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1、1概述镍，元素符号Ni ,原子量58 . 7,密度8. 88g/cm3 , Ni2+的电化当量1. 095g /AH。用于印制板的镍镀层分为半光亮镍(又称低应力镍或哑镍)和光亮镍两种。主要作为板面镀金或 插头镀金的底层，根据需要也可作为面层，镀层厚度按照IPC-6012(1996)标准规不低于22 .5 p m。镍镀层应具有均匀细致，孔隙率低，延展性好等 特点，而且低应力镍应具有宜于钎焊或压焊的功能。2低应力镍2 . 1镀镍机理阴极：在阴极上，镀液中的镍离子获得电子沉积出镍原子，同时伴有少量氢气析 出。Ni2+2e+Ni0Ni2+/ Ni=-0 . 25V2H+2e+H20Ni2+ / N2=
2、-0.0V虽然Ni的标准电极电位很负，但由于氢的过电位以及镀液中镍离子的浓度、温度、pH等操作条件的影响，阴极上析出氢极少，这时镀液的电流效率可达98 %以上。只有当 pH很低时，才会有大量氢气析出，此时阴极上无镍沉积。阳极：普通镀镍使用可溶性镍阳极。阳极的主反应为金属镍的电化学溶解：Ni- 2e Ni2+当阳极电流密度过高，电镀液中又缺乏阳极活化剂时，阳极将发生钝化并伴有 氧气析出：2H20- 4e 02 T +4H+当镀液中有氯离子存在时，也可能发生析出氯气得反应:2C1- 2e C12 T阳极上金属镍电化学溶解使镍离子不断进入溶液，从而提供了阴极电沉积所需的镍离子。但当 阴极面积不够大或
3、镀液中活化剂不够时，将导致阳极钝化而析出氧，生成的氧进步氧化阳极表 面，生成棕色的Ni203氧化膜。2Ni+3O Ni2O3由于阳极钝化，使电流密度降低，槽电压升高，电能损失增加。当使用高速镀镍工艺时，阳极采用非溶性材料如：铂、钛上镀铂网或钛上镀钉网，也可以采用 含硫的活性镍阳极。2. 2镀液配方及操作条件2. 3镀液配制1） 在备用槽中，用热去离子水溶解计量的硫酸镍、氯化镍和计量1/2的硼酸。2）加热至5560 C，加活性炭3g/L，搅拌2h，静置2h，过滤，将无炭粒的溶液转人已清洗干净的工作槽中3）搅拌下，加入其余量硼酸，调pH到3. 0，在55-60 C下，用瓦楞形阴极，在0 . 30
4、. 5A/dm2下电解，直至阴极板上镀层颜色均匀一致为止。一般通电量需达4Ah/L。4） 加入添加剂和润湿剂，搅拌，调pH及液位，分析镀液成分。试镀。如果所用硫酸镍、氯化镍等材料纯度低，则需在加活性炭之前，先加H2O213ml /L,搅拌半小时，加热至65 C，保持半小时，再加活性炭并继续按步骤进行。2 . 4各成分作用2. 4.1主盐硫酸镍或氨基磺酸镍是镀镍溶液的主要成分，在普通镀镍中，控制Ni2+浓度65-75g /L。表7-2中列出了这两种类型镀液所镀出镀层的主要性能比较。从表中看出，以氨基磺酸盐型的低应力镍镀层的性能更佳。但氨基磺酸镍稳定性较差，价格较贵。 而用硫酸镍为主盐也能达到技术
5、要求。提高主盐浓度，可以提高镀层的沉积速度，并能使允许电流密度范围扩大，但主 盐浓度太高会导 致镀液分散能力降低。主盐浓度降低导致镀层沉积速度降低，严 重时会导致高电流区镀层烧 焦。2. 4 . 2阳极活化剂为了保证阳极正常溶解，防止阳极钝化，镀液中需要阳极活化剂。镍的卤族化合 物如：氯化镍、 漠化镍等可以作为镍阳极活化剂。氯化镍浓度不能太高，否则会使镀层应力增加，一般以氯化镍不大于30g /L为宜；以漠离子作阳极活化剂， 它的浓度升高影响不大，但漠化物原料来源不如氯化镍方便。阳极钝化有以下现象：1) 槽电压升高，一般可达6V以上，但电流却很小。2) 阳极表面气泡较多，有时会有刺激性气味，甚至
6、表面呈褐色。造成阳极钝化的主要原因：镀液中阳极活化剂浓度太低。阳极面积太小。此时，将溶液和阳极面积调整后，将阳极取出，经稀硫酸处理后，洗净重新放人 镀液。2. 4 .3缓冲剂硼酸是镀镍溶液最好的缓冲剂。它可以将镀液的酸度控制在一定范围之内，为了 达到最佳缓冲效果，硼酸浓度不能低于30g / L,最好保持在40-50g/L。H2BO3的缓冲作用是通过H2BO3的电离来维持的，H2BO3是一种弱酸，它在水溶液中电 离反应如下：H2BO3 与 H+H2BO3-H2BO3 与 H+HBO32-HBO32 与 H+BO33-当溶液pH上升时，电离平衡向右进行，维持了溶液pH值的稳定；当溶液pH下降时，使
7、电 离平衡向左进行，同样维持了溶液pH的稳定。硼酸不仅具有pH缓冲能力，而且它能提高阴极极化，改善镀液性能，使在较高 的电流密度 下，镀层不易烧焦。硼酸的存在也有利于改善镀层的机械性能。2. 4 .4添加剂添加剂的加入，改善了镀液的阴极极化，使镀层均匀细致并具有半光亮镍的光泽，同时改善了 镀液的分散能力。添加剂的主要成分是应力消除剂，由于添加剂的加入，降低了镀层的内应力，随 着添加剂的 浓度变化，可以使镀层内应力由张应力改变为压应力。能起到这种作用的材料有如：萘磺酸、 对甲苯磺酰胺、糖精等。添加剂成分选配合适，可以使 镀层均匀细致有光泽并且可焊性好。2. 4. 5润湿剂润湿剂能降低镀液的表面张
8、力，使表面张力降至35-37dyn / cm ,这有利于 消除镀层的针孔、麻点。用于印制板的镀镍溶液宜使用低泡润湿剂，如：二乙基已基硫酸钠、 正辛基硫酸钠等。2. 5操作条件2. 5 . 1pH值pH控制在3. 54为宜。当pH 一定时，随着电流密度增加，电流效率也增 加。pH高，镍的沉积速度快，但pH太高将导致阴极附近出现碱式镍盐沉淀，从而 产生金属 杂质的夹杂，使镀层粗糙、毛刺和脆性增加。pH低些，镀层光泽性好，但pH太低导致阴极 电流效率降低，沉积速度降低，严重时阴极大量析氢，镀层 难以沉积。使用可溶性阳极的镀液，随着电极过程的进行，镀液pH逐渐升高。使用不溶性 阳极的镀液， 由于阳极析
9、氧，使镀液中OH-浓度减少，从而pH会降低。降低镀液pH用10 %（V/V） H2S04 ；提高镀液pH用碳酸镍或碱式碳酸镍。提高镀液 pH不宜用N。OH，因为钠离子在镀液中的积累会降低电流密度上限，容易导致高电流区镀层 烧焦。碳酸镍的加入方法最好是将它放人聚丙烯的滤袋并 挂在镀液中，使其缓慢溶于镀液中， 且不可将固体物直接放入镀液中，当pH达到要求后，取出滤袋，洗净后烘干备用。当市售碳 酸镍难以购到时，可以自己制 备：将3份重量的硫酸镍与1. 3份重量的无水碳酸钠分别用少量去离子水溶解，在搅拌下将碳酸钠溶液慢慢倒人硫酸镍溶液中，反应方程式如下:NiSO4+Na2CO，一 NiCO3 T +N
10、a2SO4待沉淀完全后，过滤，用去离子水洗涤沉淀数次，以去除硫酸钠，沉淀即可使用。2. 5. 2温度操作温度对镀层内应力影响较大，提高温度可降低镀层内应力，当温度由10- 35 C时，镀层内应力有明显降低，到60 C以上，镀层内应力稳定。一般维持操作温度5560 C为宜 镀液操作温度的升高，提高了镀液中离子的迁移速度，改善了溶液 的电导，从而 也就改善了镀液的分散能力和深镀能力，使镀层分布均匀。同时温度升高也可 以允许使.用较高的电流密度，这对高速电镀极为重要。2. 5 . 3电流密度在达到最高的允许电流密度之前，阴极电流效率随电流密度的增加而增加。在正 常的操作条件 下，当阴极电流密度4A
11、/dm2时，电流效率可达97 %，而镀层 外观和延展性都很好。对 于印制板电镀，由于拼板面积比较大，至使中心区域与 边缘的电流密度可相差数倍，所以实 际操作时，可取操作电流密度2A /dm2左右为宜。2. 5 . 4搅拌搅拌能有效地清除浓差极化，保证电极过程持续有效地进行，同时也有利于阴极 表面产生的少 量氢气很快逸出，减少可能出现的针孔、麻点。搅拌方式可采用：镀液连续过滤、阴极移动和 空气搅拌，或者选择其中的两者相配合。对于高速镀 镍，其电流密度高达20A /dm2以 上，为了更好的清除浓差极化，应配有镀液 喷射的专用设备。镀液连续过滤是必要的，它可及时清除镀液中的机械杂质，又能保持镀液流动
12、。过滤机的能力以 满足每小时过滤镀液2-5次为宜，滤芯用聚丙烯材料，精度以5ym 为宜。若采用阴极移动，振幅2025mm , 15-20次/ min。若采用空气搅拌，则必须与连续过滤相配合，所供的压缩空气应是无油压缩空气，气流中速， 如果空气量太大，导致溶液流动太快，将降低镀液的分散能力。2. 5 . 5镍阳极常规镀镍均采用可溶性镍阳极，可以使用镍板或装在钛篮中的镍角，并用吊钩将阳极悬挂在阳 极杆上。理想的阳极要能够均匀溶解，不产生杂质进入镀液，不形成任何残渣。因此对阳 极材料的成 分及阳极的结构都有严格的要求。目前采用盛有镍球（角）的钛篮作为阳极已相当普遍。使用钛篮盛阳极材料可以保 持足够大
13、 的阳极面积而且不变化，阳极保养也比较简单，只要定期将阳极材料补 人篮中。钛篮底部应 高出槽底50-70mm，以避免阴极边缘因电力线过于集中而 使镍镀层烧焦。使用钛篮还可利用 适当的遮蔽法调整阳极的有效面积来改善阴极 镀层分布。钛是很好的阳极篮结构材料，它强度高、质轻、耐蚀而且表面有层氧化膜，此膜 在正常电镀条件 下，可以阻止电流通过钛篮而使电流直接通向钛篮内的镍，但镍 量不够时，钛就会受到浸蚀， 所以应经常充实篮内的阳极镍材防止架空。钛篮 常用网目是10x3mm，也有用更宽的。钛篮应装入聚丙烯材料织成的阳极袋内，阳极袋必须适度套紧并有正确的长度，阳极袋口应高 出液面30-40mm，以防阳极泥
14、渣析出。为防止阳极袋受到意外伤害而使阳极泥渣泄出，可以 使用双层袋，这样内袋要套紧，外袋要松些 高质量的的镍阳极对保护镀层的质量，延长镀液寿 命十分重要。随着钛篮的出现，阳极镍的品种也在改进和提高。现在常用的有 25x25x15mm镍块，有96-12mm的镍球，还有022-10mm形如钮扣状的镍饼。装载密度 一般是：镍球 5 . 46ks / dm3,镍饼 4. 6kS /dm3。还有一种含硫镍阳极是活性镍阳极，它的形状如圆饼或球形，它的活性来源于精练过程所加人 的少量的硫，它能使阳极溶解均匀，即使在没有氯化物的镀液中，也能使阳极效率达100 %， 阳极所含的硫并未进入镀液而是以不溶性硫化镍残
15、渣 形式保存在阳极袋中。该硫化镍残渣还可吸 附镀液中的铜离子而帮助净化镀液。这种活性镍阳极更适于作高速电镀的阳极。球形或饼状阳极 都是用于自动线操作。阳极材料的成分应符合国家标准GB6516-86，其它标准如IS06283，ASTMB39，都制定 了相应的材料标准。2. 6镀液维护1）定期分析镀液中的主盐成分并及时给以补充，以保持镀液成分稳定。选择高质 量的硫酸 镍、氯化镍、硼酸或氨基磺酸镍至关重要。补人镀液中的主盐应预先溶解后经活性炭处理才可人 缸，硼酸可直接加人缸中，加入方式最好是将它置人阳极袋中，使在 镀液中缓慢溶入。2）及时检查和调整镀液的pH值，一般每4小时至少检查调整一次。3）添加剂根据安时数及时补充，最好能由赫尔槽试验配合补加4）镀液的主要污染来自于重金 属离子和有机污染，要及时清除。镀镍液的重金属污染主要是Cu2+，Fe2+，Zn2+，当Cu2+达0 . 010 . 05g /L时，导致镀层低电流区发黑，严重时镀层无光亮，可焊性差。Pe和Zn的污染主要来源于主盐和阳极。当Fe2+0 . 030 . 05g / L时，镀层发脆，产生针孑L；当 Zn2+0 . 02g /L时，镀层低电流区出线条纹。以上重金属杂质可在操作 温度下，调pH到3，以0. 20 . 5A / dm2的电流用瓦楞形阴极通电处理，直至镀层在高低电流区颜
