電鍍高溫鎳在卷對(duì)卷連續(xù)電鍍中的應(yīng)用性能綜合評(píng)價(jià)

董昌林

（富士康科技集團(tuán)富頂精密組件(深圳)有限公司，廣東 深圳 518110）

電鍍高溫鎳在卷對(duì)卷連續(xù)電鍍中的應(yīng)用性能綜合評(píng)價(jià)

董昌林

（富士康科技集團(tuán)富頂精密組件(深圳)有限公司，廣東 深圳 518110）

對(duì)比了3種高溫鎳藥水對(duì)電子連接器端子純錫鍍層和焊腳薄金層高溫焊接變色的改善效果，從中選取了一種最佳的高溫鎳藥水。量化評(píng)價(jià)了該高溫鎳藥水與高速連續(xù)電鍍中普通鎳藥水在電流密度、電流效率、沉積速率、分散能力、覆蓋能力、金屬雜質(zhì)容忍度以及環(huán)保性能方面的差異及兼容性，表征了兩種鎳藥水一起連續(xù)電鍍生產(chǎn)時(shí)的抗干擾性與所得鍍鎳層的最佳膜厚比以及耐蝕性、延展性和結(jié)合力。

卷對(duì)卷連續(xù)電鍍；電鍍高溫鎳；純錫鍍層；薄金層；焊接；回流；變色

筆者所在公司的電子接插件金屬零件均采用無(wú)鉛制程的卷對(duì)卷連續(xù)電鍍工藝進(jìn)行生產(chǎn)，一些鍍錫電子插接件產(chǎn)品在過(guò)高溫焊接后出現(xiàn)錫層變色的問(wèn)題，還有一些連接器端子電鍍薄金的焊腳部位沾錫膏過(guò)高溫焊接后也發(fā)生金層變色。變色過(guò)程都是由銀白色變?yōu)辄S色，最后呈藍(lán)紫色。筆者前期研究[1]發(fā)現(xiàn)，電子連接器插接件錫層變色的原因是表面氧化，解決的方法有：改善錫層組織結(jié)構(gòu)，涂覆后保護(hù)劑，改善回流錫環(huán)境，電鍍普通鎳后增加一道高溫鎳電鍍工藝。經(jīng)大量試驗(yàn)研究，認(rèn)為采用最后一種方法可以有效改善變色問(wèn)題。本文先對(duì)比了3種高溫鎳藥水對(duì)改善錫層和薄金層過(guò)高溫焊接變色的效果，再對(duì)其中防變色效果最佳的高溫鎳藥水的綜合性能進(jìn)行評(píng)估。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 卷對(duì)卷連續(xù)電鍍工藝

變色試樣包含鍍錫試樣和鍍金試樣兩類。鍍錫試樣是電子連接器傳遞數(shù)據(jù)信息接口的插接件，其主要制程為：電鍍普通鎳(10 A/dm2，1.25 ～ 2.50 μm，下同)→電鍍純錫(10 A/dm2，2.5 ～ 5.0 μm)→后處理。鍍金試樣是電子產(chǎn)品固定電池及導(dǎo)電接觸點(diǎn)或線路板之間連接的插接件，其主要制程為：電鍍普通鎳→電鍍金(5 A/dm2，0.075 ～ 0.150 μm)→封孔。

電鍍鎳采用麥特隆化工有限公司提供的氨基磺酸鎳藥水和含硫鎳陽(yáng)極板，配方和工藝為：總鎳(Ni2+)100 g/L，硼酸45 g/L，氯化鎳13 g/L，高速半光鎳添加劑30 mL/L，pH 3.8 ～ 4.2，溫度(60 ± 2) °C。

電鍍錫采用永?；び邢薰咎峁┑耐榛撬峒冨a藥水和純錫陽(yáng)極板，配方和工藝為：烷基磺酸錫45 g/L，70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))烷基磺酸150 mL/L，WA濕潤(rùn)劑80 mL/L，光亮劑5 mL/L，擴(kuò)展劑RX 5 mL/L，穩(wěn)定劑SB 5 mL/L。

電鍍金采用美泰樂(lè)化工有限公司提供的酸性鍍金液，采用鉑金鍍金罩頭為陽(yáng)極，配方和工藝為：Au+2 ～ 6 g/L，添加劑0.5 g/L，開(kāi)缸鹽150 g/L，pH 4.4 ～ 4.7(采用檸檬酸調(diào)節(jié))，波美度10 ～ 25 °Bé。

1.2 性能評(píng)價(jià)和檢測(cè)方法

1.2.1 過(guò)高溫回流焊(IR)試驗(yàn)

將Ni/Sn樣品直接過(guò)高溫IR爐，空氣氛圍，在260 °C下烘烤10 s，反復(fù)過(guò)3次，觀察試樣的變色情況。Ni/Au樣品則是沾錫膏后再在相同條件下過(guò)高溫IR。

1.2.2 鍍液性能

1.2.2.1 有效電流密度范圍

采用267 mL赫爾槽，以100 mm × 65 mm × 0.2 mm的雙面拋光黃銅片作為陰極，65 mm × 57 mm × 3 mm的含硫鎳板作為陽(yáng)極，在5 A下電鍍2 min，洗凈后用熱風(fēng)機(jī)吹干，采用電流密度標(biāo)尺測(cè)量赫爾槽試片光亮鍍層區(qū)域，得到光亮電流密度范圍。

1.2.2.2 陰極電流效率和沉積速率

陰極電流效率η采用銅庫(kù)侖法測(cè)定，沉積速率采用Fischer XMDVM-T7.1-W測(cè)厚儀測(cè)定，操作參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

1.2.2.3 分散能力

取1.2.2.1所得赫爾槽試片，分別測(cè)高電流密度區(qū)12.0 A/dm2的鍍層厚度δH(單位μm)與低電流密度區(qū)1.5 A/dm2的鍍層厚度δL(單位μm)，按式(1)計(jì)算分散能力φ。φ 越小，代表分散能力越好。

1.2.2.4 覆蓋能力

采用內(nèi)孔法，陰極為長(zhǎng)100 mm、內(nèi)徑10 mm、壁厚1 mm的黃銅管。試驗(yàn)時(shí)，將一端管口封閉而形成盲孔管，水平懸掛于鍍槽中，封閉端靠近鍍槽壁，開(kāi)口端正對(duì)陽(yáng)極。在10 A/dm2下電鍍10 min，洗凈、吹干，將銅管縱向切開(kāi)，測(cè)量?jī)?nèi)壁鍍層的長(zhǎng)度l，計(jì)算l和管徑d的比值L/d，以評(píng)價(jià)鍍液的覆蓋能力。

1.2.2.5 無(wú)機(jī)雜質(zhì)容忍度

卷對(duì)卷連續(xù)電鍍的基材主要是不銹鋼和銅。在電鍍生產(chǎn)過(guò)程中，工件可能會(huì)有部分掉落于槽液，生成Fe3+和Cu2+雜質(zhì)，而且影響鍍層外觀、結(jié)合力和耐腐蝕性能。在新配的鍍鎳液中分別加入不同質(zhì)量濃度的Cu2+和Fe3+，在5 A下進(jìn)行赫爾槽試驗(yàn)1 min，觀察鍍層外觀。赫爾槽試片出現(xiàn)高區(qū)發(fā)霧或低區(qū)發(fā)暗時(shí)的Fe3+質(zhì)量濃度即評(píng)定為最大Fe3+雜質(zhì)容忍度，赫爾槽試片出現(xiàn)低區(qū)發(fā)黑時(shí)的Cu2+質(zhì)量濃度評(píng)定為最大Cu2+雜質(zhì)容忍度[2]。

1.2.2.6 環(huán)保性能

取一定體積的開(kāi)缸鍍鎳液，按GB/T 11893–1989《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》測(cè)總磷，要求鍍液中總磷符合GB 8978–1996規(guī)定的總磷＜0.5 mg/L的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。按GB/T 11914–1989《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸鹽法》測(cè)CODCr。由于電鍍生產(chǎn)線并不直接排放鎳鍍液，而是排放鍍鎳清洗水，因此只要求鍍鎳清洗水的CODCr符合GB 21900–2008中“表2”規(guī)定的＜80 mg/L的要求。按GB/T 26125–2011《電子電氣產(chǎn)品 六種限用物質(zhì)(鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯和多溴二苯醚)的測(cè)定》，測(cè)鍍液中6種限用物質(zhì)的含量。

1.3 鍍層性能

1.3.1 耐蝕性

取2片20 mm × 20 mm的黃銅，分別電鍍普通鎳和高溫鎳1 min，另取1片相同尺寸的黃銅，先電鍍普通鎳40 s，再電鍍高溫鎳20 s。按ASTM G85-2002e1 Standard Practice for Modified Salt Spray (Fog) Testing進(jìn)行中性鹽霧(NSS)試驗(yàn)，溫度(35 ± 2) °C，相對(duì)濕度＞95%，pH 6.5 ～ 7.2，每80 cm2的降霧量為1 ～ 2 mL/h，連續(xù)噴霧，記錄出現(xiàn)紅銹的時(shí)間。

1.3.2 結(jié)合力

將深圳市新龍泉有限公司的Scotch 600 1ROLL纖維黏膠帶(粘接力8 kg)粘附在厚度≥1.25 μm、面積≥30 mm2的鍍層上，用1 kg重的橡皮滾筒滾壓，以除去粘接面內(nèi)的空氣泡。間隔10 s后，用10 kg左右、垂直于鍍層的拉力將膠帶剝離，若鍍層無(wú)剝離，則說(shuō)明結(jié)合力好。

1.3.3 延展性

參照?qǐng)A心軸彎曲法，將帶有鍍層的寬10 mm、厚1 mm的細(xì)帶狀黃銅試片(鎳鍍層厚度2 ～ 3 μm)置于芯軸上彎曲。根據(jù)使鍍層不產(chǎn)生破裂時(shí)的最小芯軸直徑d(單位mm)，按式(2)計(jì)算延展率D。

式中δ為基體和鍍層的總厚度(mm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫鎳藥水的篩選

選取3個(gè)廠商提供的高溫鎳藥水，分別編號(hào)為A、B、C。電鍍錫或薄金前，先對(duì)黃銅片電鍍普通鎳30 s，再電鍍高溫鎳30 s，電流密度均為10 A/dm2，所得試樣過(guò)高溫IR 3次，變色情況見(jiàn)表1、圖1和圖2?？梢?jiàn)，單獨(dú)采用普通鎳藥水時(shí)，所得Ni/Sn和Ni/Au試樣都發(fā)生嚴(yán)重變色(見(jiàn)圖1a和圖2a)。采用3種高溫鎳藥水都能夠防止錫鍍層過(guò)高溫IR變色(見(jiàn)圖1b)，然而只有高溫鎳藥水A能夠明顯提升鍍金層的抗高溫變色性能。因此后續(xù)采用鍍普通鎳+鍍高溫鎳A +鍍錫或鍍金的電鍍制程。

表1 采用不同鎳藥水時(shí)所得樣品經(jīng)高溫IR后的變色情況Table 1 Discoloration state of the samples obtained from different nickel plating baths after high-temperature IR

圖1 Ni/Sn試樣過(guò)高溫IR后的照片F(xiàn)igure 1 Photos of Ni/Sn samples after IR at high temperature

圖2 Ni/Au試樣過(guò)高溫IR后的照片F(xiàn)igure 2 Photos of Ni/Au sample after IR at high temperature

2.2 高溫鎳藥水的性能

高溫鎳藥水A由香港得力化工有限公司提供，配方為：Ni2+100 g/L，硼酸45 g/L，氯化鎳13 g/L，F(xiàn)FP光亮劑5.0 mL/L，TS II防變色劑25 mL/L，HN-5潤(rùn)濕劑2.0 mL/L，pH 2.0 ～ 3.0，溫度(60 ± 2) °C。以下對(duì)高溫鎳藥水A和普通鎳藥水進(jìn)行對(duì)比分析，以綜合量化評(píng)估兩種鍍鎳藥水在卷對(duì)卷連續(xù)電鍍生產(chǎn)中的差異和兼容性。

2.2.1 基本性能

從表2可知，高溫鎳鍍層的外觀比普通鎳鍍層稍差，光亮電流密度下限和對(duì)雜質(zhì)的容忍度也不如普通鎳。將高溫鎳藥水中的Ni2+質(zhì)量濃度提升至120 g/L，F(xiàn)FP光亮劑的體積分?jǐn)?shù)調(diào)至7.5 mL/L時(shí)，高溫鎳的赫爾槽試片外觀和光亮電流密度范圍就與普通鎳基本相近。因此在電鍍生產(chǎn)過(guò)程中，通常將高溫鎳藥水的Ni2+和FFP光亮劑的用量分別控制在110 ～ 130 g/L和5 ～ 10 mL/L的范圍內(nèi)。

表2 高溫鎳A和普通鎳的鍍液性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of high-temperature nickel A bath and common nickel plating bath

2.2.2 環(huán)保性能

表3列出了高溫鎳藥水A和普通鎳藥水中6種限用物質(zhì)的含量(ND表示未檢出)，可見(jiàn)普通鎳和高溫鎳A均不存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。雖然兩種鍍鎳溶液的CODCr均高于80 mg/L，但其清洗水的CODCr均低于80 mg/L，也不超標(biāo)。

表3 高溫鎳和普通鎳A鍍液的環(huán)保性能Table 3 Indexes for evaluating the environmental friendliness of high-temperature nickel A bath and common nickel plating bath

2.3 高溫鎳鍍層厚度對(duì)錫層和金層抗變色效果的影響

卷對(duì)卷連續(xù)高速電鍍生產(chǎn)線中導(dǎo)入高溫鎳電鍍是為了防止電子連接器接插件鍍錫層或鍍薄金層粘錫膏過(guò)高溫IR后變色，并不會(huì)影響整個(gè)鍍層的外觀和性能，但還需進(jìn)一步評(píng)估高溫鎳層厚度對(duì)錫層和金層抗高溫變色性能的影響，以便在生產(chǎn)成本盡可能低的前提下保證防變色效果。因此以20 mm × 20 mm的黃銅片為基體，在10 A/dm2下電鍍1.25 μm厚的普通鎳后，再分別電鍍厚度為0.25、0.50、0.75、1.00和1.25 μm的高溫鎳層，最后電鍍錫層或金層。過(guò)高溫IR試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除了只鍍普通鎳而未鍍高溫鎳的樣品過(guò)IR爐后發(fā)生變色外，其余增加高溫鎳的Ni/Sn和Ni/Au樣品均未發(fā)生變色。這說(shuō)明即使高溫鎳層僅有0.25 μm厚，也可起到防止錫過(guò)高溫IR和薄金粘錫膏過(guò)高溫IR后變色的效果。電子連接器插接件產(chǎn)品的鍍鎳層厚度一般為1.25 ～ 2.50 μm，高溫鎳與普通鎳的鍍層厚度按1∶4的比例電鍍，即可兼顧卷對(duì)卷連續(xù)高速電鍍藥水的生產(chǎn)效率和成本，解決了連接器端子電鍍錫或鍍金焊腳粘錫后過(guò)IR爐后變色問(wèn)題。

2.4 兩種鎳藥水用于連續(xù)電鍍時(shí)的干擾驗(yàn)證

在卷對(duì)卷高速連續(xù)電鍍線上，高溫鎳工站設(shè)計(jì)在普通鎳工站之后，因此有必要驗(yàn)證普通鎳鍍液帶入高溫鎳工站時(shí)對(duì)鍍層性能的影響。由于普通鎳和高溫鎳的主要成分相同，只是添加劑有區(qū)別，因此可通過(guò)向高溫鎳鍍液中添加普通鎳的添加劑來(lái)研究普通鎳鍍液被帶入高溫鎳藥水中時(shí)對(duì)高溫鎳鍍層外觀和抗高溫變色性能的影響。具體試驗(yàn)為：在高溫鎳鍍液中分別加入2、4、6、8、10、12、14和16 mL/L普通鎳添加劑，以100 mm × 65 mm × 0.2 mm的雙面拋光黃銅片作為基材，在5 A/dm2下施鍍2 min，洗凈后用熱風(fēng)機(jī)吹干，觀察過(guò)高溫IR后Ni/Sn和Ni/Au樣品的變色情況，結(jié)果無(wú)一樣品發(fā)生變色，說(shuō)明高溫鎳鍍液中普通鎳的帶入對(duì)Ni/Sn和Ni/Au樣品的抗高溫變色能力無(wú)影響。

3 結(jié)論

該高溫鎳電鍍工藝自2013年經(jīng)實(shí)驗(yàn)室評(píng)估再導(dǎo)入卷對(duì)卷高速連續(xù)電鍍生產(chǎn)線后，迅速擴(kuò)展到本廠所有連接器過(guò)IR爐防變色產(chǎn)品的電鍍生產(chǎn)線，在實(shí)際生產(chǎn)管理過(guò)程中穩(wěn)定性良好，產(chǎn)品合格率達(dá)100%。此項(xiàng)工藝的開(kāi)發(fā)應(yīng)用填補(bǔ)了該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外空白，如今已擴(kuò)展到昆山、淮安、重慶、鄭州等10多個(gè)國(guó)內(nèi)及巴西、越南等國(guó)外廠區(qū)的電鍍生產(chǎn)線，完全能滿足業(yè)界電子連接器生產(chǎn)廠商對(duì)電子產(chǎn)品高溫焊接防變色效果的質(zhì)量要求。

[1] 董昌林.電子連接器表面錫層高溫焊接變色原因分析[J].電鍍與涂飾, 2017, 36 (13): 696-700.

[2] 楊希明.卷對(duì)卷連續(xù)電鍍半光亮鎳添加劑的綜合性能評(píng)價(jià)[J].電鍍與涂飾, 2017, 36 (7): 364-368.

[ 編輯：周新莉 ]

Comprehensive evaluation of performance of high-temperature nickel electroplating applied to reel-to-reel continuous electroplating

DONG Chang-lin

The improvement effectiveness of three kinds of high-temperature nickel electroplating bath on discoloration of pure tin coating on electronic connector terminal and thin gold coating on welding foot after welding at high temperature was compared and the optimal bath was selected.The performance differences and compatibility of the selected hightemperature nickel bath and the common nickel electroplating bath applied to rapid reel-to-reel electroplating in terms of current density, current efficiency, deposition rate, throwing power, covering power, metallic impurity tolerance and environmental friendliness were quantitatively evaluated.The anti-interference ability for high-temperature nickel electroplating bath to common nickel electroplating bath when both of them are successively applied to production and the optimal coating thickness, corrosion resistance, ductility and adhesion strength of the obtained nickel coating were characterized.

reel-to-reel electroplating; high-temperature nickel electroplating; pure tin coating; thin gold coating, welding; reflow; discoloration

FUDING Precision Components (Shenzhen) Co., Ltd., Foxconn Technology Group, Shenzhen 518110, China

TQ153.12; TG178

A

1004 – 227X (2017) 15 – 0818 – 05

10.19289/j.1004-227x.2017.15.005

2017–04–24

2017–07–19

董昌林（1969–），男，湖北麻城人，本科，工程師，主要從事電子接插件表面處理工藝技術(shù)研發(fā)及生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) cl13049847568@163.com。