新型无氨无氯钯镍合金电镀液的应用研究

杨晓新 杨海永

（汕头超声印制板公司，广东 汕头 515041）

0 前言

钯镍合金镀层应用于印制电路板表面涂饰工艺，集诸多优势于一身，如良好耐磨性与接触导通性满足金手指性能需求，可焊接又可满足金线、铝线与铜线打线需求等，不同于金、锡、有机可焊保护膜等传统PCB表面完成工艺的独特外观等，满足了终端多样化的需求[1]-[3]（如图1）。

目前，镀钯工艺做为金手指的替代工艺，有镀纯钯和钯镍合金两种，前者镀液中存在一定的氨和氯，对环境不够友好，且纯钯相对钯镍合金成本较高（见表1）[4]。本文针对一款新型的环境友好的无氨无氯电镀钯镍合金的镀液体系进行系列研究，一则满足镀层品质性能需求，二则研究诸多相关因子的影响，为该新型镀液体系的量产化应用提供指导（见表1）。

图1 钯镍合金镀层满足金线、铝线与铜线打线图

与此同时，钯镍合金镀层必须控制二者比例在一定范围内（75:35～85:15），即钯含量控制（80±5）%，否则会影响镀层性能与外观结晶。从表1镀纯钯与镀钯镍合金部分比对项目中可以看出，若钯含量过高，则接触电阻明显增大，对插拔接触导通性有一定影响，且会增加镀层成本（钯远比镍昂贵）。若钯含量过低，相对活泼的镍占比较高，则其抗氧化性、耐腐蚀性、抗老化能力等均会下降，难以满足长期稳定需求。钯镍合金层中的两种金属含量比例还对表观光泽度、硬度、耐磨性、可焊性等有影响，因此，研究各参数对钯镍合金中钯含量的影响，从而确定适宜的参数控制范围来加工产品至关重要。本文即针对该新型镀液体系的酸碱度（pH）、光剂浓度、钯浓度、镍浓度、电流密度等主要控制参数进行研究，评估确认各参数对钯镍合金中钯含量的影响。

1 钯镍流程简介

电镀钯镍合金的生产流程类似镀金手指，必须在电镀钯镍合金之前，电镀一层镍层，阻隔金属原子迁移，其生产流程（如图2）。

各主要流程的作用概述：除油工序目的去除待镀件表面有机污染、轻微氧化等；微蚀通过去除铜面深度氧化，并使铜面具有一定的粗糙度，提高镍层与铜层的结合力；镀镍可以阻隔金属界面间铜迁移问题，作为镀钯镍的基底层；镀钯镍作为最终表面镀层，可满足接触导通、打线、焊接等多重终端需求。

2 镀钯镍钯比例控制的试验研究

2.1 试验方案

采用哈林槽，钌铱钛网做阳极，待评估样品作为镀件，分别研究了镀液pH、光剂浓度、钯浓度、镍浓度、电流密度等对合金镀层中钯含量的影响，从而确定适宜的控制参数，所制作产品满足诸多印制板性能标准。

样品评估所采用仪器主要有扫描电子显微镜（SEM）、X射线能量色散光谱仪（EDX）、X射线测厚仪、恒温恒湿箱、硬度测试仪、冷热冲击试验机、回流焊炉、锡炉等。

2.2 试验结果

2.2.1 pH对合金中钯含量的影响

镀液pH在5.0～5.5范围内，合金镀层中钯含量最低，随着pH的降低，钯含量呈较为明显的上升趋势（图3）。由此可以看出，镀液pH稳定控制对镀层质量影响明显，过低的pH会导致镀层中钯含量过高并超出控制范围，且加剧钯的消耗，属关键控制因子。

2.2.2 光剂浓度对合金中钯含量的影响

随着镀液中光亮剂浓度的提高，所镀合金镀层中钯含量均可控制在范围内，钯含量有较为明显的下降趋势。同时，基于光剂是一种有机物，其分解物可能对镀液形成有机污染物，故浓度不宜控制过高（如图4）。

表1 镀钯、镀钯镍合金、镀硬金三种工艺比对

图2 镀钯镍工艺流程图

图3 pH对镀层钯含量的影响

2.2.3 钯浓度对合金中钯含量的影响

随着镀液中钯离子浓度升高，合金镀层中钯含量有明显上升趋势，在钯离子浓度为2.5 g/L时，钯含量比例仅为65%左右，低于钯含量下限要求，当钯离子浓度为10 g/L时，则高于要求。因此，钯浓度控制在一定范围内，对镀层质量的保障较为关键，属关键控制因子（如图5）。

2.2.4 镍浓度对合金中钯含量的影响

在镀液中镍离子浓度较低情况下，合金镀层中钯含量高达93.6%；镍离子从7 g/L逐渐升高至12 g/L后，其钯含量虽然下降至正常水平的80%，但降低趋势不明显。即要保证钯含量在正常的75～85%之间，镍离子浓度不宜过低，否则钯含量过高，且加剧钯盐消耗，镀液中中正常的镍离子浓度控制，对钯含量影响不明显（如图6）。

2.2.5 电流密度对合金中钯含量的影响

随着电流密度的增加，合金镀层中钯含量明显下降。电流密度为1 A/dm2时，钯含量比例刚好位于中值；电流密度为0.5 A/dm2、2.0 A/dm2时，钯含量相对临界；当电流密度升高至4 A/dm2时，钯含量明显超出下限限值。从镀层外观看，随着电流密度的逐渐升高，镀层光亮度逐渐增加，电镀速率呈现明显的上升趋势。综合镀层质量、生产效率，最佳电流密度范围为1.0～2.0 A/dm2（如图7）。

图4 光剂浓度对镀层钯含量的影响

图5 钯离子浓度对镀层钯含量的影响

图6 镍离子浓度对镀层钯含量的影响

图7 电流密度对镀层钯含量的影响

3 钯镍合金层性能测试

基于以上试验，最终确定了最佳的镀液pH、光剂、钯浓度、镍浓度、电流密度等参数的过程控制范围，实现合金镀层中钯含量的稳定控制，从而保证镀层质量的稳定性。

在长期量产过程，通过各项品质项目监控（如表2所述）、以及钯镍合金镀层结晶微观SEM 表征检查（如图8所述），均满足标准要求。

表2 优化后的镀钯镍量产过程中的品质监控项目及其结果

图8 钯镍合金镀层结晶微观SEM表征，表面（A）及其横截面（B）

4 结论

本文针对一款环境友好的无氨无氯钯镍合金电镀液进行了系列研究，试验评估了镀液pH、光剂、钯浓度、镍浓度、电流密度等生产参数对其镀层合金中钯含量这一重要品质监控项目的影响，找出了关键因子pH、钯浓度与电流密度。在试验优化的参数范围控制下，确保了钯镍合金镀层钯含量稳定控制在75%～85%范围内，从而保证镀层质量的长期稳定可靠，实现该工艺在印制电路板加工中的量产化应用。