高來華 陳海燕

（深南電路有限公司，廣東 深圳 518053）

1 前言

隨著插拔技術(shù)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，鍍金插頭在集成電路的電流和信號傳輸中扮演著舉足輕重的角色。越來越多的客戶青睞于印制插頭的設(shè)計作為插拔的接觸點，以實現(xiàn)PCB物理連接、硬件和軟件連接過程。金、鎳層厚度作為印制插頭產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，在插頭鍍金線實際生產(chǎn)過程中，電鍍鎳金參數(shù)（電流密度、線速度）的控制方法及其穩(wěn)定對金、鎳層厚度起決定性作用。常見的電鍍鎳金操作類型有：高速電鍍（空氣噴射電鍍）、中速電鍍（溶液噴射噴鍍）、掛鍍、滾鍍。本研究以中速電鍍（溶液噴射噴鍍）操作為例，著眼于以滿足客戶對金手指鍍層厚度的需求，運用邏輯分析和數(shù)學(xué)思維，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，推導(dǎo)得出一適用于普遍插頭鍍金線（溶液噴射噴鍍）鍍層厚度的計算模型。

圖1 冷插拔接口——等長印制插頭

圖2 熱插拔接口——長短印制插頭

2 電鍍原理及電鍍鎳金反應(yīng)機(jī)理

2.1 電鍍的定義及原理

電鍍?yōu)殡娊忮兘饘俚暮喎Q，是將待鍍件（制品）浸入含有欲鍍金屬離子的藥水中并接通陰極，藥水的另一端放置適當(dāng)陽極（可溶性或不可溶性），通以直流電后，鍍件的表面即析出一層金屬薄膜的方法。電鍍的基本五要素如下：

陰極：待鍍件，如PCB各種插拔件端子，亦稱為插頭；

陽極：若是可溶性陽極，則為欲鍍金屬；若是不可溶性陽極，大部分為貴金屬（如白金、氧化銥、鈦）；

電鍍藥水：含有欲鍍金屬離子的電鍍藥水；

電鍍槽：儲存待鍍的可溶性金屬鹽的藥水，一般考慮槽體材質(zhì)的強(qiáng)度、耐酸堿腐蝕、耐溫等因素；

整流器：為電解鍍金屬過程提供直流電源的設(shè)備。

因待鍍件的功能與使用環(huán)境不同，電鍍種類依據(jù)不同金屬的特性不同而有所差異。目前廣泛應(yīng)用于PCB制程中的電鍍類型有：電鍍銅、電鍍錫、電鍍鎳金。電鍍鎳金是電鍍鎳和電鍍金的合稱。電鍍鎳金鍍層具備以下主要功能或性質(zhì)：（1）因鎳金層耐蝕刻性能而作為底銅的保護(hù)層；（2）打鋁線或金線的底墊；（3）低接觸電阻及耐摩擦；（4）鍍層具可焊性。

2.2 電鍍鎳金反應(yīng)機(jī)理

鍍鎳時陰極上的主反應(yīng)為鎳離子（Ni2+）還原為鎳金屬（Ni），因鍍鎳溶液呈酸性，故存在氫離子（H+）還原為氫氣（H2）的副反應(yīng)；陽極主反應(yīng)為金屬鎳角（Ni）失去2個電子后溶解成為鎳離子（Ni2+），若電流密度過高，鍍液又缺乏陽極活化劑時，將發(fā)生陽極鈍化副反應(yīng)。電鍍鎳反應(yīng)機(jī)理如下：

鍍金時陰極上的主反應(yīng)為金氰絡(luò)合離子（[Au(CN)2]-）得到電子后還原為金原子（Au）和游離的氰根離子（CN-）；陽極發(fā)生的反應(yīng)為析氫反應(yīng)。電鍍金反應(yīng)機(jī)理如下：

圖3形象地描述了插頭鍍金線電鍍槽及其電鍍裝置（以鎳槽為例）。

插頭鍍鎳和鍍金相關(guān)設(shè)備示意圖如圖3、圖4所示（實際插頭鍍金機(jī)元件面和焊接面直流穩(wěn)壓整流器為組合整流器）。

圖3 插頭鍍金線鍍鎳設(shè)備示意圖

圖4 插頭鍍金線鍍金設(shè)備示意圖

3 鍍層厚度理論計算模型的建立

電鍍鎳金層理論模型如圖5所示。

圖5 電鍍鎳金層理論模型

電鍍層厚度的計算必須借助于法拉第定律，法拉第定律是法拉第（Michael Faraday）研究電解時從大量實驗結(jié)果中歸納得出的，它與溫度、壓力、電解液組成、鍍槽的形狀及尺寸等無關(guān)。它表示電鍍發(fā)生時，通過電極的電量（Q）與電極反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)度（ξ）之間的關(guān)系，如式（3）。

式中：Q為通過電極的電量[單位為庫侖（C）]，對PCB電鍍鎳金工藝來說，Q即為通過陰極（待鍍板件）的電量，以QNi、QAu分別表示電鍍鎳、電鍍金時通過待鍍板件金手指的電量；z為電極反應(yīng)的電荷數(shù)（即轉(zhuǎn)移電子數(shù)，取正值），從上面的電鍍鎳反應(yīng)機(jī)理式（1）和電鍍金反應(yīng)機(jī)理式（2）可以看出：zNi=2，zAu=1；F為法拉第常數(shù)（Faraday constant），其值為96485.309C·mol-1。ξ為電極反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)度，其定義式如式（4）。

式中Δn為電極反應(yīng)沉積的金屬的物質(zhì)的量（n）[amount of substance，單位為摩爾（mol）]的變化量，即Δn=n-n0（n0為電極反應(yīng)起始時金屬的物質(zhì)的量，n為電極反應(yīng)終止時金屬的物質(zhì)的量），若n0=0，則Δn=n。υ為該金屬物質(zhì)在電極反應(yīng)方程式中的化學(xué)計量數(shù)，如在式（1）、式（2）中，金屬鎳和金的化學(xué)計量數(shù)υNi=1，υAu=1。結(jié)合式（3）和式（4）可以得出式（5）。

即法拉第定律可以表述為：電鍍反應(yīng)發(fā)生時，通過電極的電量（Q）與電極反應(yīng)終止時沉積的金屬的物質(zhì)的量（n）成正比。

物質(zhì)的量（n）、質(zhì)量（m）、摩爾質(zhì)量（M）之間的關(guān)系為式（6）。

如圖5所示，我們假設(shè)鍍鎳層或鍍金層為一層規(guī)則的長方體薄膜。薄膜的厚度（Thickness）為我們的目標(biāo)函數(shù)，鍍鎳層厚度、鍍金層厚度分別以TNi、TAu（單位：μm）表示。

鍍層的質(zhì)量（m）與鍍層厚度（T）之間的關(guān)系如式（7）。

式（7）中ρ為鍍層金屬的密度（單位為kg/m3）、V為鍍層的體積（單位為m3）、S為鍍層的面積（單位為m2）。

從以上式（5）～式（7）可以得出通過電極的電量（Q）與鍍層厚度（T）之間的關(guān)系如下式：

又根據(jù)電流（I）與電量（Q）的定義式：

式（9）表示電流大小即單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體某一橫截面的電荷量，電流的單位為安培（A）。

插頭鍍金線生產(chǎn)過程中，電鍍反應(yīng)時間（t）與傳統(tǒng)的靜置浸浴電鍍工藝通電時間（t）有所差異。

插頭鍍金線電鍍反應(yīng)時間（t）不僅與電鍍槽的長度（L）有關(guān)，還與待鍍板件的傳送速度（v）有關(guān)，其關(guān)系式為：

那么就可以從式（8）～式（10）得出鍍層厚度（T）的理論計算模型如式（11）。

4 電流效率的計算

4.1 電流效率的基本概念

如上電鍍鎳和電鍍金電極反應(yīng)機(jī)理所示，當(dāng)電極上有電流通過時，通常不只發(fā)生一個電極反應(yīng)（陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)均是如此）。在電鍍反應(yīng)中我們將得到目標(biāo)產(chǎn)物（如金屬）的電極反應(yīng)叫做主反應(yīng)，其他電極反應(yīng)則稱做副反應(yīng)。針對主反應(yīng)來說，就有一個電流有效利用率的問題，電流效率的概念就這樣產(chǎn)生了。實際在陰極上除了發(fā)生主反應(yīng)之外，或多或少會發(fā)生一些其他副反應(yīng)（如析氫反應(yīng)、雜質(zhì)金屬離子的還原等）。電流效率作為電鍍液三大關(guān)鍵技術(shù)性能指標(biāo)之一（電鍍液三大技術(shù)性能指標(biāo)：電流效率、鍍液的分散能力與深鍍能力）與實際鍍層厚度有直接關(guān)系。

電流效率是指，當(dāng)一定電量通過電極時，實際獲得的產(chǎn)物質(zhì)量（m實際）與根據(jù)法拉第定律理論應(yīng)獲得的產(chǎn)物質(zhì)量（m理論）之比，以下式表示：

式中：η為電流效率，陰極電流效率為ηK ，陽極電流效率為ηA。

大量實驗證明，電鍍液的ηK均小于100%，因為伴隨著電沉積金屬鍍層的主反應(yīng)，還有析出氫氣等副反應(yīng)。對于簡單鹽電鍍Cu、Zn及Ag等，其ηK接近100%，只有少量氫氣析出；而氰化物電鍍液，這些金屬電沉積的ηK只有60%～70%，不少電量消耗在析氫的副反應(yīng)上。這些并不是說法拉第定律不正確了，而是在這種電鍍液中，陰極通過的電量為主反應(yīng)和所有副反應(yīng)的總電量。

在實際插頭鍍金線生產(chǎn)過程中，直流穩(wěn)壓整流器通過導(dǎo)線輸出電流至陰極和陽極，在傳輸過程中存在一定的電流損失。我們必須考慮因電流傳輸而導(dǎo)致的電流損失。傳統(tǒng)的測定電流效率的方法很多，如以測量電鍍金屬鍍液的陰極電流效率是在線路中串聯(lián)一個特制的電量計（又叫庫侖計）。若用電量計測定電流效率，那么電量計需具備以下3個條件：

（1）所選用測量電量的裝置中的電極反應(yīng)只有一個，即電流效率應(yīng)為100%；

（2）電極上所獲得產(chǎn)物應(yīng)完全收集而無任何損失。

（3）測量電路中無漏電現(xiàn)象。

以上3個條件相對苛刻，在實際PCB電鍍鎳和電鍍金過程中往往難以找到合適的電量計去測定其電流效率。但從鍍層厚度（T）的理論計算模型式（11）可以看出，在L、S一定時，鍍層厚度（T）只與變量I和v有關(guān)，那么我們可以更直接地得出下式來計算陰極電流效率：

4.2 鍍鎳電流效率

從式（11）中可以看出，在L、S一定時，理論鍍層厚度（T）只與變量I和v有關(guān)。即理論鍍層厚度（T）是關(guān)于變量I和v的二元函數(shù)，記為T=f(I,v)

將電鍍鎳反應(yīng)對應(yīng)于式（11），得出下式：

式中，常數(shù)MNi=58.69 g/mol；zNi=2；pni=8.90g/cm3；法拉第常數(shù)F=96485.309C·mol-1；如某S公司插頭鍍金線鍍鎳槽長度LNi=1.27 m；通過設(shè)計一款金手指板件，其受鍍面積S=1468.8 mm2。該公司采用羅門哈斯提供的鍍鎳藥水體系，在鍍鎳槽各藥水參數(shù)在工藝正?？刂品秶鷥?nèi)，通過給定一系列不同的電鍍參數(shù)（INi和v）計算出理論鍍鎳層厚度TNi理論；同時通過試驗結(jié)果，采用X-ray厚度測量儀測量出實際鍍鎳層厚度TNi實際。如下表1所示為鍍鎳電流效率試驗結(jié)果：

從表1鍍鎳電流效率計算結(jié)果可以看出，若忽略X-ray厚度測量儀測量系統(tǒng)誤差和藥水濃度波動等造成的影響，插頭鍍金線鍍鎳電流效率ηK(Ni)≈61.2%

那么插頭鍍金線實際鍍鎳層厚度可以用式（13）表示：

4.3 鍍金電流效率

同樣，將電鍍金反應(yīng)對應(yīng)于式（11），得出式（16）。

式中，常數(shù)MAu=196.96 g/mol；zAu=1；pAu19.30 g/cm3；法拉第常數(shù)F=96485.309C·mol-1；如某S公司插頭鍍金線鍍金槽長度LAu=0.665 m；通過設(shè)計一款金手指板件，其受鍍面積S=1468.8 mm2。該公司采用羅門哈斯提供的鍍金藥水體系，在鍍金槽各藥水參數(shù)在工藝正常控制范圍內(nèi)，通過給定一系列不同的電鍍參數(shù)（IAu和v）計算出理論鍍金層厚度TAu理論；同時通過試驗結(jié)果，采用X-ray厚度測量儀測量出實際鍍金層厚度TAu實際。如表2所示為鍍金電流效率試驗結(jié)果。

從表2鍍金電流效率計算結(jié)果可以看出，若忽略X-ray厚度測量儀測量系統(tǒng)誤差和藥水濃度波動等造成的影響。

插頭鍍金線鍍金電流效率ηK（Au）≈27.6%。

那么插頭鍍金線實際鍍金層厚度可以用式（17）表示。

表1 鍍鎳電流效率試驗結(jié)果

表2 鍍金電流效率試驗結(jié)果

5 試驗驗證

將不同料號的印制插頭板在該插頭鍍金線進(jìn)行電鍍鎳金試驗，分別按照上面的式（15）和式（17）推算鍍鎳層和鍍金層的實際厚度，試驗結(jié)果如表3所示。

表3可以看出，通過鍍層厚度實際計算模型得到的鍍層厚度計算結(jié)果與最終X-ray厚度測量儀測量結(jié)果的平均誤差的絕對值均小于1%，能夠滿足實際插頭鍍金線對鍍層厚度的計算要求（按IPC-6012 3級標(biāo)準(zhǔn)，鎳厚最大誤差在3 μm×1%=0.03 μm以內(nèi)，金厚最大誤差在0.8 μm×1%=0.008 μm以內(nèi)）。

6 結(jié)論

以上試驗結(jié)果表明，上式（15）和式（17）關(guān)于插頭鍍金線鍍層厚度實際計算模型均有效，能夠很好地指導(dǎo)插頭鍍金線生產(chǎn)，大大降低了金手指PCB產(chǎn)品因鍍層厚度不符而失效的風(fēng)險，也為插頭鍍金線鍍層厚度計算提了理論依據(jù)。

表3 不同料號的印制插頭板在插頭鍍金線進(jìn)行電鍍鎳金的試驗結(jié)果

參考資料

[1]天津大學(xué)物理化學(xué)教研室 編. 物理化學(xué)第四版[M].高等教育出版社.

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

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