PCB沉金工艺介绍解析

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五、沉镍金工艺的用途
化学镍金镀层集可焊接、可接触导通，可打线、 可散热等功能于一身，是 PCB 板面单一处理却具 有多用途的湿制程。 化学镍的厚度一般控制在 4-5μm，其不但对铜面进行有效保护，防止铜的 迁移，而且具备一定硬度和耐磨性能，同时拥有 良好的平整度 。浸金的厚度一般控制在 0.050.1μm，其对镍面具有良好的保护作用，而且具 备很好的接触导通性能。
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5、活化
操作条件
温度：27±3OC 时间：4 ±2min 槽材质：PVC或PP 温控：铁弗龙包覆加热器或冷却盘管 过滤 ：5μmPP滤芯连续过滤 搅拌：摆动及药液循环搅拌
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工艺维护
• 影响钯缸稳定性的主要因素除了药水系 列不同之外，钯缸控制温度和Pd2+浓度则 是首要考虑的问题。温度越低、Pd2+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20-300C， 其控制范围应在±10C，而Pd2+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。
•E、易钎焊，但熔焊性较差； •F、镀层密度约为8.0g/cm3 ； •G、熔点约为890OC
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工艺维护
• A、在酸性溶液中，PH＜3时镍不会被还 原析出。随着PH值的提高，沉积速度加 快。当PH＞6时，很容易产生Ni(OH)2沉 淀。一般PH控制在4.5~5.0; • B、随着NaH2PO2和NiSO4浓度的增加， 沉积速度逐渐提高，而后趋于稳定或稍 有降低。但此时溶液的稳定性下降;
沉镍金培训教材
撰写：henry 日期：2012年6月
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第一部分 沉镍金基本概念
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一、什么是化学镀
化学镀是在金属的催化作用 下，通过可控制的氧化还原 反应产生金属沉积的过程。
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二、化学镀应具备的条件：
1、氧化还原电位应显著低于金属 还原电位； 2、溶液不产生自发分解，催化时 才发生金属沉积； 3、PH值、温度可以调节镀覆速度； 4、具有自催化作用； 5、溶液有足够寿命。
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操作条件
A、温度 不同系列的沉镍药水其控制范围不 同。一般情况下，镍缸的操作范围是 86±50C，有的药水则控制在81±50C。 具体操作温度应根据试板结果来定， 不同型号的制板，有可能操作温度不同。 一个制板的良品操作范围一般情况下只 有±20C，个别制板也有可能小于±10C.
原条件下沉积在裸铜表面。当镍沉积覆盖钯催 化晶体时，自催化反应将继续进行，直至达到 所需之镍层厚度。
• 主反应： Ni2+ +2H2PO2- +2H2O
+2HPO32-+4H++H2
• 副反应： 4H2PO2-
Ni
2HPO32-+2P+2H2O+H2
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反应机理：
1.次磷酸二氢钠的次磷酸根离子水解并 氧化成磷酸根，同时放出两个活性氢 原子吸附在铜底钯面上。 H2PO2- +H2O HPO32-+H++2H 2.镍离子在活化钯面上迅速还原镀出镍 金属。 Ni2++2H Ni+2H+
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3.小部分次磷酸根在催化氢的刺激下，产生 磷原子并沉积在镍层中。 H2PO2-+H OH-+P+H2O 4.部分次磷酸根在催化环境下，自己也会氧 化并生成氢气从镍面上向外冒出。 H2PO2- + H2O HPO32-+H++H2
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化学镍药水的分类：
按操作温度分可将镀液分成高温镀液（85950C）、中温镀液（65-750C）、低温镀 液（500C）以下 按其使用的还原剂又可大致分为次磷酸盐 型、硼氢化物型、肼型、胺基硼烷型4种。
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铜浓度控制：
由于 Cu2+ 对微蚀速率影响较大， 通常须将Cu2+的浓度控制在5-25g/l， 以保证微蚀速率处于 0.5-1.5μm之间。 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 Cu2+ 浓 度。
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逆流水洗：
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 Cu2+ ，继而影响钯缸寿命。所以，在 条件允许的情况下，微蚀后二级逆流 水洗，之后再加入 3%—5% 的硫酸浸 洗，经二级逆流水洗后进入预浸缸。
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第二部分
沉镍金原理及工艺介绍
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一、基本工艺流程
整孔 水洗 除油 活化 水洗 水洗 微蚀 沉镍
水洗
沉金
水洗
烘干
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二、各流程简介 1、整孔
A、目的：使非导通孔孔内残留的钯失 去活性，以防止其沉上镍金。 B、通常在蚀刻后褪锡前以水平线处理, 使用的药水一般为：硫脲和盐酸
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2、除油
作作用：用于除去铜面之轻度油脂及氧化物， 铜面清洁及增加润湿性。
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镀液中镍离子浓度不宜过高，镀液中镍离子 过多会降低镀液的稳定性，容易形成粗糙的 镀层，甚至可能诱发镀液瞬时分解，继而析 出海绵状镍。镍离子与次磷酸盐浓度的最佳 摩尔比应在0.4左右 B、还原剂 化学镀镍的主要成分，它能提供还原镍离 子所需要的电子。 在一定范围内镍沉积的反应速度与次磷酸 盐的浓度成正比，因而次磷酸盐的浓度直 接影响着反应的沉积速率，
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•C、化学镀镍层的厚度一般控制4~5μm， 最少要大于2.5μm厚的镍磷层才能起到 有效的阻挡层作用,防止铜的迁移,以免渗 出金面,氧化后导致导电性不良;
•D、镀覆PCB的装载量（裸铜面）应适 中，以0.1~0.5dm2/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，造成严重后果；负载太低会导致镍 缸活性逐渐降低，造成漏镀等问题。
特性要求：
A： 一般为酸性除油剂 B：不损伤solder mask C：低泡型，容易水洗
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操作条件：
温度：50±10oC 时间：6 ±2min 过滤：5μmPP滤芯连续过滤 搅拌：摆动及药液循环搅拌 槽材质：PP或SUS 加热器：石英或铁弗龙加热器
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逆流水洗：
除油缸之后通常为二级市水洗，如 果水压及流量不稳定或经常变化，则将 逆流水洗设计为三级市水洗更佳。
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镍层特性
• A、磷含量随着溶液成份和操作条件的不 同而在7~11%之间变化； • B、热处理时，Ni3P结晶化层状结构逐渐 消失。当磷含量高于8%时，镀层为非磁 性；低于8%时，镀层为磁性； • C、抗蚀性高，特别是当磷含量较高时， 在许多侵蚀介质中均比电镀镍耐蚀;
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•D、硬度高，显微硬度约为500~600HV， 400OC处理后则大于1000HV；
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三、什么是沉镍金？
也叫无电镍金或沉镍浸金（Electroless Nickel Immersion Gold），是指在PCB裸 铜表面涂覆可焊性涂层的一种工艺。
其含义是：
在裸铜面进行化学镀镍，然后化学浸金。
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四、沉镍金工艺的目的
• 沉镍金工艺既能满足日益复杂的PCB装配、 焊接的要求，又比电镀镍金的成本低，同 时还能对导线的侧边进行有效的保护，防 止在使用过程中产生不良现象。 AU Ni CU
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•E、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 搅拌或连续循环系统，使被加热的镀液 迅速扩散开。当槽内壁镀有镍层时，应 及时用硝酸（1:3)褪除,适当时可考虑加 热,但不可超过50OC, 以免污染空气。 •F、镀液寿命一般控制在4MTO（即Ni离 子添补量累积达到4倍开缸量），超过此 限主要问题是镍厚不足。
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4、预浸
作用：
维持活化缸的酸度及使铜面在新鲜状 态（无氧化物）的情况下，进入活化缸。
操作条件：
温度： 时间： 搅拌： 槽材质： 室温 1±0.5min 摆动及药液循环搅拌 PVC或PP
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作用： 在电化序中，铜位于镍的后面，所以必须 将铜面活化，才能进行化学镀镍。PCB行 业大多是采用先在铜面上生成一层置换钯 层的方式使其活化。 反应式：Pd2++Cu Pd+Cu2+ PCB沉镍金工序之活化剂一般为硫酸型和 盐酸型两种，现较多使用硫酸型钯活化液。 行业中也有使用Ru（Ruthenium）做催化 晶核，效果也较为理想。
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在化学镀镍溶液中通常选用有机酸及其盐 作为缓冲剂、络合剂。
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柠檬酸、羟基乙酸、琥珀酸、苹果 酸、乳 酸及其盐、氯化铵、焦磷酸盐、乙二胺、 三乙醇胺等均为结合剂，其中某些药品还 起缓冲剂作用； D、稳定剂 其主要用处是防止化学镀镍 溶液在受到污染及存在有催化活性的固 体颗粒、负载量过大或过小、pH值过高 等异常情况下，自发分解 。重金属离子锡、
29来自百度文库
C、缓冲剂、络合剂 缓冲剂主要用处是维持镀液的pH值防止化学镀镍 时由于大量析氢所引起的pH值下降 络合剂作用主要是与镍离子进行络合降低游离镍 离子的浓度，提高镀液的稳定性。
一般均使用NaH2PO2，其控制浓度一般为2040g/l。在镀液中，主反应将Ni2+还原成为 金属Ni，副反应为其本身的歧化反应生成 单质P，主反应及副反应过程中均伴随H2逸 出。
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按pH值分又可将其分为酸性镀液和碱性镀 液； 最常用的是次磷酸盐为还原剂的酸性高温 化学镀镍液，常称为普通化学镀镍液。
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溶液的组成及作用：
A、金属盐 次磷酸镍是镍离子最为理想的来源。 如能解决其在制备过程中遇到的问题，使 用这种镍盐将极大地改善镀液的性能 目前 最常用的镍盐有硫酸镍和氯化镍 两种。由于硫酸镍的价格低廉，且容易制 成纯度较高的产品，被认为是镍盐的最佳 选择。由于氯离子的活性高，化学镀镍时 一般不使用氯化镍
锌、铅、镉、锑及某些有机或无机含硫化合物 如硫脲以及三氯化钼都是化学镀镍的催化剂毒 物，如含量很少时，对镀液有一定的稳定作用， 但若含量过高会使镀液失效导致镍不能沉积出 来。
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镍沉积速度影响因素
A B 温度 PH值
C
D
缸老化度（正常生产时老化度以MTO来衡量）
主盐（NiSO4）浓度
E
F
•
还原剂（NaH2PO2) 浓度
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逆流水洗：
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 宜使用超声波装置，否则，不但导致 大面积漏镀，而且渗镀问题依然存在。
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6、沉镍 • 作用：在钯的活化作用下，Ni2+在NaH2PO2的还
溶液的过滤与搅拌
注：MTO 即 Metal Turn Over ，缸内金属离子的加入量
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3、微蚀缸
作用： 酸性过硫酸钠微蚀液用于使铜面微 粗化，增加铜与化学镍层的密着性。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。
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操作条件（NPS系列）：
Na2S2O8： 100±20g/l H2SO4： 20 ±10g/l Cu2+ ： 5~25g/l 温度： 30 ±2OC 时间： 1.5 ±0.5min 搅拌:摆动及药液循环搅拌或空气打气 槽材质:PVC或PP 加热器:石英或铁弗龙加热器
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