PCB沉金工艺介绍

1沉镍金培训教材撰写：henry日期：2012年6月2第一部分沉镍金基本概念3一、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。4二、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。5也叫无电镍金或沉镍浸金（ElectrolessNickelImmersionGold），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。三、什么是沉镍金？6•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。AUNiCU四、沉镍金工艺的目的7五、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0.05-0.1μm，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。8第二部分沉镍金原理及工艺介绍9一、基本工艺流程整孔除油水洗微蚀水洗活化水洗沉镍水洗沉金水洗烘干10二、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112、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。特性要求：A：一般为酸性除油剂B：不损伤soldermaskC：低泡型，容易水洗12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13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。14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。3、微蚀缸15操作条件（NPS系列）：Na2S2O8：100±20g/lH2SO4：20±10g/lCu2+：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16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。17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。184、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：室温时间：1±0.5min搅拌：摆动及药液循环搅拌槽材质：PVC或PP195、活化作用：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++CuPd+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。20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21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。22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。23•作用：在钯的活化作用下，Ni2+在NaH2PO2的还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-+2H2ONi+2HPO32-+4H++H2•副反应：4H2PO2-2HPO32-+2P+2H2O+H26、沉镍241.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-+H2OHPO32-+H++2H2.镍离子在活化钯面上迅速还原镀出镍金属。Ni2++2HNi+2H+反应机理：253.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-+HOH-+P+H2O4.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-+H2OHPO32-+H++H226化学镍药水的分类：按操作温度分可将镀液分成高温镀液（85-950C）、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。27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。按pH值分又可将其分为酸性镀液和碱性镀液；28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29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，30一般均使用NaH2PO2，其控制浓度一般为20-40g/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。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。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。31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、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。32镍沉积速度影响因素A温度BPH值C缸老化度（正常生产时老化度以MTO来衡量）D主盐（NiSO4）浓度E还原剂（NaH2PO2)浓度F溶液的过滤与搅拌•注：MTO即MetalTurnOver，缸内金属离子的加入量33浴温变化试验结果051015202575808590浴温（℃）析出速度（μm/hr）34PH变化试验结果10152025304.44.54.64.74.85PH析出速度（μm/hr）35老化度与析出速度试验结果05101520250123456溶液老化度（MTO）析出速度（μm/hr）36析出速度与镍浓度关系192021222324254.85.25.96.46.7镍浓度（g/L）析出速度（μm/hr）37还原剂浓度与析出速度关系05101520251822263034还原剂浓度（g/L）析出速度（μm/hr）38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;39•D、硬度高，显微硬度约为500~600HV，400OC处理后则大于1000HV；•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890OC40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;41•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。42•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。43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.44B、时间镍层厚度与镀镍时间呈线形关系。一般情况下，200μin镍层需镀镍时间28min左右，而150μin镍层则需镀镍时间21min左右。通常情况，不采用调节药水浓度或升高温度来弥补因时间不足而引起的镍厚不足，一定要根据客户镍层要求来设置适当的镀镍时间。否则，可能引起活性不稳定，会造成许多不良后果。45C、浓度：不同供应商之不同系列药水，其浓度控制范围各不相同。由于化学镀镍的本身特点，其动态平衡的控制难度远远大于化学镀铜，其控制范围很窄则可说明这一点。因此，尽可能使用自动补料器来控制药水浓度，手动补料是很难保证每一个制板的良品率。46•D、循环过滤循环量：5~~10turnoverperhour（每小时循环抽液量所占开缸体积的倍数）。过滤：优先考虑布袋式过滤，棉芯过滤需监控流量（发现堵塞及时更换）。E、摇摆：根据做板类型的需要决定采用上下摇摆或前后摇摆方式47•F、自动化加药：镍缸自动加药是通过感应槽液中Ni2+的透光率的原理，根据吸光度的变化来衡量Ni2+浓度的高低。当Ni2+浓度降低时，特征光谱吸收峰降低，从而透光率的增高使光敏电阻的阻值发生变化，由此而测出变化后的Ni2+浓度。当Ni2+浓度显示值低于设定值时，自动加药器开始加药，直到Ni2+浓度显示值达到设定值时，自动加药泵停止加药。其他组份则根据加药比例事前调节好流量，加药时间与Ni2+加药泵同步进行。48•G、缸体材质：由于镍缸操作温度在80-900C，所以缸体不但须耐高温，而且须不易渗漏。如果仅生产单双