一文教你搞定PCB電鍍鎳工藝及故障

中信華

    作用與特性

    在PCB上，鎳用來作為貴金屬和賤金屬的襯底鍍層，同時，對于一些單面印制板，鎳也常用作面層。對于重負荷磨損的一些表面，如開關(guān)觸點、觸片或插頭金，用鎳來作為金的襯底鍍層，可大大提高耐磨性。當(dāng)用來作為阻擋層時，鎳能有效地防止銅和其它金屬之間的擴散。啞鎳/金組合鍍層常常用來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，唯獨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。

' Z2 P: W+ Q# f" s! [3 P$ Y    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鍍制。

% K0 B0 X3 v# o6 B    我們常說的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致，孔隙率低，應(yīng)力低，延展性好的特點。

1 G( w/ m6 t9 `. U' e    氨基磺酸鎳（氨鎳）

' o9 f0 D& @9 s/ L0 V, V    氨基磺酸鎳廣泛用來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應(yīng)力。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，其成本相對高。
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; g# ]: t. x9 O: V1 T    改性的瓦特鎳（硫鎳）

4 z! x2 p# A; b9 s# R1 I    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)出一個半光亮的、稍有一點內(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，成本相對底。

    鍍液各組分的作用

3 C& {; p  L/ ?/ l3 O7 X. t' o7 O    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)晶細致光亮鍍層。
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    緩沖劑──硼酸用來作為緩沖劑，使鍍鎳液的PH值維持在一定的范圍內(nèi)。實踐證明，當(dāng)鍍鎳液的PH值過低，將使陰極電流效率下降；而PH值過高時，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Ni(OH)2膠體在電極表面的吸附，還會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械性能。

# q  A- x9 n$ }2 G# h    陽極活化劑──除硫酸鹽型鍍鎳液使用不溶性陽極外，其它類型的鍍鎳工藝均采用可溶性陽極。而鎳陽極在通電過程中極易鈍化，為了保證陽極的正常溶解，在鍍液中加入一定量的陽極活化劑。通過試驗發(fā)現(xiàn)，CI—氯離子是最好的鎳陽極活化劑。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)實際性況添加一定量的氯化鈉。溴化鎳或氯化鎳還常用來作去應(yīng)力劑用來保持鍍層的內(nèi)應(yīng)力，并賦與鍍層具有半光亮的外觀。
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    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、對甲苯磺酰胺、糖精等。與沒有去應(yīng)力劑的鎳鍍層相比，鍍液中加入去應(yīng)力劑將會獲得均勻細致并具有半光亮的鍍層。通常去應(yīng)力劑是按安培一小時來添加（現(xiàn)通用組合專用添加劑包括防針孔劑等）。
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% U1 Y0 g+ r& m. g' v6 j    潤濕劑——在電鍍過程中，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濕接觸角減小，從而使氣泡容易離開電極表面，防止或減輕了鍍層針孔的產(chǎn)生。

2 i6 m, E' k$ U    鍍液的維護
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    一、溫度——不同的鎳工藝，所采用的鍍液溫度也不同。溫度的變化對鍍鎳過程的影響比較復(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時鍍層的內(nèi)應(yīng)力達到穩(wěn)定。一般操作溫度維持在55--60度C。如果溫度過高，將會發(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，同時還會降低陰極極化。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。
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    二、PH值——實踐結(jié)果表明，鍍鎳電解液的PH值對鍍層性能及電解液性能影響極大。在PH≤2的強酸性電鍍液中，沒有金屬鎳的沉積，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過高時，由于電鍍過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，將會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，還會使鍍層脆性增加。PH較低的鍍鎳液，陽極溶解較好，可以提高電解液中鎳鹽的含量，允許使用較高的電流密度，從而強化生產(chǎn)。但是PH過低，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，在工作過程中每四小時檢查調(diào)整一次PH值。
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7 z% `! T  e% }: Z4 J( M. s% {    三、陽極——目前所能見到的PCB常規(guī)鍍鎳均采用可溶性陽極，用鈦籃作為陽極內(nèi)裝鎳角已相當(dāng)普遍。其優(yōu)點是其陽極面積可做得足夠大且不變化，陽極保養(yǎng)比較簡單。鈦籃應(yīng)裝入聚丙烯材料織成的陽極袋內(nèi)防止陽極泥掉入鍍液中。并應(yīng)定期清洗和檢查孔眼是否暢通。新的陽極袋在使用前，應(yīng)在沸騰的水中浸泡。
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( m- n9 s% U0 P; N3 D    四、凈化——當(dāng)鍍液存在有機物污染時，就應(yīng)該用活性炭處理。但這種方法通常會去除一部分去應(yīng)力劑（添加劑），必須加以補充。其處理工藝如下；

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

6 ]1 P! W3 M6 S* m: v    2、有機雜質(zhì)多時，先加入3—5ml/lr的30%雙氧水處理，氣攪拌3小時。

    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，關(guān)攪拌靜置4小時，加助濾粉使用備用槽來過濾同時清缸。

    4、清洗保養(yǎng)陽極掛回，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行拖缸8—12小時（當(dāng)鍍液存在無機物污染影響質(zhì)量時，也常采用）
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. t$ b4 S/ z3 e" P    5、換過濾芯（一般用一組棉芯一組碳芯串聯(lián)連續(xù)過濾，按周期性便換可有效延期大處理時間，提高鍍液的穩(wěn)定性），分析調(diào)整各參數(shù)、加入添加劑潤濕劑即可試鍍。
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    五、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，定期分析鍍液組分與赫爾槽試驗，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)。

+ @0 P) v4 t! n6 a    六、攪拌——鍍鎳過程與其它電鍍過程一樣，攪拌的目的是為了加速傳質(zhì)過程，以降低濃度變化，提高允許使用的電流密度上限。對鍍液進行攪拌還有一個十分重要的作用，就是減少或防止鍍鎳層產(chǎn)生針孔。因為，電鍍過程中，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。加強對留鍍液的攪拌，就可以消除上述現(xiàn)象。常用壓縮空氣、陰極移動及強制循環(huán)（結(jié)合碳芯與棉芯過濾）攪拌。

    七、陰極電流密度——陰極電流密度對陰極電流效率、沉積速度及鍍層質(zhì)量均有影響。測試結(jié)果表明，當(dāng)采用PH較底的電解液鍍鎳時，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關(guān)，而當(dāng)采用較高的PH電鍍液鎳時，陰極電流效率與電流密度的關(guān)系不大。
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" G  `- l, z6 W% K$ u- A    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。

    故障原因與排除
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    一、麻坑：麻坑是有機物污染的結(jié)果。大的麻坑通常說明有油污染。攪拌不良，就不能驅(qū)逐掉氣泡，這就會形成麻坑�？梢允褂脻櫇駝﹣頊p小它的影響,我們通常把小的麻點叫針孔，處理不良、有金屬什質(zhì)、硼酸含量太少、鍍液溫度太低都會產(chǎn)生針孔。鍍液維護及工藝控制是關(guān)鍵，防針孔劑應(yīng)用作工藝穩(wěn)定劑來補加。
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  u- }; E$ S! x3 }8 D    二、粗糙、毛刺：粗糙就說明溶液臟，充分過濾就可糾正（PH太高易形成氫氧化物沉淀應(yīng)加以控制）。電流密度太高、陽極泥及補加水不純帶入雜質(zhì)，嚴(yán)重時都將產(chǎn)生粗糙及毛刺。

4 P8 r- W& U7 @: N( n1 W5 G# m( E    三、結(jié)合力低：如果銅鍍層未經(jīng)充分去氧化層，鍍層就會出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，銅和鎳之間的附著力差。如果電流中斷，那將會在中斷處造成鎳鍍層的自身剝落，溫度太低，嚴(yán)重時也會產(chǎn)生剝落。
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    四、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，通常會顯露出鍍層脆。這就表明存在有機物或重金屬什質(zhì)污染，添加劑過多、夾帶的有機物和電鍍抗蝕劑，是有機物污染的主要來源，必須用活性炭加以處理，添加濟不足及PH過高也會影響鍍層脆性。
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3 S+ b/ j% ?: {2 |# D: `    五、鍍層發(fā)暗和色澤不均勻：鍍層發(fā)暗和色澤不均勻，就說明有金屬污染。因為一般都是先鍍銅后鍍鎳，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。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影響鍍層色澤。

5 Z0 `, @& E" c/ ~7 P$ U    六、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。

    七、淀積速率低：PH值低或電流密度低都會造成淀積速率低。

    八、鍍層起泡或起皮：鍍前處理不良、中間斷電時間過長、有機雜質(zhì)污染、電流密度過大、溫度太低、PH太高或太低、雜質(zhì)的影響嚴(yán)重時會產(chǎn)生起泡或起皮現(xiàn)象。
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    九、陽極鈍化：陽極活化劑不足，陽極面積太小電流密度太高。