插頭鍍金線鍍層厚度計(jì)算模型研究

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(jì)作為插拔的接觸點(diǎn)，以實(shí)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(shí)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(yùn)用邏輯分析和數(shù)學(xué)思維，結(jié)合試驗(yàn)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(jì)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(shí)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(gè)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(shí)，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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)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(shí)從大量實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)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(shí)金屬的物質(zhì)的量，n為電極反應(yīng)終止時(shí)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(jì)量數(shù)，如在式（1）、式（2）中，金屬鎳和金的化學(xué)計(jì)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(shí)，通過電極的電量（Q）與電極反應(yīng)終止時(shí)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(shí)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(shí)間（t）與傳統(tǒng)的靜置浸浴電鍍工藝通電時(shí)間（t）有所差異。

插頭鍍金線電鍍反應(yīng)時(shí)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(jì)算模型如式（11）。

4 電流效率的計(jì)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(shí)，通常不只發(fā)生一個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)，實(shí)際獲得的產(chǎn)物質(zhì)量（m實(shí)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(shí)驗(yàn)證明，電鍍液的ηK均小于100%，因?yàn)榘殡S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(shí)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(gè)特制的電量計(jì)（又叫庫侖計(jì)）。若用電量計(jì)測定電流效率，那么電量計(jì)需具備以下3個(gè)條件：

（1）所選用測量電量的裝置中的電極反應(yīng)只有一個(gè)，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(gè)條件相對苛刻，在實(shí)際PCB電鍍鎳和電鍍金過程中往往難以找到合適的電量計(jì)去測定其電流效率。但從鍍層厚度（T）的理論計(jì)算模型式（11）可以看出，在L、S一定時(shí)，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(jì)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(shí)，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(jì)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(jì)算出理論鍍鎳層厚度TNi理論；同時(shí)通過試驗(yàn)結(jié)果，采用X-ray厚度測量儀測量出實(shí)際鍍鎳層厚度TNi實(shí)際。如下表1所示為鍍鎳電流效率試驗(yàn)結(jié)果：

從表1鍍鎳電流效率計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)算出理論鍍金層厚度TAu理論；同時(shí)通過試驗(yàn)結(jié)果，采用X-ray厚度測量儀測量出實(shí)際鍍金層厚度TAu實(shí)際。如表2所示為鍍金電流效率試驗(yàn)結(jié)果。

從表2鍍金電流效率計(jì)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(shí)際鍍金層厚度可以用式（17）表示。

表1 鍍鎳電流效率試驗(yàn)結(jié)果

表2 鍍金電流效率試驗(yàn)結(jié)果

5 試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)，分別按照上面的式（15）和式（17）推算鍍鎳層和鍍金層的實(shí)際厚度，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3可以看出，通過鍍層厚度實(shí)際計(jì)算模型得到的鍍層厚度計(jì)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(shí)際插頭鍍金線對鍍層厚度的計(jì)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(yàn)結(jié)果表明，上式（15）和式（17）關(guān)于插頭鍍金線鍍層厚度實(shí)際計(jì)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(xiǎn)，也為插頭鍍金線鍍層厚度計(jì)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(yàn)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].

[3]袁詩璞. 電鍍液的電流效率[J]. 電鍍與涂飾, 2009,2,第28卷, 第2期.

[4]梁時(shí)駿等. 電鍍層厚度的簡便計(jì)算[J]. 電鍍與精飾,1991,11,第13卷 第6期,（總81期）.

[5]覃奇賢等. 電鍍液的電流效率及其測定方法[J]. 電鍍與精飾, 2008, 4, 第30卷 第4期（總181期）.