直接化学镀镍工艺方法对镍层表面形态的影响

     近年来，随着半导体输入端子数量的增加，基板向侧面端子的多腿化及信号线间距微细化的发展。多腿化的趋势使QFP(Quad Flat Package)构造盘间的节距狭小化制造的难度增加，特别是面阵列端子（面端子）化的需要，BGA(Ball Grid Array)构造的超小型化封装的开发。超小型化封装端子的表面处理的外部引出线需要增加适合的化学镀金/化学镀镍。化学镀金或电镀金的工艺方法比较而言，对于独立的电路图形上表面处理是适用的，镀层的厚度可以根据需要增加，这一点是非常有利的。

      通常铜导体图形是采用以次亚磷酸盐作还原剂化学镀镍，而铜与次亚磷酸氧化反应是没有催化活化行为的，这就需要采用钯作为催化剂。该工艺方法就是将基板浸入稀的钯溶液，当铜导体图形上浸有催化剂钯后，就可以实施化学镀镍的工艺程序。但是，对于超高密度配线的基板该工艺方法是否适用，还要看对钯催化剂的选择，因为当基板浸入催化溶液时，导体图形间的树脂上也会同时吸附，化学镀镍过程中会沉积在图形间的树脂上面，这样一来就会产生质量问题。

      这就需要解决选择性析出的技术问题，铜导体经过催化活化，采用还原剂为DMAB和稀的化学镀镍溶液，确认其选择性沉积是有效的。

      另外，经过化学镀镍＋金的电镀处理的基板，与电镀法镀出的镀层相比，其焊接强度就比较低。其主要原因是由镍粒子粒界被腐蚀变态，镍层中的富磷层形成以及锡-镍-磷合金层的形成。现在的问题是对镍层中含磷量的含有率控制，使过程中不会产生局部腐蚀，具有适用性的工艺对策是有效的。

      研究表明，化学镀镍层表面形态即析出形态，是受催化活化处理的影响而变化，因此也就会直接影响焊料的焊接强度。所以，提出使用钯催化活化而不选择镍的析出程序的有效性。

铝合金化学镀镍工艺对镀层沉积速度的影响

摘要:针对铝合金的特点,采用一种无机酸处理工艺对铝合金进行前处理,然后直接进行化学镀镍。讨论了主盐、还原剂、络合剂、ｐＨ值等因素对化学镀镍反应沉积速度的影响,得到了较优的工艺配方。验证试验所得Ｎｉ Ｐ合金镀层表面均匀,耐蚀性好,结合力强。

   　关键词:铝合金;化学镀镍;沉积速度

   　中图分类号:ＴＧ146.21;ＴＧ174.41　　文献标识码:Ａ　　文章编号:1007-7235(2006)03-0028-04

   　铝及其合金由于其优良性能,已广泛应用于建筑、航天、电器、电子产品及日用品等各个方面,其产量和用途均已成为仅次于钢铁的第二大金属材料。随着现代科技的发展,对铝合金表面性能的要求越来越高,如耐蚀性、耐磨性和装饰性等等,铝合金表面处理技术正是在这种背景下产生并不断发展的[1 3]。

   　铝合金的表面处理方法主要有电镀、化学镀、化学氧化、阳极氧化及微弧氧化等,其中化学镀镍的应用比较普遍。铝合金化学镀镍可以改善其耐蚀性和耐磨性,使其具有钎焊性。但是,铝合金在大气中形成的氧化膜与金属镀层结合不好,要想获得良好的镀层必须彻底去除表面氧化膜并使之在化学镀镍前不再形成,这是铝合金化学镀镍的一个难点,铝合金也因此被视为“难镀”基材之一。目前,化学镀镍在难镀基材方面的工艺尚有待改进[4 9]。本文采用特殊方法对铝合金进行前处理,通过正交试验确定铝合金化学镀镍工艺条件。测试镀层的沉积速度、结合力、耐蚀性及孔隙率。

   　1　化学镀镍试验

   　1.1　工艺条件优化

   　试验在恒温水浴中进行,采用立式搅拌机进行搅拌,转速为250ｒ ｍｉｎ～500ｒ ｍｉｎ,用ｐＨＳ 25酸度计准确测定镀液ｐＨ值。试验材料为直径3ｍｍ的铝合金棒材。

   　将试验温度控制在80℃～85℃,然后以镍盐、还原剂及络合剂的含量和镀液ｐＨ值为主要因素,在单因素试验基础上进行四因素三水平正交试验[10 11],考察指标为镀层沉积速度。然后以优选工艺加工试样,并进行性能测试。

　　1.2　工艺流程

   　每次试验按如下工艺流程进行:化学除油→冷水洗→碱蚀→冷水洗→特殊处理→冷水洗→蒸馏水洗→化学镀镍→冷水洗→热水洗→干燥→热处理。

   　特殊处理液由无机酸和氧化剂组成,无机酸:150ｍＬ Ｌ;氧化剂:75ｍＬ Ｌ;室温处理20ｍｉｎ。

   　1.3　性能测试

   　试验结束在扫描电镜下观察镀层截面,测量镀层厚度,用镀层厚度值除以镀覆时间,得出反应沉积速度,此为平均镀速。按ＧＢ-Ｔ13913-92的相关规定,采用热震试验检查镀层结合力,用硝酸试验和浸泡试验检测试样的耐蚀性[12]。

  　 2　结果与讨论

  　 2.1　单因素试验

   　2.1.1　硫酸镍浓度的确定

   　硫酸镍浓度是影响镀层沉积速度的主要因素。随着硫酸镍浓度的升高,镀层沉积速度会加快,但在乳酸体系的化学镀镍溶液中,这种趋势不是很明显。试验得知,当硫酸镍含量达到30ｇ Ｌ以后,镀层表面粗糙,镀液自分解现象严重,容器壁上有镍沉积。另外,硫酸镍浓度的升高,镀层结合力和耐蚀性增大,因此,镀液中的硫酸镍含量控制在20ｇ Ｌ～30ｇ Ｌ。

   　2.1.2　次亚磷酸钠浓度的确定

  　 次亚磷酸钠浓度主要对镀层沉积速度和耐蚀性产生影响。在一定的ｐＨ值范围内,次亚磷酸钠浓度增加,镀层沉积速度加快,但在试验过程中,如果次亚磷酸钠的含量过高,镀液不稳定,易使镀层粗糙或形成暗镀层。次亚磷酸钠含量控制在20ｇ Ｌ～30ｇ Ｌ。

   　2.1.3　乳酸浓度的确定

   　加入乳酸后,镀液通常比较稳定,因为镍离子与乳酸中的两个配位体生成配位键,使络离子具有环状结构,即生成了内络合物[11]。当镀液中存在乳酸时,镀速随着乳酸浓度的提高而增加,达到大值以后,乳酸浓度继续增加,镀速降低。乳酸的加入,还可以使镀层的外观得到改善,使镀液工作ｐＨ值提高[7]。通过试验,乳酸的用量确定15ｍＬ Ｌ～25ｍＬ Ｌ。

   　2.1.4　ｐＨ值的确定

   　ｐＨ值同样会影响镀层沉积速度。ｐＨ值低于3时,化学镀镍反应很难发生;ｐＨ值高于6,镀液自分解严重,施镀过程中ｐＨ值下降快,镀层表面出现大量气孔。ｐＨ值控制在4.5～5.5时,镀液稳定,镀层光滑平整。

  　 2.2　正交试验及结果

   　各影响因素的主次顺序为:Ａ>Ｂ(Ｃ)>Ｄ,其工艺条件为Ａ3Ｂ3Ｃ1Ｄ2,即:硫酸镍30ｇ Ｌ,次亚磷酸钠30ｇ Ｌ,乳酸15ｍＬ Ｌ,ｐＨ5.0。

　　2.3　验证试验结果

 　  2.3.1　特殊处理对镀层表面状态的影响

   　特殊处理后试样表面形成了细小的均匀分布的蜂窝,这些蜂窝可以作为镀层的沉积点,使镀层与基体间结合更紧密。随着处理时间的延长,蜂窝分布更加均匀,但处理时间超过30ｍｉｎ后,基体腐蚀量加大。目测镀层完整,光亮,无针孔、气泡、阴阳面等表面缺陷,在扫描电镜下观察,镀层表面为均匀的球形胞状物,光滑致密,说明特殊处理后留下的空穴不会影响镀层的表面质量。

   　2.3.2　镀层厚度

   　及沉积速度图2是经过热处理后的镀层断面的扫描电镜图像,镀覆2ｈ后镀层厚度为25.3μｍ,用镀层厚度除以镀覆时间即得沉积速度,所以镀层沉积速度为12.6μｍ ｈ。

   　2.3.3　结合力试验结果

   　镀层与基体间没有出现缝隙,说明二者结合力良好。因为在对镀层进行热处理时,发生了原子互扩散,导致非晶与微晶发生重结晶,生成金属镍的晶胞和金属间化合物,这些金属间化合物引起镀层的硬化;随着热处理的持续,镀层与基体间的互扩散使二者结合力得到改善,而且低温热处理还可以提高镀层的耐蚀性,消除部分内应力[13-14]。

　　2.3.4　耐蚀性测定