浅谈电镀(氨基磺酸镍)镍-磷合金的工艺

摘要: 对电子接插件镍-磷合金(氨基磺酸镍-磷合金)中间层电镀工艺进行了简单综述,包括工艺流程,镀液成分、操作条件等对镀层结构和物性的影响、初步并介绍了合金镀层的维护与管理方法、以及杂质处理此外,本文还介绍了一种较成熟卷对卷连续(电子行业接触件连续电镀生产线)电镀镍-磷合金工艺电镀。

引言

氨基磺酸镍是一种优良的电镀主盐，因其内应力低、电镀速度快，溶解度大，无污染等，而成为近年国际上发展较快的一种电镀主盐。由于电子接插件镍-磷合金中间层电镀工艺由于不存在晶界位错等缺陷,因此不会产生晶间腐蚀现象,耐点蚀的性能远比晶态(化学镍-磷) 合金要好,除此之外它还具有镀层致密/耐化学药品性好以及耐摩性/能屏蔽电磁波比硫酸镍磷合金好等特性/已广泛应用于汽车电子、航空电子、计算机电子、精密电子电镀、化学工业等领域特适用于卷对卷连续电镀中间层电镀工艺。

目前获取镍-磷合金中间层的方法有硫酸镍磷合金与氨基磺酸镍磷合金电两种, 本文综述了作为电子接插件镍-磷合金中间层(电镀氨基磺酸镍为主盐的镍-磷合金层)工艺, 氨基磺酸镍中间层合金工艺较硫酸镍磷合金工艺中间层工艺相比具有很多优点:

1.沉积速度快、使用氨基磺酸镍可以通过的电流密度为1-20 A/dm2

可根据法拉第两大定律导出下列公式:Z=2.448CTM/ND其中Z代表厚度(单位为微英寸); C代表电流密度(单位为A/dm2) ;T代表时间(单位为分钟); M代表镍的原子量;N代表镍的电荷量;D代表镍的密度.(1)

而硫酸镍电镀镍-磷合金可以通过的电流密度为1-5 A/dm2在相同时间内厚度是硫酸镍电镀镍-磷合金的1-4倍之间.

2. 氨基磺酸镍镀液稳定性高、较硫酸镍电镀镍-磷合金有很好的柔软性, 折弯一般不因厚度而产生折弯龟裂现象。

3.氨基磺酸镍镀液有很高的溶解度(目前没有办法确定)至少在常温能溶解≥180g/lNi2+,而硫酸镍是≤100 g/lNi2+ (50℃),适用于高浓度电镀工艺.

1氨基磺酸镍镍-磷合金工艺

1.1氨基磺酸镍的制备

可以用碱式碳酸镍和氨基磺酸来制备氨基磺酸镍镀液。每制备1.0 kg氨基磺酸镍需2.0 kg碱式碱酸镍和3.2 kg氨基磺酸。配制时将氨基磺酸溶解在存有2／3去离子水的槽中，加热至70℃(不得超过80 ℃，否则会分解)，在搅拌下加入碱式碳酸镍，此时会产生C02气体，应防止槽液溢出。

化学反应为：NH3S03+Ni(OH)2·NiC03=2Ni(NH2S03)2+C02 ↑+H20

1.2氨基磺酸镍镍-磷合金中间层工艺特点:

1.2.1镀层中含磷9%-13%

1.2.2用于卷对卷连续电镀中间层,能显著提高电子产品的耐蚀性与抗高温性,有极高的柔软性..

1.2.3镀液中含氯化物极低,腐蚀性低以及应力低,柔软性好.

1.2.4管理维护简单,溶液稳定性好等等.

1.2.5氨基磺酸镍镍溶解度高,可以使用的电流范围广(1-20a/dm2)

1.3卷对卷连续电镀工艺流程:(基材以铜镀半金亮锡为例)

放料-化学除油-阴阳电解除油-活化-氨基磺酸镍(半光)⑴⑵⑶⑷-氨基磺酸镍镍-磷合金(高温镍)⑴⑵-选择性镀金(刷/点/喷)⑴⑵⑶-选择性镀亮锡⑴⑵⑶⑷-锡防变色-金封孔处理-烘干-收料

⑴⑵⑶⑷表示电镀子槽个数,上述工艺流程中应有必要的水洗.

1.3.1卷对卷连续电镀(以铜合金为例)各工序的配方及工艺条件简介:

1.3.1.1化学除油

化学除油粉                                             3-5%

温度                                                 50-60℃

时间                                                 2-15 s

1.3.1.2 阴阳电解除油(分为阴电解与阳电解)

电解除油粉                                            3-5%

温度                                                50-60℃

时间                                          两段共4-30 s

工件:                                           接阴极&阳极

电流密度:                                         1-6 A/dm2

1.3.1.3活化

硫酸                                                 5-10%

温度:                                                 常温

时间                                                2-15 s

1.3.1.4氨基磺酸镍镀镍(半光)

氨基磺酸镍 (以Ni2+计)                               100 g/l

氯化镍                                               4-8g/l

硼酸                                              40-60 g/l

半光镍添加剂(罗门哈斯)                                 少许

温度                                                50-60℃

PH                                                   4.0-4.6

时间                   180s  (赫尔槽试验)    (每个槽) 2-15 s

电流密度                                           1-20 A/dm2

1.3.1.5氨基磺酸镍镍-磷合金(略)

1.3.1.5选择性镀金(刷/点/喷)

氰化金钾(以AU2+计) 根据镀层厚度需要定             0.3-8 g/l

导电盐(以柠檬酸钾&柠檬酸计)                      80-110 g/l

添加剂(以钴计)                                  0.2-0.5 g/l

温度                                                50-60℃

PH                                                 4.0-4.5

时间                    60s  (赫尔槽试验)   (每个槽) 2-15 s

电流密度                      (不确定)根据选用电镀方式以及工程图面定

1.3.1.6选择性镀亮锡

有机酸锡盐(以锡2+计)                             30-45 g/l

有机酸(罗门哈斯)                                   200ML/L

添加剂(罗门哈斯)                                     少许

温度                                               50-60℃

PH                                                     ≤1

时间                  300s  (赫尔槽试验)   (每个槽) 2-15 s

电流密度                                          1-5 A/dm2

1.3.1.7锡防变色

锡防变剂(罗门哈斯)                                  3-5%

温度                                                常温

时间                                              2-15 s

1.3.1.7金封孔处理

金封剂(罗门哈斯)                                  3-5%

时间                                             2-15s

1.3.1.8烘干

烘烤箱温度                                    100-160℃

1.4电子接插件镍-磷 (氨基磺酸镍-磷)中间层电镀工艺镀液的组成与操作条件:

氨基磺酸镍 (以Ni2+计)                           100 g/l

氯化镍                                           4-8g/l

硼酸                                          40-60 g/l

含磷化合物(以磷计)                               20 g/l

添加剂(罗门哈斯)                                   少许

PH                                              1.5-2.5

温度                                             50-55℃

时间         2-15 s (连续电镀时间)        60s  (赫尔槽试验)

电流密度                                          1-20 A/dm2

1.5工艺条件对镀层性能的影响:

1.5.1电流密度

电流密度对镀层外观无重大影响,电流密度较小时镀层偏暗;过大时含磷量相对较低,析氢增大,亚磷酸镍以杂质形式使镀层粗糙,或者外观不均或出现烧焦等现象,耐蚀性与抗高温性降低.一般控制在10A/dm2为宜.

1.5.2 PH

随着PH的升高,镀层耐蚀性降低,应力有所提高,但PH过高时阴极大量析氢会使镍的亚磷酸盐析出,夹在镀层中使镀层粗糙(高电流区表现尤为明显)过低, 阴极析氢严重,电流效率下降,但是镀层含邻量增加, ,耐蚀性与抗高温性有所提高.可用碱式碳酸镍或氨基磺酸调整.

1.5.3温度

镀液温度对镀层有较大的影响。温度较低会导致镀层内应力增大,阴极的电流效率较低,允许的电流密度较低,沉积速度变慢,并且镀层质量变差,容易出现斑点。升高温度将提高阴极电流效率,沉积速度也会随之增大,获得的镀层会更加细致光亮。但温度过高容易引起镀液中的添加剂变质,增加电能的消耗,镀液蒸发加快,维护也变得困难。一般控制在50-55℃为宜.

1.5.4氨基磺酸镍的含量

镀液中镍离子浓度低会导致沉积速度变慢,析氢严重,只有当镍达到一定浓度时镍和磷才能达到共沉形成合金。随着镍离子浓度的增加,一般阴极电流效率会随之增加,镀层含磷量也随之增加,耐蚀性与抗高温性增加。但镍离子浓度过高,镀层的沉积速度过快将导致镀层粗糙,镀层中磷的含量也会下降,耐蚀性与抗高温性也随之下降。所以镀液中的镍离子要保持在一合适的浓度范围内一般控制在Ni2+ 80-110g/l 为宜。

1.5.5磷含量

镀液中磷含量的多少对镀层外观没有明显的影响,一般都能得到光亮镀层. 镀液中磷小于20G/L时随磷含量的增加镀层中含磷量也随着增加,而到了20 g/l时逐渐减慢,当达到25 g/l时镀层中磷含量基本保持不变, 镀层中磷含量约为9%--13%之间.

1.5.6硼酸

镀液中通常加入硼酸作缓冲剂,以稳定镀液的pH。一般控制在35-55g/l之间.

1.5.7氯化镍

  氯化镍作为阳极活化剂,促进阳极溶解的作用.过低氨基磺酸镍补加频繁,造成成本过高,

过高造成应力大,柔软性下降.一般控制在 4-8g/l之间.

1.5.8有害杂质以及处理

几种常见有害杂质以及去除方法如下表:

2.1镀液的PH值对磷的还原速度影响很大,应严格控制PH值,一般用碱式碳酸镍以及氨基磺酸来调整.

2.2要提高镀层中的含磷量在必要时加入络合剂,将部份镍络合剂以防止亚磷酸镍沉淀析出.但不能太多,太多会降低电流效率.

2.3电镀过程中必须按时分析补充化学药品,以每天一次为宜.

2.4必须使用连续过滤,必要时做小电流电解处理.

2,5必须控制氯化镍含量,过高会影响产品的柔软性,镍层厚度不宜过厚(2 um左右),镍磷中间合金层一般控制在0.3 um左右,过高折弯试验容易产生龟裂现象.

2.6保持各工段水洗充分,严禁各药水糟交叉污染, 氨基磺酸镍与镍合金(镍-磷合金)也不例外.

2.7氨基磺酸镍镍溶液严禁与硫酸镍混加.

3.　镀层的耐蚀性/抗高温性以及柔软性

耐蚀性采用盐雾试验机检测:试验结果表明耐蚀性随着磷含量的增加而提高,,其抗Cl-腐蚀的能力也增加。磷含量在10%-11%之间镀层耐蚀性抗高温性最好.且同(2 um)厚度镍层有镀镍磷合金层比无镀镍磷合金层中性盐雾试验提高8小时以上.抗高温性可采用SMT回流焊机检测: 试验结果表明抗高温性随着磷含量的增加而提高,其抗高温性能力也增加均无流锡现象产生. 柔软性可采用折弯试检测: 试验结果表明折弯无起皮,龟裂现象.

4.结论:

4.1电子接插件镍-磷合金中间层已经广泛用于卷对卷电镀连续电镀, 已被很多工厂所采用.产品良品率高,例深圳盈精密技术有限公司等.

4.2本工艺具有稳定性好,操作方便以及可以长期使用.

4.3能解决连续电镀中高温发黑发紫,提高抗盐雾能力特性.

4.4氨基磺酸镍磷合金工艺作为电子件连续电镀的中间层,可明显提高产品的耐腐蚀性.镀层柔软性好.

4.5氨基磺酸镍镀镍-磷合金有很多优点,诸如以上产品良品率高、稳定性好、良好的耐腐蚀性与抗高温性以及柔软性.但随着技术的不断发展, 氨基磺酸镍镀镍-磷合金的应用领域将不断扩大。

(1)＞专业文献/行业资料＞能源/化工

《连续电镀技术教材》第三章 电镀计算 理论膜厚的计算