原创 印制电路板(PCB)表面镀镍工艺(上)

1概述

    镍，元素符号Ni，原子量58．7，密度8．88g/cm3，Ni2+的电化当量1．095g／AH。

    用于印制板的镍镀层分为半光亮镍(又称低应力镍或哑镍)和光亮镍两种。主要作为板面镀金或插头镀金的底层，根据需要也可作为面层，镀层厚度按照IPC-6012(1996)标准规不低于2~2．5μm。镍镀层应具有均匀细致，孔隙率低，延展性好等特点，而且低应力镍应具有宜于钎焊或压焊的功能。

    2低应力镍

    2．1镀镍机理

    阴极：在阴极上，镀液中的镍离子获得电子沉积出镍原子，同时伴有少量氢气析出。

    Ni2++2e+Ni0Ni2+／Ni=-0．25V

    2H++2e+H20Ni2+／N2=-0.0V

    虽然Ni的标准电极电位很负，但由于氢的过电位以及镀液中镍离子的浓度、温度、pH等操作条件的影响，阴极上析出氢极少，这时镀液的电流效率可达98％以上。只有当pH很低时，才会有大量氢气析出，此时阴极上无镍沉积。

    阳极：普通镀镍使用可溶性镍阳极。阳极的主反应为金属镍的电化学溶解：

    Ni-2e→Ni2+

    当阳极电流密度过高，电镀液中又缺乏阳极活化剂时，阳极将发生钝化并伴有氧气析出：

    2H20-4e→02↑+4H+

    当镀液中有氯离子存在时，也可能发生析出氯气得反应：

    2C1--2e→C12↑

    阳极上金属镍电化学溶解使镍离子不断进入溶液，从而提供了阴极电沉积所需的镍离子。但当阴极面积不够大或镀液中活化剂不够时，将导致阳极钝化而析出氧，生成的氧进步氧化阳极表面，生成棕色的Ni203氧化膜。

    2Ni+3[O]→Ni2O3

    由于阳极钝化，使电流密度降低，槽电压升高，电能损失增加。

    当使用高速镀镍工艺时，阳极采用非溶性材料如：铂、钛上镀铂网或钛上镀钌网，也可以采用含硫的活性镍阳极。

    2．2镀液配方及操作条件

    2．3镀液配制

    1)在备用槽中，用热去离子水溶解计量的硫酸镍、氯化镍和计量1/2的硼酸。

    2)加热至55~60℃，加活性炭3g/L，搅拌2h，静置2h，过滤，将无炭粒的溶液转人已清洗干净的工作槽中。

    3)搅拌下，加入其余量硼酸，调pH到3．0，在55-60℃下，用瓦楞形阴极，在0．3~0．5A／dm2下电解，直至阴极板上镀层颜色均匀一致为止。

一般通电量需达4Ah/L。
    4)加入添加剂和润湿剂，搅拌，调pH及液位，分析镀液成分。试镀。

    如果所用硫酸镍、氯化镍等材料纯度低，则需在加活性炭之前，先加H2O21~3ml／L，搅拌半小时，加热至65℃，保持半小时，再加活性炭并继续按步骤进行。

    2．4各成分作用

    2．4．1主盐

    硫酸镍或氨基磺酸镍是镀镍溶液的主要成分，在普通镀镍中，控制Ni2+浓度65-75g／L。表7-2中列出了这两种类型镀液所镀出镀层的主要性能比较。从表中看出，以氨基磺酸盐型的低应力镍镀层的性能更佳。但氨基磺酸镍稳定性较差，价格较贵。而用硫酸镍为主盐也能达到技术要求。

    提高主盐浓度，可以提高镀层的沉积速度，并能使允许电流密度范围扩大，但主盐浓度太高会导致镀液分散能力降低。主盐浓度降低导致镀层沉积速度降低，严重时会导致高电流区镀层烧焦。

    2．4．2阳极活化剂

    为了保证阳极正常溶解，防止阳极钝化，镀液中需要阳极活化剂。镍的卤族化合物如：氯化镍、溴化镍等可以作为镍阳极活化剂。氯化镍浓度不能太高，否则会使镀层应力增加，一般以氯化镍不大于30g／L为宜；以溴离子作阳极活化剂，它的浓度升高影响不大，但溴化物原料来源不如氯化镍方便。

    阳极钝化有以下现象：

    1)槽电压升高，一般可达6V以上，但电流却很小。

    2)阳极表面气泡较多，有时会有刺激性气味，甚至表面呈褐色。

    造成阳极钝化的主要原因：

    镀液中阳极活化剂浓度太低。

    阳极面积太小。

    此时，将溶液和阳极面积调整后，将阳极取出，经稀硫酸处理后，洗净重新放人镀液。

    2．4．3缓冲剂

    硼酸是镀镍溶液最好的缓冲剂。它可以将镀液的酸度控制在一定范围之内，为了达到最佳缓冲效果，硼酸浓度不能低于30g／L，最好保持在40-50g／L。

    H2BO3的缓冲作用是通过H2BO3的电离来维持的，H2BO3是一种弱酸，它在水溶液中电离反应如下:

    H2BO3与H++H2BO3-

    H2BO3与H++HBO32-

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p;  HBO32与H++BO33-

    当溶液pH上升时，电离平衡向右进行，维持了溶液pH值的稳定；当溶液pH下降时，使电离平衡向左进行，同样维持了溶液pH的稳定。

    硼酸不仅具有pH缓冲能力，而且它能提高阴极极化，改善镀液性能，使在较高的电流密度下，镀层不易烧焦。硼酸的存在也有利于改善镀层的机械性能。
   2．4．4添加剂

    添加剂的加入，改善了镀液的阴极极化，使镀层均匀细致并具有半光亮镍的光泽，同时改善了镀液的分散能力。

    添加剂的主要成分是应力消除剂，由于添加剂的加入，降低了镀层的内应力，随着添加剂的浓度变化，可以使镀层内应力由张应力改变为压应力。能起到这种作用的材料有如：萘磺酸、对甲苯磺酰胺、糖精等。添加剂成分选配合适，可以使镀层均匀细致有光泽并且可焊性好。

    2．4．5润湿剂润湿剂能降低镀液的表面张力，使表面张力降至35-37dyn／cm，这有利于消除镀层的针孔、麻点。用于印制板的镀镍溶液宜使用低泡润湿剂，如：二乙基已基硫酸钠、正辛基硫酸钠等。