陈冠刚;林周秦;刘镇权;吴培常
【摘 要】文章从实验和理论两方面详细阐述了影响镍镀层的因素和改善措施,包括添加剂和pH、温度等,意在提供一个全方位的优化平台.
【期刊名称】《印制电路信息》
【年(卷),期】2018(026)011
【总页数】5页(P47-51)
【关键词】电镀镍工艺;极化;自相适调制系统
【作 者】陈冠刚;林周秦;刘镇权;吴培常
【作者单位】无电沉镍广东成德电子科技股份有限公司,广东 佛山 528350;广东成德电子科技股份有限公司,广东 佛山 528350;广东成德电子科技股份有限公司,广东 佛山 528350;广东成德电子科技股份有限公司,广东 佛山 528350
【正文语种】中 文
【中图分类】TN41
0 前言
在PCB上电镀一层镍，用来作为贵金属的衬底镀层或面层。良好的镍镀层应具有均匀细致光滑、空隙率低、延展性好、内应力小、及与铜基体有良好的结合力等外，还要有很好的分散能力和深镀能力以及对杂质的容忍性强等特点，同时镀液自身还要求稳定、便于维护等。能同时满足上述这些要求的镀液一般为低氯化物的硫酸盐和氨基磺酸盐体系，而我公司选用了后者“氨基磺酸盐体系”，原因它具有内应力低、显微硬度低、镀层孔隙率低等优点（见图1），不足的是成本有点稍高，但这并不影响到它的推广使用（见图1）。 1 电镀镍机理
1.1 阴极
镀液中的镍离子获得电子沉积出镍原子，同时还伴随着少量的氢气析出，其反应机理如下：
图1 氨基磺酸盐型和硫酸盐型镀镍层性能对照
由于氢的过电位以及镀液中镍离子浓度、温度、pH值等操作条件的影响，当pH值控制在3.80～4.25之间时，阴极析出的氢极少，这时镀液的理论电流效率可以达98%以上，但在PH值很低时会有大量的氢气析出，此时阴极上无镍沉积。 普通镀镍使用可溶性镍阳极，阳极主反应表现为金属镍的电化学溶解，其反应机理为：
但当阳极电流密度过高而电镀液中又缺乏阳极活性剂时，阳极将发生钝化并伴随氧气析出，其化学反应式为：
而当镀液中有氯离子存在时，也会发生析出反应，即：
结果阳极上金属镍电化学溶解使镍离子不断进入溶液中，从而提供了阴极电沉积所需的镍离子，以维持镀液里的镍离子相对稳定。但当阴极面积不够大或镀液中活化剂不够时，将导致阳极钝化而析出氢，生成棕的钝化膜Ni2O3，其反应式如下：
此时由于阳极钝化，就使得电流密度降低、槽电压升高、电耗增加，当使用高速镀镍工艺时，阳极就得采用非溶解性材料，如钛蓝等。
2 影响镍镀层质量的因素
2.1 主盐氨基磺酸镍Ni（NH2SO3）2
提高主盐氨基磺酸镍浓度可以提高镀层的沉积速度，但当主盐浓度提得太高时，镀液分散能力反而降低而影响到镀层的质量；而当主盐浓度降得太低时，沉积速度也随之下降，严重时会导致高电流区镀层烧焦，有鉴于此，我司把氨基磺酸镍Ni（NH2SO3）2浓度的管控范围定在100～150 g/l之间。
2.2 阳极活化剂NiCl2·6H2O
阳极活性剂中的Cl-不仅能够活化阳极，还能增加镀液的导电性，保证阳极正常溶解和防止阳极钝化之功效，同时它还能提高镀液分散能力，使镀层结晶细致起来，但过高的Cl-易使阳极过腐蚀和产生大量的阳极泥，并造成镀层毛刺的同时还会增大了镀层的内应力，这点可以从下面的一组实验数据中看出。
本实验预先将氨基磺酸盐型镍镀液中的氨基磺酸镍浓度调整至135g/L，Cl-浓度调整从0.00 mol/L至2.75 mol/L，每隔0.25 mol/L一档,调整到pH4，温度54 ℃，电流密度2.15 A/dm2。待上述这些参数调整好后，再把经除油→微蚀→酸浸→镀铜→活化过的板子依次放入上述配制好的溶液中处理15分钟后取出晾干，测得镍镀层应力如图2。
图2 镍镀层应力与氯离子浓度的关系
从图2可以看出，在其他条件一定时的镍镀层应力大体上是随着氯离子浓度升高而增大的。当氯离子浓度在1.00 mol/L～2.00 mol/L时，镍镀层应力与氯离子浓度升高而迅速上升到0.002 N/dm2；而当氯离子浓度超过2.00 mol/L时，镍镀层应力上升的势头变得缓慢起来了。氯离子浓度都应控制在1.00 mol/L～1.50 mol/L之间较为妥当。
2.3 缓冲剂硼酸
硼酸不仅起着缓冲作用，而且它还能提高阴极极化，改善镀液性能，使在较高的电流密度下镀层不易烧焦，同时它的加入还能改善镀层的机械性能。在氨基磺酸型镀液中硼酸用量一般为30～45 g/L，若镀液中硼酸浓度低于20 g/L ，缓冲作用不甚明显，只有当其浓度≥31
g/L时，才有显著缓冲作用；而浓度太高时，易在钛篮袋结晶析出，影响Ni的电化学沉积的同时还降低阴极电流效率。硼酸含量与pH值之间有下列关系：
式中 为硼酸的摩尔浓度， 为硼酸的电离常数，其大小随温度的升高而呈指数递增。
2.4 pH值与应力
本实验预先将氨基磺酸盐型镍镀液中的氨基磺酸镍浓度调整至135 g/L，Cl-浓度调整至0.75 mol/L,pH值调整从0.00至5.75，每隔0.25一档,调整温度至54 ℃，电流密度2.15 A/dm2。待上述这些参数调整好后，再把经除油→微蚀→酸浸→镀铜→活化过的板子依次放入上述配制好的溶液中处理15分钟后取出晾干，测得镍镀层应力如图3。
图3 镍镀层应力与镀镍溶液pH值的关系
从图3可以看出，镍镀层应力随着镀液pH值升高而经历了一个从高到低再到高的过程，为此将镍镀液的PH值控制在3.8～4.25之间。
2.5 pH值与延展性
本实验预先将氨基磺酸盐型镍镀液中的氨基磺酸镍浓度调整至135 g/L，Cl-浓度调整至0.75 mol/L, pH值调整从0.50至5.25，每隔0.25一档,调整温度至54℃，电流密度2.15 A/dm2。待上述这些参数调整好后，再把经除油→微蚀→酸浸→镀铜→活化过的板子依次放入上述配制好的溶液中处理15分钟后取出晾干，测得镍镀层的延展率如图4。
图4 镍镀层延展率与镀镍溶液pH值的关系
从图3可以看出，提高镀液pH值就会使镍镀层的延展率变小。若要得到良好延展性的镀层，不宜将镀液的pH值设定得过高。虽然偏高的pH值对提高镀液分散能力、缓解较高的阴极电流效率和沉积速率有利，但过高的PH值会出现碱试镍盐的倾向，并伴随着歧化反应的发生而使得大量H2气泡滞留于施镀表面，这样就会导致镀层结晶粗糙等不利后果。
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