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化学镍金讲座1．概述化学镍金又叫沉镍金，业界常称为无电镍金（ElestrolssNickelImnersionGold）又称为沉镍浸金。PCB化学镍金是指在裸铜表面上化学镀镍，然后化学浸金的一种可焊性表面涂覆工艺，它既有良好的接触导通性，具有良好的装配焊接性能，同时它还可以同其他表面涂覆工艺配合使用，随着日新日异的电子业的发展，化学镍金工艺所显现的作用越来越重要。2．化学镍金工艺原理2.1化学镍金催化原理2.1.1催化作为化学镍金的沉积，必须在催化状态下，才能发生选择性沉积，VⅢ族元素以及Au等多金属都可以为化学镍金的催化晶体，铜原子由于不具备化学镍金沉积的催化晶种的特性，所以通过置换反应可使铜面沉积所需要的催化晶种；PCB业界大都使用PdSO4或PdCl2作为化学镍前的活化剂，在活化制程中，化学镍反应如下：Pd2++CuCu2++Pd2.2化学镍原理2.2.1在Pd（或其他催化晶体）的催化作用下，Ni2+被NaH2PO2还原沉积在将铜表面，当Ni沉积覆盖Pd催化晶体时，自催化反应继续进行，直到所需的Ni层厚度2.2.2化学反应在催化条件下，化学反应产生的Ni沉积的同时，不但随着氢析出，而且产生H2的溢出主反应：Ni2++2H2PO2-+2H2ONi+2HPO32-+4H++H2副反应：4H2PO2-2HPO32-+2P+2H2O+H22.2.3反应机理H2PO2-+H2OH++HPO32-+2HNi2++2HNi+2H2H2PO2-+HH2O+OH-+PH2PO2-+H2OH++HPO32-+H22.2.4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）2-+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Ni20-30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：Na2S2O8：60-120g/LCP.H2SO4:20-50ml/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，NaH2PO2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Ni(OH)2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；在化学镍沉积的同时，会产生亚磷酸盐（HPO32-）的副产物，随着生产的进行，亚磷酸盐的浓度越来越高，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；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）2或硫脲，也有两种同时使用，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