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      技術論文

      無氰鍍金工藝的實踐

      日期:2014-07-03  閱讀:() 

      無氰鍍金工藝的實踐

      深圳市榮偉業電子有限公司高林軍 丁啟恒

      摘 要:本文介紹了一種新的不含游離氰的無氰鍍金工藝,以及相關的無氰化學鍍金工藝特色,包括鍍層結構致密,結晶均勻、槽液穩定,雜質容忍度高,過程更環保。與無氰沉金工藝相似,該工藝的生產技術成熟、管理措施齊全、金鹽供應充足、對不同客戶的適應性強,有望成為替代傳統有氰工藝的技術。

      關鍵詞:無氰、鍍金、工藝

      The practice of cyanide-free Plated gold process and it was writed by Gao linjun and Ding qiheng

      Abstract: This paper introduces a new cyanide-free gold process, and related characteristics of cyanide-free plated gold, including dense structure, coating very uniform ,bath stability, high tolerance of impurities, the process is environmentally friendly. As same as cyanide-free Immersion Gold process ,which is production technology is mature, management measures are complete, gold salts supply are enough, adaptability to different customers, which can Instead  the normal cyanide process .

      Key words: cyanide-free 、Planted Gold、 Process

      1、前言

      原國家經貿委200262日發布的第32號令,將“含氰電鍍”列入《淘汰落后生產能力,工藝和產品的目錄》(第三批)23項,限令2003年底淘汰。20031226日,國家發改委公布產業結構調整指導目錄(征求意見稿),“含氰電鍍”位列“淘汰類”第182項。在“32號令”頒布之后,盡管全國各地電鍍協會通過各種形式,及時反映了電鍍行業的合理化建議,“指導目錄”仍將含氰電鍍工藝列入到淘汰類中,顯示了政府淘汰“含氰電鍍”的決心。因為當時PCB電鍍工藝能力達不到無氰要求,20071030日國家發改委主作馬凱和商務部長薄熙來發布57號令,含氰電鍍金、銀、銅基合金及預鍍銅打底工藝暫緩淘汰。

      從科學發展的角度來看,氰化金鉀產品已經不適應現代電子產業未來發展趨勢,也不符合安全發展、綠色發展、和諧發展的理念。氰根極毒,國家早就號召推廣無氰電鍍,在PCB 行業,多個鍍種(Cu,Ni,Sn...)己淘汰氰化物,唯一剩下的有氰鍍種---鍍金、沉金。為此,2009年本項目合作組開發了一套不含游離氰根的金鹽、沉金藥劑配方、以及相關的無氰沉金工藝,并成功地應用到實際PCB 生產中,解決了無氰沉金的難題。本文論述為含游離氰根的金鹽、鍍金添加劑配方、以及相關的無氰鍍金工藝。

         本產品可替代氰化金鉀添加劑及鍍金工藝。本項目由深圳榮偉業電子有限公司自主研究。

      2、原理

      本研究中所用的無氰金鹽及無氰鍍金添加劑均由深圳榮偉業電子有限公司自主研制。無氰鍍金添加劑在有氰鍍金添加劑的基礎上,將產品中的氰化物使用另外一種不含氰的絡合劑替代,而不改變鍍層自身屬性。達到完全可以替代現有有氰鍍工藝的目的。

      檸檬酸金鉀體系電鍍金工藝過程中的化學反應:

        一水合檸檬酸一鉀二(丙二氫合金(I))的分子式為KAu2N4C12H11O8。在鍍金工藝過程中,由于Au+離子與丙二腈、檸檬酸根離子形成穩定的復合絡合物。但是隨著Au+離子不斷沉積,游離出的丙二腈在酸性或堿性條件下將發生水解,形成完全無毒、溶于水的物質。

      3、無氰鍍金工藝

      自主開發了的一種配套無氰金鹽專用的添加劑RW-600R,與傳統的有氰化學沉金工藝相近的生產工藝,并在實際生產中得到了認可。

       

       

       

       

      3.1 工藝流程

       

      組成與條件

      范圍

      標準

      備注

      除油

      RW-213

      8-12%

      10%

       

      微蝕

      NPS

      80-120g/L

      100g/L

       

      H2SO4

      3-5%

      4%

       

      鍍銅

      CuSO4.5H2O

      60-80g/L

      70g/L

       

      H2SO4

      80-120ml/L

      100ml/L

       

      CL-

      40-80PPM

      60PPM

       

      RW-PSM

      3-7ml/L

      5ml/L

       

      水洗

      /

      /

      /

       

      預浸

      H2SO4

      3-5%

      4%

       

      硫酸鎳

      硫酸鎳

      250350g/L

      300 g/L

       

      氯化鎳

      3550 g/L

      45 g/L

       

      硼酸

      3050 g/L

      40 g/L

       

      溫度

      5060

      55

       

      PH

      3.84.5

      4.2

       

      啞亮鍍鎳光亮劑

      610 ml/L

      8 ml/L

       

      啞亮鍍鎳潤濕劑

      12ml/L

      1.0 ml/L

       

      陰極電流密度

      0.57A/d

      2.5 a/d

       

      無氰鍍金

      RW-600R

      金(Au

      0.81.2g/L

      1g/L

      不含氰化物

      PH

      3.84.4

      4.2

      比重

      1012波美

      11波美

      溫度

      4060

      50

      濃度

      絡合劑

      1-3%

      添加量

      100g金鹽/250ml

      100g金鹽/250ml

      有氰鍍金

      金(Au

      0.81.2g/L

      1g/L

      含氰化物

      PH

      3.54.2

      4

      比重

      1012波美

      11波美

      溫度

      4060

      50

      濃度

      絡合劑

      1-3%

      添加量

      100g金鹽/250ml

      100g金鹽/250ml

      RW-600R無氰鍍金添加劑是專為適應行業清潔生產、實現電鍍無氰化所新開發的一種工藝,它適用于無氰金鹽的電鍍液(金鹽是檸檬酸金鉀)。其鍍層鍍層厚度均勻、孔隙率低、焊錫性佳。

      小結:無氰鍍金與有氰鍍金工藝流程相同點是:工藝控制簡單、易于為員工接受、設備兼容。

      無氰鍍金與有氰鍍金工藝不同點在于:

      1.鍍層均勻性高;

      2.雜質容忍度高;

      3.鍍層結構致密;

      4.不含氰化物,更環保;

      5.操作條件無氰鍍金工藝PH值略高于有氰鍍金工藝。(有氰鍍金PH3.5-4.2,無氰鍍金PH3.8-4.4)

       

       

      3.2 工藝特性

      3.2.1 兩種金鹽的沉積厚度

      條件:使用RW-600R 添加劑,同樣的金濃度下測量如下結果:

      無氰金 氰化金鉀金

      電鍍時間

      有氰鍍金

      無氰鍍金

      參數

      20-40S

      0.025um

      0.022um

      0.2-0.3A/dm2

      40-60S

      0.05um

      0.048um

      0.2-0.3A/dm2

      金缸時間

       

      金厚um

       

      金厚um

      無氰鍍金具有沉積速率稍慢的特點,容易控制金厚達到要求。目前為止無氰鍍薄金最厚的鍍層厚度在0.05um 以內,鍍厚金及鍍硬金技術正處于研發中。

      3.2.2 兩種金鹽的金厚分布

      條件:前處理使用1000#磨刷,使用本文敘述的藥水及3.1 工藝流程參數,鍍金時間為40S,參數為0.2A/dm2

      測試兩塊板各8組數據分析如下。(使用X-Ray 測量)

      1 2 3 4 5 6 7 8 均值 標準差

      序號

      有氰鍍金

      無氰鍍金

      備注

      1

      0.025

      0.024

       

      2

      0.028

      0.025

       

      3

      0.024

      0.024

       

      4

      0.028

      0.023

       

      5

      0.023

      0.022

       

      6

      0.025

      0.025

       

      7

      0.027

      0.024

       

      8

      0.023

      0.024

       

      平均值

      0.0253

      0.0238

       

      標準差

      0.002

      0.001

       

      由上面的數據為無氰鍍金,標準差σ=0.001.而同樣的有氰鍍金標準差σ=0.002。表明有氰鍍金測量結果偏差較無氰鍍金大。故而可知無氰鍍金較有氰鍍金均勻性好。

      3.2.3雜質的容忍度

                條件:在實驗室中打赫氏片,其中的銅雜質以CuSO4的形式添加,鎳雜質以CuSO4的形式添加。)

       

      有氰鍍液結果

      無氰鍍液結果

      雜質含量

      300ppm

      鍍層出現黃金色,比較均勻

      鍍層出現黃金色,比較均勻

      400ppm

      鍍層高電區出現發灰發紅,已不均勻

      鍍層出現黃金色,比較均勻

      500 ppm

      鍍層高低電區出現發灰發暗,已不均勻

      鍍層高低電區出現發灰發暗,已不均勻

       

       

       

       

       

       

           

       

       

       

       

       

       

       

      在銅雜質含量在400ppm時,無氰鍍液未出現異常,有氰鍍液在300ppm時未出現異常。

       

       

      有氰鍍液結果

      無氰鍍液結果

      雜質含量

      500ppm

      鍍層結晶細致,色澤均勻基本無不良影響

      鍍層結晶細致,色澤均勻基本無不良影響

      900ppm

      鍍層結晶細致,色澤均勻基本無不良影響

      鍍層結晶細致,色澤均勻基本無不良影響

      1000ppm

      鍍層高電區出現發灰發黑

      鍍層高低電區出現發灰發黑

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

      在鎳雜質含量在1000ppm時,無氰鍍液及有氰鍍液均出現異常。

      小結:故無氰鍍液的銅雜質容忍度高于有氰鍍液。

      3.2.4鍍層結構致密性

      3.2.4.1無氰鍍金產品的孔隙率

         檢測條件:參照IPC-TM-650 2.3.24.2 覆銅箔板上鍍金層和鍍鎳層的孔隙率測試。

      試驗方法:先用三氯乙烷溶液清洗樣品表面,然后將樣品置于硝酸蒸汽中 1 小時(硝酸的濃度為69.0%~71.0%,預先放置在密封缸中 30 分鐘)取出樣品并將其置于濃度為 10%的氫氧化鈉溶液中 25~30 秒。取出樣品并將其置于硫化鈉溶液中 25~30 秒(硫化鈉溶液須提前穩定24 小時使其達 到飽和)。取出樣品并觀察其表面是否有異常。

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       


         未發現黑點               未發現黑點                 未發現黑點                  未發現黑點

      3.2.4.2有氰鍍金產品的孔隙率

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       


      未發現黑點               未發現黑點                 未發現黑點               未發現黑點

      小結:說明鍍層未發現空洞,效果與有氰鍍金相同。

       

      3.2.5.2SEM圖片

        無氰金金面圖片                                     有氰金金面圖片

       

       
       

       

       

       

       

       

       

       

       

       


      SEM圖片下觀察無氰鍍金金面比較均勻平整。

       

      3.2.6成品外觀對比

       

       
       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       


      無氰鍍金成品                                    有氰鍍金成品

       

      小結,兩種產品在外觀上沒有明顯差異,可以滿足要求。

       

      3.2.7性能指標

      項目

      無氰鍍金產品

      Bonding性能測試

      2Bonding后檢查OK

      可焊性

      2453-5秒上錫OK

      兩次回流焊

      兩次IR無金面異色

      回流焊焊錫試驗

      放在0.4mm的焊錫球上,焊錫擴大1.3um以上

      金結構

      SEM檢查晶格緊密、均勻、沒有crack

      鹽霧實驗

      不允許有腐蝕現象

      孔隙率

      孔隙率≤5 /mm2(參考標準)

       

      3.3工藝特別注意事項

      3.3.1 注意事項

      無氰鍍金工藝,因其藥水體系與傳統的有氰沉金不同。故無氰金缸開缸藥水配方必須使用配套的開缸劑一同使用,方能達到效果。

      無氰鍍金工藝參數與傳統略有不同,開缸時需特別調整。從實踐的結果來看工藝基本能達到現有氰工藝的標準。

      3.3.2 常見問題處理

      問題描述

      可能原因

      處理方法

      金層本身之間出現分層

      1)鍍金前活化不足或底鎳層已鈍化
      2
      )槽液表面出現油漬或有機污染

      1A.確保底鎳層進入金槽的瞬間處于活性狀態。
      B.
      加強入槽前的清洗不可讓板面出現
      干面的情形。

      2A.仔細刮除表面浮油。
      B.
      活性碳處理。

      高電流密度區出現金層燒焦

      1)金含量太低
      2
      )槽液攪拌不足
      3
      )使用的電流太高
      4
      )有機污染

      1)根據分析結果添加金鹽。
      2
      )增加槽液的循環過濾攪拌。
      3
      )重新計算被鍍面積及考慮到其影響因素,將電流降到適當的范圍內。
      4
      )活性碳處理。

      高電流密度區的金層表面呈現暗紅色

      1)電流密度太高
      2
      )槽液溫度太低
      3
      )金含量太低

      1)重新計算被鍍面積及考慮其影響因素,適當的降低電流密度。
      2
      )按照工藝規范,提高槽液溫度至工藝范圍內。
      3
      )根據分析結果添加金鹽量。

      未能通過熱壓焊的拉力試驗

      1)金與其它金屬共沉積

      2)鍍金層的厚度不足

      3)有機污染

      1)應向供應商提出并進行改進。
      2
      )增加鍍金時間。
      3
      )活性碳處理。

      印制電路鍍金表面粗糙

      1)底鎳或底銅粗糙

      2)鍍液中出現固體粒子

      1)按鍍銅或鍍鎳資料進行處理。
      2
      )增加循環過濾或采用活性碳處理。

      鍍液的分散能力太差

      鍍液的比重太低

      根據分析結果添加導電鹽。

      金層出現麻點

      底鎳層原有麻點

      確保鍍鎳層的表面質量。

      印制電路鍍金過程中阻焊層分離,金層滲入阻焊層底部

      1)經貼壓的膠帶或干膜不牢或阻焊層本身不耐鍍金液
      2
      )槽液中金含量太低,致使效率不足導致氫氣泡太多,造成金
      液滲入阻焊層底部
      3
      )電流密度太高產生氫氣泡太多,使氣泡鉆進阻焊層底部
      4
      )攪拌不足

      1)檢查貼膜或壓貼膠帶工序,特別是表面處理質量,以及阻焊層的性能。
      2
      )按照分析結果添加金鹽。
      3
      )適當的降低電流密度。
      4
      )加強攪拌趕走氫氣。

       

       

      4、無氰鍍金與有氰鍍金性能對比

      4.1毒性對比

      項目

      氰化亞金鉀

      檸檬酸金鉀

      無氰鍍金添加劑

      含金量

      68.3%

      51%

      /

      槽液含金量

      1g/L

      1g/L

      /

      毒性級別

      劇毒

      無毒

      無毒

      危險化學品級別

      6.1類劇毒化學品

      普通化學品

      普通化學品

      中國科學院廣州化學研究所分析檢測中心已對我司無氰鍍金添加劑進行過測試(報告編號QX101221-03

      4.2環保處理對比

      4.2.1 傳統化學鍍金缸廢水的環保處理方法:

      氰化物的傳統廢水處理原理為使用氧化劑使得CN 根離中破除為C N。氰化金鉀其特點是毒性大,作用快。它對人畜的危害極大,對人畜的神經系統、呼吸系統、消化系統、心血管系統等均有毒害。

      4.2.2 無氰鍍金缸廢水的環保處理方法:

      無氰鍍金鹽廢水環保處理就相對簡單,因無氰金鹽廢水不含氰根離子,普通處理后即可。對比氰化金鉀大大簡化了電鍍企業的廢水處理流程。

      4.3性能對比

      項目

      無氰鍍金產品

      有氰鍍金產品

      Bonding性能測試

      2Bonding后檢查OK

      2Bonding后檢查OK

      可焊性

      2453-5秒上錫OK

      2453-5秒上錫OK

      兩次回流焊

      兩次IR無金面異色

      兩次IR無金面異色

      回流焊焊錫試驗

      放在0.4mm的焊錫球上,焊錫擴大1.3um以上

      放在0.4mm的焊錫球上,焊錫擴大1.3um以上

      金結構

      SEM檢查晶格緊密、均勻、沒有crack

      SEM檢查晶格緊密、均勻、沒有crack

      孔隙率

      孔隙率≤5 /mm2(參考標準)

      孔隙率≤5 /mm2(參考標準)

           性能基本接近于現有有氰鍍金產品。

       

       小結:

      無氰鍍金工藝從生產角度和環保角度來講:工藝具備鍍層均勻性高、雜質容忍度高、鍍層結構致密等特點。實際操作更安全、廢水處理更簡單,現階段已有多家固定合作的線路板產進行試用,無氰鍍金工藝生產總面積超過30萬平米左右,生產工藝己成熟。(有東莞茂昌、深圳大通、深圳建明等客戶正在使用),無氰沉金工藝已生產總面積近100萬平方米左右(有深圳大通、惠州協昌、惠州東峰、汕頭永勝隆、深圳建達等客戶以及榮偉業深圳加工廠、湖南加工廠正在使用)。

      5、結束語

      伴隨PCB 行業及電鍍行業的不斷發展,無氰鍍種是事物優勝劣汰發展的一種必然結果。國家也大力支持無氰化。目前無氰電鍍、沉金工藝已趨于成熟,可以大力推廣,也符合國家清潔生產的要求。

      參考文獻:

      1) 張峰,肖耀坤無氰鍍金工藝及其展望(2007年全國電子電鍍學術年會暨綠色電子制造技術論壇論文集)

      2) 胡文成,無氰檸檬酸金鉀鍍金新技術應用及鍍層性能檢測[W],青島電鍍網(清潔生產工藝欄目)6,56-59

      作者簡介﹕

      高林軍:男﹐28 歲,大學???,從事PCB、工藝、研發、設計、管理七年多;先后在深圳景旺,深圳統信等公司任工程師、主任工程師等職務,現任深圳市榮偉業電子有限公司經理。

      丁啟恒:男﹐35 歲,大學本科,從事PCB、工藝、研發、設計、管理十余年;現任深圳市榮偉業電子有限公司技術總監。

       

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