温度变化对镀镍工艺的影响比较复杂。在温度较高的镀镍液中，得到的镀镍层内应力小，延展性好。当温度升高到50℃时，镀层内应力达到稳定。一般工作温度保持在55--60℃，温度过高会引起镍盐水解，生成的氢氧化镍胶体使胶体氢气泡滞留，造成镀层针孔，同时降低阴极极化。因此对工作温度要求很严格，应控制在规定范围内。实际工作中以供应商提供的最佳温控值为主，采用恒温控制器保持工作温度的稳定。b)PH值--实践表明，镀镍电解液的PH值对镀层性能和电解液性能影响很大。在PH值≤2的强酸性电镀液中，没有金属镍的沉积，只有轻气体析出。一般PCB镀镍电解液的PH值保持在3~4之间。PH值较高的镀镍液，分散性较好，阴极电流效率也较高。
但pH过高时，由于电镀过程中阴极不断析出轻气体，使阴极表面附近镀层pH值迅速升高，大于6时会产生轻氧化镍胶体，使氢气泡滞留，镀层出现针孔。镀层中夹杂氢氧化镍，也会增加镀层的脆性。pH值较低的镀镍液，阳极溶解性较好，可提高电解液中镍盐含量，允许使用较高的电流密度，从而强化生产。但pH过低，获得光亮镀层的温度范围会变窄。加入碳酸镍或碱式碳酸镍，会使pH值升高；加入氨基磺酸或硫酸，会使pH值降低。工作过程中每四小时检查、调整一次pH值。c)阳极——目前PCB常规镀镍采用可溶性阳极，用钛篮作阳极，内有镍角，较为普遍。它的优点是阳极面积可以做得足够大而不变化，阳极维护比较简单。应将钛篮放在聚丙烯材料编织的阳极袋中，以防止阳极泥落入镀液中。应定期清理和检查孔洞是否通畅。新的阳极袋使用前应在沸水中浸泡。d)净化——镀液被有机物污染时，应使用活性炭处理。但此种方法通常会去除一部分应力消除剂(添加剂)，必须重新补充。处理过程如下；(1)取出阳极，加入5ml/l除污水，加热(60-80摄氏度)并充气(气体搅拌)2小时。(2)当有机杂质较多时，先加入30%过氧化氢3-5ml/lr进行处理，气体搅拌3小时。
（3）在不断搅拌下加入3-5g/l粉状活性剂，继续搅拌2小时，关闭搅拌静置4小时，加入过滤粉并用备用槽过滤，同时洗槽。 （4）洗净保养阳极挂回，用镀有镍的波纹铁板作阴极，在0.5-0.1A/dm2电流密度下拖槽8-12小时（当镀液被无机物污染，影响质量时也经常采用此方法） （5）更换过滤芯（一般用一组棉芯和一组碳芯串联起来连续过滤，定期更换可有效延长最大处理时间，提高镀液稳定性），分析调整各项参数，加入添加剂、润湿剂，即可试镀。 e)分析——镀液应利用工艺控制所规定的工艺规程要点，定期对镀液成分和赫尔槽试验进行分析，并根据所得到的参数指导生产部门调整镀液的各项参数。 f)搅拌——镀镍工艺与其它电镀工艺相同，搅拌的目的是加速传质过程，以减少浓度变化，提高允许电流密度的上限。搅拌镀液还有一个很重要的作用，就是减少或防止镀镍层产生针孔。因为，在电镀过程中，阴极表面附近镀层离子稀少，大量的氢气析出，使pH值上升而产生氢氧化镍胶体，导致氢气泡和针孔的滞留。加强对剩余镀液的搅拌，可消除上述现象。搅拌常用压缩空气、阴极移动和强制循环(结合碳芯、棉芯过滤)等方法。 g)阴极电流密度——阴极电流密度影响阴极电流效率、沉积速率和涂层质量。
试验结果表明，采用低pH值电解液镀镍时，在低电流密度区，阴极电流效率随电流密度的增加而增大；在高电流密度区，阴极电流效率与电流密度无关，而采用较高pH值的镀镍液时，阴极电流效率与电流密度关系不大。6 原因及排除方法a) 凹坑：凹坑是由于有机物污染造成的，大的凹坑通常表示有油污。搅拌不良，不能驱出气泡，即形成凹坑，可使用润湿剂来减轻其影响。小的凹坑我们通常称针孔。前处理不良、金属含量、硼酸含量太少、镀液温度太低均会产生针孔。镀液维护和工艺控制是关键，应加入防针孔剂作为工艺稳定剂。b) 粗糙与毛刺：粗糙表示溶液脏，可通过充分过滤来纠正（pH值过高易形成氢氧化物沉淀，应加以控制）。电流密度太高，阳极泥及不纯水中加入杂质，严重时会出现粗糙、毛刺。c)结合强度低：e)镀层发暗，色泽不均：f)镀层烧伤：镀层烧伤可能原因：硼酸不足、金属盐浓度低、工作温度太低、电流密度太高、pH值太高或搅拌不够。g)沉积速度低：pH值低或电流密度低都会造成沉积速度低。h)镀层起泡或脱落：镀前处理不良、停电时间过长、有机杂质污染、电流密度过高、温度过低、pH值过高或过低、杂质影响严重等都会产生起泡或脱落。i)阳极钝化：阳极活化剂不足，阳极面积太小，电流密度过大。