電鍍鎳金板生產(chǎn)中金面變色改善分析

仰孝海

（廣州市太和電路板有限公司，廣東 廣州 510540）

1 前言

PCB表面電鍍鎳金主要在銅面上有了電鍍鎳、電鍍金組合，使鍍層具備了特性功能：（1）鎳作為銅面與金面之間的阻礙層防止銅離子遷移，同時(shí)作為蝕刻銅面保護(hù)層，免受蝕刻液攻擊有效的銅面；（2）鎳金鍍層具有優(yōu)越的耐磨能力，也同時(shí)具備較低的接觸電阻；（3）鎳金層表面也具有良好的可焊性能。

通過(guò)了解金的物理及化學(xué)性質(zhì)，分析金面發(fā)生變色是由3種情況引起：（1）鎳層的空隙率過(guò)大，銅離子遷移造成；（2）鎳面鈍化；（3）金面上附著的異物產(chǎn)生了離子污染。我們實(shí)驗(yàn)將從電鍍鎳、鍍金、養(yǎng)板槽、蝕刻管控、水質(zhì)要求等五個(gè)方面逐一加以分析，改善這一品質(zhì)問(wèn)題。

2 電鍍鎳金流程

自動(dòng)電鎳金線流程中間是沒(méi)有上/下板動(dòng)作，手動(dòng)操作掛具容易破膠，破膠后的掛具容易藏藥水，不更換專用的掛具容易污染鍍金缸。

圖1 手動(dòng)電鍍鎳金流程圖

3 金面變色處理過(guò)程及實(shí)驗(yàn)部分

3.1 電鍍鎳（氨基磺酸鎳體系）

3.1.1 藥水使用參數(shù)（表1、表2）

表1 鎳槽組分控制參數(shù)

表2 鎳槽技術(shù)要求

3.1.2 鍍鎳的電流密度

鍍鎳的電流密度過(guò)大會(huì)直接導(dǎo)致陰極待鍍面析出的鎳呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)、鎳晶格孔隙過(guò)大，外觀上表現(xiàn)為鍍鎳粗糙?？紫哆^(guò)大鎳下面的銅就會(huì)很容易遇酸、水、空氣氧化后向外擴(kuò)散，銅離子穿過(guò)鎳孔隙到達(dá)鍍金層后則會(huì)直接導(dǎo)致金面顏色異常或金面變色，鎳層作為銅與金面之間的阻隔層失效。

為了選擇合適的電流密度，我們做過(guò)電流密度、鍍板時(shí)間、鍍鎳厚度、鎳面孔隙率相關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)說(shuō)明最佳電流密度為2.5 A/dm2～ 2.7 A/dm2，此電流密度下的孔隙率小于 0.5個(gè)/cm2，而且電鍍效率也較高。若采用2.0 A/dm2～ 2.2 A/dm2的電流密度鍍板時(shí)間長(zhǎng)可能會(huì)影響生產(chǎn)效率。

通過(guò)鍍鎳時(shí)電流密度的管控，得到一個(gè)均勻細(xì)致的鍍層，在銅面與金面之間能起到良好的”阻隔”作用，能有效防止銅離子擴(kuò)散遷移。

3.1.3 鎳缸的電解處理電流密度

鎳缸由于做板會(huì)帶進(jìn)雜質(zhì)，補(bǔ)充液位時(shí)水/輔料中也含有少量的雜質(zhì)，不斷的累積就需要用電解方法將雜質(zhì)去除，電解時(shí)建議采用電流密度（0.2～0.3）A/dm2為宜。若電解電流超過(guò)0.5 A/dm2會(huì)導(dǎo)致上鎳過(guò)快，那么電解去除雜質(zhì)的效果也會(huì)變差，同時(shí)也浪費(fèi)了鎳。所以鎳缸的去除雜質(zhì)先采?。?.2～0.3）A/dm2電流密度進(jìn)行電解（2～3）H，后期采取0.5 A/dm2電解（0.5～1）H即可，所取得的電解效果就非常好。

3.1.4 鍍鎳后

鍍鎳后經(jīng)過(guò)水洗缸浸洗，將鍍好鎳板拆下放入養(yǎng)板槽水中，養(yǎng)板槽中需要添加1 g/l ～ 3 g/l的檸檬酸，弱酸環(huán)境有助于保持鎳面活性。鍍鎳后建議在0.5 h ～1 h內(nèi)完成鍍金工藝，不可以在養(yǎng)板槽防置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

根據(jù)要求，全國(guó)居民健康素養(yǎng)水平，2020年達(dá)到20%，2030年達(dá)到30%。目前，全國(guó)居民健康素養(yǎng)水平是14.18%。

3.2 鍍金

3.2.1 金缸的過(guò)濾

金缸的過(guò)濾建議用1 mm規(guī)格的濾芯連續(xù)過(guò)濾，正常生產(chǎn)時(shí)要每周更換一次濾芯。過(guò)濾效果差的金缸藥水顏色相當(dāng)于紅茶顏色，雜質(zhì)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致鍍金后線邊發(fā)紅等問(wèn)題。

表3 鎳面孔隙率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（孔隙率標(biāo)準(zhǔn)和方法參考了《印制電路板技術(shù)》P270）

表4 改善前金厚測(cè)量數(shù)據(jù)（兩面金厚相差38.81%差異是很大）

3.2.2 鍍金的均勻性

鍍金均勻性不良主要發(fā)生在手動(dòng)鍍金過(guò)程，手動(dòng)鍍金操作時(shí)使用的單夾具因鼓氣攪動(dòng)板偏離了中心位置，正反兩個(gè)受鍍面與陽(yáng)極的距離不對(duì)等而導(dǎo)致鍍金厚度不均勻。經(jīng)測(cè)量靠近陽(yáng)極的板面鍍金層偏厚，而偏離陽(yáng)極位置的板面金偏薄，在鍍金薄地方容易引起變色。

改善方案：在鍍金的陰極鈦扁下面安裝兩塊PP材料的網(wǎng)格，間距約12 cm ～ 15 cm，板在網(wǎng)格內(nèi)擺動(dòng)就受限制，鍍板兩面距離陽(yáng)極鈦網(wǎng)的距離相差不大，所以鍍金就會(huì)厚度均勻。改善鍍金均勻性的效果非常理想。

3.2.3 鍍金時(shí)要使用專用的夾具

手動(dòng)電鎳金使用的都是使用包膠夾具，包膠的夾具使用久就會(huì)存在包膠部分破損，破損的部位因清洗不足而藏有藥水。為防止夾具中藏有雜質(zhì)，故鍍金時(shí)必須使用專用的夾具，也就是在手動(dòng)鍍金流程中存在上下板的更換夾具操作流程，拆下來(lái)的板立即放入養(yǎng)板槽中，從保護(hù)金缸的出發(fā)這是非常重要的舉措。

3.3 鍍鎳/鍍金后的養(yǎng)板槽

3.3.1 養(yǎng)板槽水質(zhì)要求

不管是鍍鎳后養(yǎng)板槽還是鍍金后的養(yǎng)板槽水質(zhì)要求較高，都需要用10 ms以內(nèi)電導(dǎo)率低的DI水。鍍鎳后放板的養(yǎng)板槽水中需要添加1 g/L ～ 3 g/L的檸檬酸，保持鍍鎳后的鎳面活性。

鍍金后的養(yǎng)板槽水中需要添加1 g/L ～ 3 g/L的碳酸鈉，若添加過(guò)多的碳酸鈉會(huì)加劇干膜溶出，水質(zhì)污濁對(duì)板面不利。

3.3.2 養(yǎng)板槽水溫控制

養(yǎng)板槽一定要安裝冷卻水，水溫控制在18 ℃ ～25 ℃即可，水溫過(guò)高時(shí)較容易出現(xiàn)鎳面鈍化。在養(yǎng)板槽安裝冷卻水，經(jīng)過(guò)改善后我們發(fā)現(xiàn)鎳面鈍化問(wèn)題立即得到大幅度的改善，鎳面鈍化出現(xiàn)金面變色問(wèn)題基本上沒(méi)再發(fā)現(xiàn)（表5）。

表5 改善后金厚測(cè)量數(shù)據(jù)（改善后鍍金兩面差異得到明顯改善）

3.3.3 養(yǎng)板槽水更換頻率

鍍鎳、鍍金的養(yǎng)板槽建議每班更換一次水，提前換水并開(kāi)啟冷卻系統(tǒng)為下一班生產(chǎn)做準(zhǔn)備。養(yǎng)板槽水之所以要勤更換，主要是鍍鎳后板面的藥水不易清洗干凈，板面還是有少量的殘留液帶進(jìn)養(yǎng)板槽水中，每班更換一次非常有必要的。加強(qiáng)鍍鎳后養(yǎng)板槽的管理目的就是避免鎳面鈍化/氧化，同時(shí)添加檸檬酸保持鎳面活性的過(guò)程。

3.4 蝕刻

為驗(yàn)證蝕刻滯留時(shí)間對(duì)電鍍鎳金板變色的影響，為此做過(guò)針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分兩次進(jìn)行，采取相同的型號(hào)規(guī)格，在不同時(shí)間內(nèi)完成蝕刻，后通過(guò)檢查金面變色數(shù)量，兩次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果如表6、表7。

表6 鍍金后30分鐘內(nèi)完成蝕刻變色數(shù)據(jù)

表7 鍍金后1小時(shí)40分鐘完成蝕刻變色數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)說(shuō)明鍍金后若蝕刻不及時(shí)滯留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)引起金面變色。鍍金后一般要做到在30分鐘內(nèi)蝕刻，放置過(guò)久容易出現(xiàn)金面雜質(zhì)污染越容易變色，特別是焊盤稍大些的板更要加強(qiáng)鍍金后蝕刻時(shí)間的管控，鍍金后立即蝕刻出來(lái)。

3.5 水質(zhì)要求

（1）鍍金板在鍍銅以后的水洗都要用DI水質(zhì)，電導(dǎo)率最好控制在60 ms以下。

（2）蝕刻后風(fēng)干前水洗也一定要用到DI水。蝕刻的酸洗缸做到每班更換酸洗一次，酸洗缸的銅離子影響金面變色。

（3）蝕刻烘干前的吸水海綿在生產(chǎn)過(guò)程中，上面也會(huì)不間斷地堆積過(guò)多的雜質(zhì)會(huì)污染板面，生產(chǎn)中要定期用DI水清洗，并每隔1～2個(gè)月更換一次吸水海綿。

鍍金后及時(shí)蝕刻以及提高水質(zhì)質(zhì)量可減少板面異物離子污染幾率，對(duì)改善變色行之有效。

4 總結(jié)

金面變色可能原因分析：（1）鎳層的空隙率過(guò)大，銅離子遷移造成；（2）鎳面鈍化；（3）金面上附著的異物發(fā)生了離子污染。

從以下五個(gè)方面采取措施，最終取得良好的效果，改善了變色這一品質(zhì)缺陷。

表8 電鍍鎳金至蝕刻流程段建議用水等級(jí)。

（1）鍍鎳缸管控措施：鍍鎳的電流密度要合適，電解鎳缸去雜質(zhì)處理要低電流密度，同時(shí)鍍完鎳后要在0.5 h ～ 1 h內(nèi)完成鍍金工藝。

（2）鍍金缸管控措施：過(guò)濾建議用1 mm規(guī)格的濾芯，要監(jiān)測(cè)下鍍金均勻性；使用專用的鍍金夾具。

（3）養(yǎng)板槽管控措施：水質(zhì)電導(dǎo)率要在10 ms，每班換水，同時(shí)養(yǎng)板槽要保持水溫在18 ℃ ～ 25 ℃。

（4）蝕刻時(shí)間管控： 建議鍍金后半小時(shí)內(nèi)完成蝕刻。

（5）水質(zhì)要求為：養(yǎng)板槽的水要勤換水、低電導(dǎo)率，特殊流程段也需要用到DI水質(zhì)。

[1]臺(tái)灣電路板產(chǎn)業(yè)學(xué)院. 電路板濕制程全書[M].

[2]電鍍鎳金制程[M]. P167.

[3]無(wú)鉛焊接表面處理[M]. P439.