化学镍金工艺原理Word格式.docx
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O+H
2.2.3反应机理
H
-+H
OH++HPO
2-+2H
Ni2++2HNi+2H2
-+HH
O+OH-+P
H2PO
2-+H
2.2.4作用
化学镍的厚度一般控制在3-5um,其作用同金手指电镍一样不但对铜面进行有效保护,防止铜的迁移,而且备一定硬度和耐磨性能,同时拥有良好的平整度,在镀镍浸金保护后,不但可以取代拔插频繁的金手指用途(如电脑的内存条,同时还可避免金手指附近的导电处斜边时所遗留裸铜切口
2.3浸金原理
2.3.1浸金
是指在活性镍表面,通过化学置换反应沉积薄金
化应式:
2Au(CH
-+Ni2Au+Ni2++4CN-
2.3.2作用
浸金的厚度一般控制在0.03-0.1um,其对镍面有良好的保护作用,而且具备很好的接触导通性能,很多需按键接触的电子器械(如手机、电子字典都采用化学浸金来保护镍面
3.化学Ni/Au的工艺流程
3.1工艺流程简介
作为化学镍金流程,只要具备6个工作站就可满足生产要求
3-7分钟1-2分钟0.5-4.5分钟2-6分钟
除油
微蚀
活化
预浸
沉Au
沉Ni
20-30分钟7-11分钟
3.2工艺控制
3.2.1除油缸
一般情况下,PCB沉镍金采用酸性除油剂处理制板,其作用在于除掉铜面的轻度油脂及氧化物,达到清洁及增加湿润效果的目的,它应当具备不伤SOiderMask(绿油以及低泡型易水洗的特点。
除油缸之后通常为二级水洗,如果水压不稳定或经常变化,则将逆流水洗设计为三级水洗更佳。
3.2.2微蚀缸
微蚀的目的在于清除铜面氧化物及前工序遗留的残渣,保持铜面的新鲜及增加化学镍层的密著性,常用微蚀液为酸性过硫酸钠溶液:
Na
2S
O
8
:
60-120g/L
CP.H
2SO
4
20-50ml/L
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
由于铜离子对微蚀速率影响较大,通常须将铜离子的浓度控制在15-25g/L,以保证微蚀速率处于
0.5-1.5um,生产过程中,换缸时往往保留1/5-1/3母液(旧液,以保持一定铜离子浓度,也有少量氯离子加强微蚀效果;
另外,由于带出的微蚀残液,会导致铜面在水洗过程中迅速氧化,所以微蚀的水质和流量、浸泡时间都须特别考虑,否则,预浸缸会产生太多的铜离子,进而影响钯缸寿命。
所以,在条件允许的情况下(有足够的排缸微蚀后二级水洗之后,再加入1-5%左右的硫酸浸洗,经二级逆流水洗之后进入预浸缸。
3.2.3预浸缸
预浸缸在制程中没有特别的作用,只是维持活化缸的酸度以及铜面在新鲜状态(无氧化物下进入活化缸;
理想的预浸缸除了Pd之外,其它浓度与活化缸一样,实际上,一般硫酸钯活化系列采用硫酸盐作预浸剂,盐酸钯活化系列采用盐酸盐作预浸剂,也有使用铵盐作预浸剂(PH值另外调节否则,活化制程失去保护会造成钯离子活化液局部水解沉淀
3.2.4活化缸
活化的作用是在铜面析出一层钯,作为化学镍起始反应之催化晶种,其形成过程则为Pd与Cu的化学置换反应;
从置换反应来看,Pd与Cu的反应速度会越来越慢,当Pd将Cu完全覆盖后(不考虑浸镀的疏孔性置换反应即会停止,但实际生产中,人们不可能也不必要将铜面彻底活化(将铜面完全覆盖从成本上讲,这会使Pd的消耗大幅大升,更重要的是,这容易造成渗镀等严重品质问题;
由于Pd的本身特性,活化缸存在着不稳定这一因素,槽液中会产生细微的(5m滤芯根本不可能将其过滤钯颗粒,这些颗粒不但会沉积在PCB的Pd位上,而且会沉积在基材、绿油以及缸壁上,当其积累到一定程度,就有可能造成PCB渗镀及缸壁发黑等现象.
影响钯缸稳定性的因素除了药水系列的不同外,钯缸控制温度和钯离子浓度则是药水首要考虑的问题,温度越低、钯离子浓度越低越有利于钯缸的控制,但不能太低,否则会引起漏镀发生;
通常情况下,钯缸温度设在20-30℃,其控制范围应在±
1℃,而钯离子浓度则跟据活化种类不同控制在10-40PPM,至于活化效果,则按需要选取适当时间;
当槽壁及槽低中灰黑色沉积物,则需要硝槽处理其过程为:
加入1:
1硝酸,启动循环泵2h以上或直到槽壁灰黑色沉积物完全除去为止,适当时可考虑加温,不可超过50℃以免空气污染;
另外,也有人认为活化带出的钯离子残液在水洗过程中会造成水解,从而吸附在基材上引起渗镀,所以应在活化逆流水洗之后,多加硫酸或盐酸的后浸及逆流水洗的制程,事实上,正常状况下,活化带出的Pd2+的残液体在二级水洗过程中可以被洗干净,吸附在基材上的微量元素,在Ni缸中不足以导致渗镀出现,另一方面,如果是不正常因素导致基材吸附大量活化残液,并不是硫酸或盐酸能将其洗去,只能从根源去调整Pd缸或Ni缸。
增加后浸及逆流水洗,其作用只是避免水中Pd含量大多而影响镍缸;
需留意的是,水洗缸中少量的Pd带入Ni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,二级水洗时间控制在1-3min为佳,尤其重要的是活化后水洗不可使用超声波装置,否则,不但导致大面积漏镀,而且渗镀问题依然存在。
3.2.5沉镍缸
化学沉镍是通过Pd的催化作用下,NaH
水解生成原子态H,同时原子态H在Pd催化条件下,将镍离
子还原为单质镍而沉积在铜面上;
作为化学沉积的金属镍,其本身也具有催化能力,由于催化能力劣于钯晶体,所以反应初期主要是催化作用在进行,当镍的沉积将钯晶体完全覆盖时,如果镍缸活性不足,化学沉镍就会停止,于是产生漏镀,这种漏镀与镍缸活性严重不够所产生的漏镀不同,前者因沉积大约20u〞的薄镍,因而漏镀Pad位在沉金后呈现白色粗糙金面,而后者根本无化学镍的沉积,外观是发黑的铜面;
从化学镍沉积的反应看出,在金属镍沉积的同时,伴随着单质磷的析出,而且PH值升高,镍沉积速度加快的同时,磷析出速度减慢,结果则是镍磷含金的P含量降低,反之,随着PH的降低,镍
磷含金的P含量升高;
化学镍沉积中,磷含量一般在7-11%之间变化,镍P合金的抗蚀性能优于电镀镍,其硬度也比电镀镍高;
在化学沉镍的酸性镀液中,当PH﹤3时,化学镍沉积反应就会停止,而当PH﹥6时,镀液很容易产生沉淀,所以一般情况生产中PH值控制在4.4-5.0之间,由于镍沉积过程产生氢离子﹝每个镍原Ni(OH
子沉积的同时释放4个氢离子﹞,所以生产过程中PH的变化是很快的,必须不断添加碱性药液维持PH值平衡;
通常情况下,氨水和氢氧化钠都可用于生产维持PH值的控制,两者在自动添加方面差别不大,但手动加药时要特别注意,加氨水时,可以观察到蓝色镍氨络离子的出现,随扩散时蓝色消失,说明氨水对化学镍是良好的PH调整剂,在加入氢氧化钠溶液时,槽液立即出现白色氢氧化镍沉淀析出,随着药水扩散,白色粉末在槽液的酸性环境下缓缓溶解,所以当氢氧化钠溶液作为化学镀的PH调整剂时,其配制浓度不能太高,加药时应缓慢加入,否则会产生絮状粉末,当溶解过程未彻低完成前,絮状粉末就会出现镍的沉积,必须将槽液滤干净后,才可重新生产;
2-的副产物,随着生产的进行,亚磷酸盐的浓度越来越高,在化学镍沉积的同时,会产生亚磷酸盐(HPO
于是反应速度受到生成物浓度的增长而抑制,所以镍缸寿命末期与初期的沉积速度相差1/3则为正常现象,但此先天不足可采用调整反应物浓度方式予以弥补。
开缸初期Ni2+浓度控制在4.60g/L,随着MTO
的增加,Ni2+浓度控制值随之提高,直到5.0g/L停止,以维持镍析出速度及磷含量的稳定,以确保镀层品质;
或硫脲,也有两种同时使影响镍缸活性最重要的因素是稳定剂的含量,常用的稳定剂是Pb(CH3COO
用,稳定剂是控制化学沉镍的选择性,适量的稳定剂可以使活化后的铜面发生良好的镍沉积,而基材或绿油部分则不产生化学沉积,当稳定剂含量偏低时,化学沉镍的选择性变差,PCB表面稍有活性的部分都发生镍沉积,于是渗镀问题就发生了,当稳定剂含量偏高时,化学沉积的选择性太强,PCB铜面只有活性好的部位才发生沉积,于是部分Pad位出现漏液的现象;
镀覆PCB的装载量(裸铜面积计算应适中,以0.2-0.5dm2/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,负载太低会导致镍缸活性逐渐降低,造成漏镀问题,在批量生产过程中,负载应尽可能保持一致,避免空缸或负载波动太大的现象,否则,控制镍缸活性的各参数范围就会变得很窄,很容易导致品质问题发生;
镀液连续过滤,以除去溶液中固体杂质,镀液加热时,必须要有空气搅拌和连续循环系统,使被加热的镀液迅速传播。
当槽内壁沉积镍层时,应该及时倒缸,用25%-50%(V/V的硝酸进行退除,适当可考虑加热,但不可能超过50℃
至于镍缸的操作控制,在温度方面,不同系列的沉镍药水其控制范围不同,一般情况下,镍缸操作范围85±
5℃,有的不控制在81±
5℃,在生产中,具体结果应根据试板结果来定,不同型号的板,有可能操作温度不同,通常一个制板的良品操作范围只有±
2℃,个别制板也有可能小于±
1℃,在浓度控制方面,采用对Ni2+的控制来调节其他组分的含量,当Ni2+浓度低设定值时,自动加药器开始添加一定数量的药水来弥补Ni2+的消耗,而其他成分则依据Ni2+的添补量按比例同时添加。
镍层的厚度与镀镍时间呈线性关系,一般情况下,200μ”镍层厚度需镀镍时间28分钟,150μ”镍层厚度需镀时间21分钟左右。
由于不同的制板所需的活性不同,为减轻Ni缸的控制压力(即增大镍缸各参数的控制范围,可以考虑采用不同的活化时间,容易渗镀的制板可另设定活化时间;
镍缸的循环量一般设计在5-10turnover∕h,布袋式应优先选择考虑,摇摆通常都是前后摆动设计,但对于Laser盲孔板,镍金缸均设计为上下振动为佳。
3.2.6沉金缸
置换反应形式的浸金薄层,通常30分钟可达极限厚度,由于镀液Au的含量很低,一般为1-2g/L,溶液的扩散速度影响到大面积Pad位与小面积Pad沉积厚度的差异,一般来说,独立位小Pad位要比大面积Pad位的金厚高100%也属于正常现象。
对于PCB的沉金,其金面厚度也会因内层图形分布而相应影响,其个别Pad位也会出现大的差异。
通常情况下,沉金缸的浸镀时间设定在7-11分钟,操作温度一般在80-90℃,可以根据客户的金厚需求通过调节温度来控制金厚,金缸容积越大越好,不但Au浓度变化小而有利于金面厚度控制,而且可延长换缸周期。
为了节省成本,金缸之后需加装回收水洗,同时也可减轻对环境的污染,回收缸之后,一般都是逆流水洗。
常见缺陷分析:
5.1漏镀
5.1.1主要原因:
体系活性(镍缸及钯缸相对不足,铅锡等铜面污染。
5.1.2问题分析:
漏镀的原因在于镍缸活性不满足该Pad位反应势能,导致沉镍化学反应中途停止,或者根本没有沉积金属镍
漏镀的特点是:
如果一个Pad位漏镀与其相连的所有Pad位都漏镀;
出现漏镀问题,首先须区分是否由于污染板面所致。
若是,将该板进行水平微蚀或采用磨板方式除去污染。
影响体系活性的最主要原因是镍缸稳定剂的浓度,但由于难以操作控制,一般不采用降低稳定剂浓度解决该问题。
影响体系活性的主要原因镍缸温度,升高温度一定有利于漏镀的改善。
如果不考虑对部分环境以及内部稳定性,无限度的升高镍缸温度,应该能解决漏镀问题。
影响体系活性的次要因素是活化浓度,温度和时间。
延长活化的时间或提高活化浓度和温度,一定有利于漏镀的改善。
由于活化的温度和浓度太高会影响钯缸的稳定性,而且会影响其他制板的生产,所以,在这些次要因素中,延长时间是首选改善措施。
镍缸的PH值、次磷酸钠以及镍缸负载都会影响镍缸活性,但其影响程度较小,而且过程缓慢,所以不宜作为解决漏镀的主要方法。
5.2渗镀5.2.1主要原因
体系活性太高,外界污染或前工序残渣;
5.2.2问题分析
渗镀的主要成因在于镍缸活性过高,导致选择性太差,不但使铜面发生化学沉积,同时其他区域(如基材、绿油侧边等也发生化学沉积,造成不该出现沉积的地方沉积化学镍金。
出现渗镀问题,首先须区分是否由外界污染或残渣(如铜、绿油等所致。
若是,将该板进行水平微蚀或其他的方法去除。
升高稳定剂浓度是改善体系活性太高的最直接的方法,但是,用漏镀问题改善一样,因难以操作控制而
不宜采用。
降低镍缸温度是改善渗镀的最有效的方法,理论上无限度的降低温度,可以彻底解决渗镀问题。
降低钯缸温度和浓度,以及减少钯缸处理时间,可以降低体系活性,有效地改善渗镀的问题。
镍缸的PH值,次磷酸钠以及镍缸负载,降低其控制范围有利于渗镀的改善,但因其影响较小而且过程缓慢,不宜作为改善渗镀问题的主要方法。
因操作不当导致钯缸或镍缸产生悬浮颗粒弥漫槽液,则应采取过滤或更新槽液来解决!
5.3甩金
5.3.1主要原因:
镍缸后(沉金前造成镍面钝化,镍缸或金缸杂质太多
5.3.2问题分析:
金层因镍层发生分离,镍层与金层的结合力很差,镍面出现异常的造成甩金,镍面出现钝化是造成甩金的主要原因,沉镍后暴露时间过长和水洗时间过长,都会造成镍面钝化面导致结合力不良,当然,水洗的水质出现异常,也有可能导致镍层钝化
至于镍缸或金缸是否为甩金出现的主要原因,可在实验室烧杯中做对比实验来确定,若是,则更换槽液。
5.4甩镍
5.4.1主要原因:
铜面不洁或活化钯层表面钝化,镍缸中加速剂失衡。
5.4.2问题分析:
镍缸以前制程不良或不能除去铜面杂物(包括绿油残渣,镍层与铜面结合力就会受到影响,从而就导致甩镍。
出现甩镍问题,首先须检查做过程中板面状况,区分铜面杂物还是活化后钯层表面钝化,若是后者,则追踪是否活化后空气中太长还是水洗时间太长。
如果铜面杂物引起甩镍,则检查前处理水平微蚀是否正常,同时须检查前处理之前铜面是否正常,另外,前处理中硫脲药液残留铜面,轻则出现沉镍金色粗糙,重则甩镍。
镍缸中加速剂(如Na2S2O3太多则会导致镍沉积松散,造成镍层剥落,此时多伴镍面哑色出现(失去光
泽,出现这种情况,用拖缸板(镍板消耗掉多余加速剂,即可重新进行生产。
5.5非导通孔上金
5.5.1主要原因:
直接电镀或化学沉铜残留的钯太多,或镍缸活性太高
5.5.2问题分析:
由于直接电镀导体吸附的Pd层很厚,在沉镍金工序之前,必须用催化剂中毒(毒化方法使其失去活性,“盐酸+硫脲”是目前毒化药水的主流,其对于金面粗糙问题都可避免,但毒化效果有不稳定,随不同批号的来板差异较大,所以非导通孔Pd的厚度对毒化效果有很大的影响。
对于化学沉铜类型的制板,由于Pd层较薄,一般通过降低镍缸活性的方法,就可以解决非导通孔上金的问题。
但是,由于镍缸活性的调节是用于控制渗镀和漏镀问题,人们不愿因非导孔上金问题而缩镍缸活性的控制,所以通常也采用毒化的方法来使残留Pd失去活性。
关于镍缸,活性太高也会造成非导通孔上金,因此,不宜采用额外添补加速剂(如Na2S2O3来调节镍缸
活性,如果在正常控制下仍有少量非道通孔上金问题,可采取降低镍缸温度或延长毒化时间来解决。
鉴于以上状况及考虑硫脲对铜面之咬蚀会造成金面粗糙等状况,可采用以下流程来改善毒化效果。
化学铜一次铜D/F二次铜锡铅蚀铜钯毒化
剂剥锡铅化学镍金
如果用硫脲+盐酸,工艺如下:
硫脲:
30g/L盐酸:
(37%5%温度:
40℃时间3分钟
三道逆流水洗
5.6金面粗糙
5.6.1主要原因:
铜面(镀面粗糙,铜面不洁,镍缸药水失衡
5.6.2问题分析:
电镀产生的铜面粗糙,只能在电镀通过调整光剂或电流密度来改善,至于沉金线,水平微蚀也不能明显改变其粗糙程度;
对于铜面不洁则考虑用磨板或水平微蚀的方式加以改善,可以做到解决铜面不洁造成的金面粗糙。
镍缸药水失衡也会导致沉积松散或粗糙,影响沉积粗糙的主要原因是加速剂太高或稳定剂太少,至于改善对策,则可在实验烧杯加入稳定剂,按1m/L,2ml/L,3m/L做对比实验。
这时就会发现镍面逐渐变得光亮,找出适当的比例将稳定剂加入镍缸即可试板和重新生产。
需要注意的是,药水往往是加药过程中出现偏差,中要纠正错误偏差,调整稳定剂并不是一危险操作:
5.7角位平镀﹝启镀不良﹞
5.7.1主要原因:
镍缸循环局部过快
镍缸温度局部过高
镍缸稳定剂浓度过高,加速剂量不够
5.7.2问题分析:
角位平镀是指化学沉镍过程中,出现Pad的角位不沉积镍的现象,它通常具有方向性的特征,例如圆型Pad则出现同一方向的月芽形不上镍,方型Pad则出现一边完好,对边严重不上镍,两个侧边逐渐变差。
对于镍缸循环局部过快,往往是镍缸药液循环设计不合理或出水管变形造成,它特点是镍缸某个角落固定出现该问题,当然,不合理的打气冲击板面出会导致该问题的出现。
对于镍缸温度局部过热,往往出现在副溢流的镍缸设计,当水位不足的时候,副缸温度往往比主缸高出5℃以上,溢流的热水流量在偏小的同时,往往只扩散在主缸的顶层,造成生产板顶部出现角位平镀的现象。
对于镍缸稳定剂浓度过高,只要不是来料(供应药水出现太大的质量问题,通过补加适量的加速剂或拖缸,均能解决该问题的出现。
5.8金面颜色不良
5.8.1原因:
金缸稳定剂(络合剂太多,金层厚度严重不足,金缸使用寿命太长或水洗不净。
5.8.2问题分析
金面颜色不良主要有两种形式,一种是由于金缸稳定剂(络合剂太多或金层厚度严重不足而形式的金面颜色发白,另一种是由于金缸使用寿命太长或水洗不净造成金面氧化。
当金缸稳定剂补充过多时,往往会出现金面发白而金厚正常的现象,此状况多发生在新开缸初期。
遇到这种情况,只要不拘于化验分析的控制范围,几次补药,颜色就会逐渐转为金黄色。
当然,将金缸温度升高,也会一定程度的改善金面颜色。
方法一:
钻二次孔成本较高,并且容易造成刮伤。
方法二:
钯抑制剂使孔内钯毒化,采用喷淋,连续生产成本低,同时可使线路边上因残留蚀铜柱角而产生的“渗镀”得到改善。
4.建议
厂商专密配方的钯抑制剂比普通硫脲效果好,同时比二次钻孔成本低,并可使渗镀不易发生,不易造成刮伤,建议使用钯抑制剂。
化学镍金前处理﹑后处理流程
一﹑前处理流程
功能﹕经过前处理﹐使镀铜表面保持清洁﹐去除铜面氧化以及残膜等杂物﹐保持铜面平整以减少或避免化学镍金后之不良板的产生。
流程﹕放板→喷淋酸性脱脂→高压喷淋水洗→喷淋微蚀→高压喷淋水洗→磨刷(上下各两组→高压喷淋纯水洗→超音波纯水洗→吹干→烘干→空调冷却→收板
备注﹕1.磨轮﹕材质为硬尼龙前上下800-1000#
后上下1000-1200#
2.左右摆动频率﹕120来回/min以上
3.摆幅±
0.5〞/来回
二﹑后处理流程
功能﹕防止化学镍金后由于水洗不净而导致金面氧化。
流程﹕放板→喷淋活化酸洗→高压喷淋纯水洗→喷淋抗氧化→喷淋高厌纯水洗→超音波纯水洗→吹干→烘干→空调冷却→收板
化学镍/金(ElectrolessNickel&
Immersiongold制程及控制要点
一.特色
1.在绿漆之后施行选择性镀镍/金,采挂篮式作业,无须通电.
2.单一表面处理即可满足多种组装须求.集可焊接、可接触导通、可打线、
可散热等功能于一身.
3.板面平整、SMD焊垫平坦,适合于密距窄垫的钖膏熔焊.
二.作用及反应
1.酸性清洁剂TNA-10
主成份(1硫酸
(2润湿剂(非离子界面活性剂
作用(1去除铜面轻微氧化物及污物.
(2降低液体表面张力,将吸附于铜面之空气排开,使药液在其表面扩张,达润湿效果.反应式
CuO+2H+→Cu2++H
2Cu+4H++O
2→2Cu2++2H
2.微蚀
主要成份(1过硫酸钠
(2硫酸
作用(1去除铜面氧化物.
(2铜面微粗化,使与化学镍镀层有良好的密着性.反应式
+H
O→Na
SO
5
O→H
2O
+Cu→CuO+H
CuO+H
→CuSO
3.酸洗
作用(1去除微蚀后的铜面氧化物.
反应式
4.活化(TNA-41R或TNA-42
主成份(1氯化钯、氯化氨(TNA-41
(2硫酸钯、硫酸(TNA-42
作用(1在铜面置换上一层钯,以作为化学镍反应之触媒.
Cu→Cu2++2e-
Pd2++2e-→Pd
5.化学镍(TNA-51
主成份(1硫酸镍
(2次磷酸二氢钠
(3错合剂
(4pH调整剂(氢氧化钠
(5安定剂
作用(1提供镍离子.
(2使镍离子还原为金属镍.
(3与镍形成错离子,防止氢氧化镍及亚磷酸镍沉淀,增加浴安定性,pH缓冲.
(4维持适当pH.
(5防止镍在胶体粒子或其它微粒子上还原.
触媒
热
3NaH2PO2+3H2O+3NiSO4→3Na2HPO3+3H2SO4+2H2+3Ni°
2H2PO2-+Ni+++2H2O→2HPO32-+H2↑+2H++Ni°
Ni+++H2PO2-+H2O→Ni°
+HPO32-+3H+
H2PO2-+H2O→H++HPO32-+2Hads
Ni+++2Hads-→Ni°
+2H+
2Hads-→H2↑
H2PO2-+H2O→2H2PO3-+H2↑
H2PO2-+Hads-→H2O+OH-+P
3H2PO2-→H2PO32-+H2O+2OH-+2P
H
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