印制电路板用化学镀镍金工艺探讨(一)

haidaowang

[摘要]  本文在简单介绍印制板化学镀镍金工艺原理的基础上，对化学镍金之工艺流程、化学镍金之工艺控制、化学镍金之可焊性控制及工序常见问题分析进行了较为详细的论述。
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* F4 f% N$ B' A% i$ N[关键词]  印制电路板，化学镍金，工艺7 s* c% H0 ^7 M; |% R* |" d8 g
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1        前言6 C: I3 u. m( a# m4 f7 T- Q; c2 ]8 V4 [
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- \1 {8 D2 F( X8 E* k9 W! Z1 r1 x在一个印制电路板的制造工艺流程中，产品最终之表面可焊性处理，对最终产品的装配和使用起着至关重要的作用。
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! x* T* L! L3 m9 l! t综观当今国内外，针对印制电路板最终表面可焊性涂覆表面处理的方式，主要包括以下几种：Electroless Nickel and Immersion Gold
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（1）       热风整平；
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# e' i# B& J, m# ~7 R5 u$ E（2）       有机可焊性保护剂；( {+ |. v: d) o3 h! R
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( R! d4 d( V3 O2 L- Y& E（3）       化学沉镍浸金；
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* ]+ K: l3 T* i/ O! a/ E（4）       化学镀银；
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（5）       化学浸锡；
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（6）       锡 / 铅再流化处理；$ }, E! m% E5 ?+ B
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' W( E2 k8 m. a5 D（7）       电镀镍金；
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（8）       化学沉钯。. K6 a: N" Q+ ]7 `6 R* E8 u
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其中，热风整平是自阻焊膜于裸铜板上进行制作之制造工艺（SMOBC）采用以来，迄今为止使用最为广泛的成品印制电路板最终表面可焊性涂覆处理方式。
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对一个装配者来说，也许最重要的是容易进行元器件的集成。任何新印制电路板表面可焊性处理方式应当能担当N次插拔之重任。除了集成容易之外，装配者对待处理印制电路板的表面平坦性也非常敏感。与热风整平制程所加工焊垫之较恶劣平坦度有关的漏印数量，是改变此种表面可焊性涂覆处理方式的原因之一。, V, A. p1 D' O3 d  Z

镀镍/金早在70年代就应用在印制板上。电镀镍/金特别是闪镀金、镀厚金、插头镀耐磨的Au-Co 、Au-Ni等合金至今仍一直在带按键通讯设备、压焊的印制板上应用着。但它需要“工艺导线”达到互连，受高密度印制板SMT安装限制。90年代，由于化学镀镍/金技术的突破，加上印制板要求导线微细化、小孔径化等，而化学镀镍/金，它具有镀层平坦、接触电阻低、可焊性好，且有一定耐磨等优点，特别适合打线（Wire Bonding）工艺的印制板，成为不可缺少的镀层。但化学镀镍/金有工序多、返工困难、生产效率低、成本高、废液难处理等缺点。) w3 f- }, U3 m# m! n, n$ M

铜面有机防氧化膜处理技术，是采用一种铜面有机保焊剂在印制板表面形成之涂层与表面金属铜产生络合反应，形成有机物-金属键，使铜面生成耐热、可焊、抗氧化之保护层。目前，其在印制板表面涂层也占有一席之地，但此保护膜薄易划伤，又不导电，且存在下道测试检验困难等缺点。

- p2 s, E# y1 ]) L目前，随着环境保护意识的增强，印制板也朝着三无产品（无铅、无溴、无氯）的方向迈进，今后采用化学浸锡表面涂覆技术的厂家会越来越多，因其具有优良的多重焊接性、很高的表面平整度、较低的热应力、简易的制程、较好的操作安全性和较低的维护费。但其所形成之锡表面的耐低温性（-55℃）尚待进一步证实。
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随着SMT技术之迅速发展，对印制板表面平整度的要求会越来越高，化学镀镍/金、铜面有机防氧化膜处理技术、化学浸锡技术的采用，今后所占比例将逐年提高。本文将着重介绍化学镀镍金技术。+ L, w' Z0 n0 R8 W8 T% f
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2        化学镀镍金工艺原理& H* {8 |5 d4 P8 S( ~; S
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化学镀镍金最早应用于五金电镀的表面处理，后来以次磷酸钠（NaH2PO2）为还原剂的酸性镀液，逐渐运用于印制板业界。我国港台地区起步较早，而大陆则较晚，于1996年前后才开始化学镀镍金的批量生产。
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2.1   化学镀镍金之催化原理
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作为化学镍的沉积，必须在催化状态下，才能发生选择性沉积。铜原子由于不具备化学镍沉积的催化晶种的特性，所以需通过置换反应，使铜面沉积所需要的催化晶种。
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& v, o1 z; X6 T) G/ m( g: t# U    （1）钯活化剂+ u, |" A1 D& Z4 N) d
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0 W; f  _! ^( r5 v) R/ }1 ~6 w, D8 fPd2+ + Cu → Pd + Cu2+' l2 m. k" j; ]+ M* M

+ c; z7 R% N5 N" W7 @, S1 \3 C3 y5 N    （2）钌活化剂' K9 C+ A1 v. G( F( K9 ^6 a$ G
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( T+ n4 V5 n. J1 ]2 e/ CRu2+ + Cu → Ru + Cu2+
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2.2 化学镀镍原理. T5 s" F+ S) {( c( ?/ `

' }' n$ s. W. Y5 E2 x# M- M$ A化学镀镍是借助次磷酸钠（NaH2PO2）在高温下（85~100℃），使Ni2+ 在催化表面还原为金属，这种新生的Ni 成了继续推动反应进行的催化剂，只要溶液中的各种因素得到控制和补充，便可得到任意厚度的镍镀层。完成反应不需外加电源。
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' h( C! t0 K0 D9 ^+ ~3 V以次磷酸钠为还原剂的酸性化学镀镍的反应比较复杂，以下列四个反应加以说明：% t  \* {) z2 O, L7 T4 f9 X
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H2PO2—  + H2O → H +  + HPO32— + 2 H                                ' F6 n8 |# D- p: |6 Y9 U2 k
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Ni2+   + 2 H → Ni + 2 H +) S- F2 l* C6 H0 Q

H2PO2—  + H → H2O + OH—  + P
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+ Y& B9 C+ }2 I) X, |H2PO2—  + H2O → H +  + HPO32— + H2
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3 `- H3 W. Z- g- m! b! n" X9 u$ s由上可见，在催化条件下，化学反应产生镍沉积的同时，不但伴随着磷（P）的析出，而且产生氢气（H2）的逸出。
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$ H. N1 w3 y6 z! a2 ?另外，化学镀镍层的厚度一般控制在4~5μm，其作用同金手指电镀镍一样，不但对铜面进行有效保护，防止铜的迁移，而且具备一定的硬度和耐磨性能，同时拥有良好的平整度。     
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在镀件浸金保护后，不但可以取代拔插不频繁的金手指用途（如电脑内存条），同时还可以避免金手指附近连接导电线处斜边时所遗留之裸铜切口。# c; j" U: h1 C; j$ p

* o- g' o& ~- T8 o. B, T$ q- g9 x  O6 s2.3 浸金原理, s- r- @3 u6 P' S: q0 v. m# W' A
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# V8 e  u9 r; E9 D7 O; ?镍面上浸金是一种置换反应。当镍浸入含Au（CN）2—的溶液中，立即受到溶液的浸蚀抛出2个电子，并立即被Au（CN）2—所捕获而迅速在镍上析出Au：
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9 O6 ~/ q% d% j( h3 I2 Au（CN）2—  +  Ni  → 2 Au + Ni2+  + 4 CN —
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$ F4 h8 `5 O2 \* x! e浸金层的厚度一般在0.03~0.1μm之间，但最多不超过0.15μm。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。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。
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另外需指出，化学镀镍/金镀层的焊接性能是由镍层来体现的，金只是为了保护镍的可焊性能而提供的。作为可焊镀层金的厚度不能太高，否则会产生脆性和焊点不牢的故障，但金层太薄防护性能变坏。
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