电镀高温镍在卷对卷连续电镀中的应用性能综合评价

董昌林

（富士康科技集团富顶精密组件(深圳)有限公司，广东 深圳 518110）

电镀高温镍在卷对卷连续电镀中的应用性能综合评价

董昌林

（富士康科技集团富顶精密组件(深圳)有限公司，广东 深圳 518110）

对比了3种高温镍药水对电子连接器端子纯锡镀层和焊脚薄金层高温焊接变色的改善效果，从中选取了一种最佳的高温镍药水。量化评价了该高温镍药水与高速连续电镀中普通镍药水在电流密度、电流效率、沉积速率、分散能力、覆盖能力、金属杂质容忍度以及环保性能方面的差异及兼容性，表征了两种镍药水一起连续电镀生产时的抗干扰性与所得镀镍层的最佳膜厚比以及耐蚀性、延展性和结合力。

卷对卷连续电镀；电镀高温镍；纯锡镀层；薄金层；焊接；回流；变色

笔者所在公司的电子接插件金属零件均采用无铅制程的卷对卷连续电镀工艺进行生产，一些镀锡电子插接件产品在过高温焊接后出现锡层变色的问题，还有一些连接器端子电镀薄金的焊脚部位沾锡膏过高温焊接后也发生金层变色。变色过程都是由银白色变为黄色，最后呈蓝紫色。笔者前期研究[1]发现，电子连接器插接件锡层变色的原因是表面氧化，解决的方法有：改善锡层组织结构，涂覆后保护剂，改善回流锡环境，电镀普通镍后增加一道高温镍电镀工艺。经大量试验研究，认为采用最后一种方法可以有效改善变色问题。本文先对比了3种高温镍药水对改善锡层和薄金层过高温焊接变色的效果，再对其中防变色效果最佳的高温镍药水的综合性能进行评估。

1 实验

1.1 卷对卷连续电镀工艺

变色试样包含镀锡试样和镀金试样两类。镀锡试样是电子连接器传递数据信息接口的插接件，其主要制程为：电镀普通镍(10 A/dm2，1.25 ～ 2.50 μm，下同)→电镀纯锡(10 A/dm2，2.5 ～ 5.0 μm)→后处理。镀金试样是电子产品固定电池及导电接触点或线路板之间连接的插接件，其主要制程为：电镀普通镍→电镀金(5 A/dm2，0.075 ～ 0.150 μm)→封孔。

电镀镍采用麦特隆化工有限公司提供的氨基磺酸镍药水和含硫镍阳极板，配方和工艺为：总镍(Ni2+)100 g/L，硼酸45 g/L，氯化镍13 g/L，高速半光镍添加剂30 mL/L，pH 3.8 ～ 4.2，温度(60 ± 2) °C。

电镀锡采用永保化工有限公司提供的烷基磺酸纯锡药水和纯锡阳极板，配方和工艺为：烷基磺酸锡45 g/L，70%(质量分数)烷基磺酸150 mL/L，WA湿润剂80 mL/L，光亮剂5 mL/L，扩展剂RX 5 mL/L，稳定剂SB 5 mL/L。

电镀金采用美泰乐化工有限公司提供的酸性镀金液，采用铂金镀金罩头为阳极，配方和工艺为：Au+2 ～ 6 g/L，添加剂0.5 g/L，开缸盐150 g/L，pH 4.4 ～ 4.7(采用柠檬酸调节)，波美度10 ～ 25 °Bé。

1.2 性能评价和检测方法

1.2.1 过高温回流焊(IR)试验

将Ni/Sn样品直接过高温IR炉，空气氛围，在260 °C下烘烤10 s，反复过3次，观察试样的变色情况。Ni/Au样品则是沾锡膏后再在相同条件下过高温IR。

1.2.2 镀液性能

1.2.2.1 有效电流密度范围

采用267 mL赫尔槽，以100 mm × 65 mm × 0.2 mm的双面抛光黄铜片作为阴极，65 mm × 57 mm × 3 mm的含硫镍板作为阳极，在5 A下电镀2 min，洗净后用热风机吹干，采用电流密度标尺测量赫尔槽试片光亮镀层区域，得到光亮电流密度范围。

1.2.2.2 阴极电流效率和沉积速率

阴极电流效率η采用铜库仑法测定，沉积速率采用Fischer XMDVM-T7.1-W测厚仪测定，操作参数见文献[2]。

1.2.2.3 分散能力

取1.2.2.1所得赫尔槽试片，分别测高电流密度区12.0 A/dm2的镀层厚度δH(单位μm)与低电流密度区1.5 A/dm2的镀层厚度δL(单位μm)，按式(1)计算分散能力φ。φ 越小，代表分散能力越好。

1.2.2.4 覆盖能力

采用内孔法，阴极为长100 mm、内径10 mm、壁厚1 mm的黄铜管。试验时，将一端管口封闭而形成盲孔管，水平悬挂于镀槽中，封闭端靠近镀槽壁，开口端正对阳极。在10 A/dm2下电镀10 min，洗净、吹干，将铜管纵向切开，测量内壁镀层的长度l，计算l和管径d的比值L/d，以评价镀液的覆盖能力。

1.2.2.5 无机杂质容忍度

卷对卷连续电镀的基材主要是不锈钢和铜。在电镀生产过程中，工件可能会有部分掉落于槽液，生成Fe3+和Cu2+杂质，而且影响镀层外观、结合力和耐腐蚀性能。在新配的镀镍液中分别加入不同质量浓度的Cu2+和Fe3+，在5 A下进行赫尔槽试验1 min，观察镀层外观。赫尔槽试片出现高区发雾或低区发暗时的Fe3+质量浓度即评定为最大Fe3+杂质容忍度，赫尔槽试片出现低区发黑时的Cu2+质量浓度评定为最大Cu2+杂质容忍度[2]。

1.2.2.6 环保性能

取一定体积的开缸镀镍液，按GB/T 11893–1989《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》测总磷，要求镀液中总磷符合GB 8978–1996规定的总磷＜0.5 mg/L的一级排放标准。按GB/T 11914–1989《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》测CODCr。由于电镀生产线并不直接排放镍镀液，而是排放镀镍清洗水，因此只要求镀镍清洗水的CODCr符合GB 21900–2008中“表2”规定的＜80 mg/L的要求。按GB/T 26125–2011《电子电气产品 六种限用物质(铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴二苯醚)的测定》，测镀液中6种限用物质的含量。

1.3 镀层性能

1.3.1 耐蚀性

取2片20 mm × 20 mm的黄铜，分别电镀普通镍和高温镍1 min，另取1片相同尺寸的黄铜，先电镀普通镍40 s，再电镀高温镍20 s。按ASTM G85-2002e1 Standard Practice for Modified Salt Spray (Fog) Testing进行中性盐雾(NSS)试验，温度(35 ± 2) °C，相对湿度＞95%，pH 6.5 ～ 7.2，每80 cm2的降雾量为1 ～ 2 mL/h，连续喷雾，记录出现红锈的时间。

1.3.2 结合力

将深圳市新龙泉有限公司的Scotch 600 1ROLL纤维黏胶带(粘接力8 kg)粘附在厚度≥1.25 μm、面积≥30 mm2的镀层上，用1 kg重的橡皮滚筒滚压，以除去粘接面内的空气泡。间隔10 s后，用10 kg左右、垂直于镀层的拉力将胶带剥离，若镀层无剥离，则说明结合力好。

1.3.3 延展性

参照圆心轴弯曲法，将带有镀层的宽10 mm、厚1 mm的细带状黄铜试片(镍镀层厚度2 ～ 3 μm)置于芯轴上弯曲。根据使镀层不产生破裂时的最小芯轴直径d(单位mm)，按式(2)计算延展率D。

式中δ为基体和镀层的总厚度(mm)。

2 结果与讨论

2.1 高温镍药水的筛选

选取3个厂商提供的高温镍药水，分别编号为A、B、C。电镀锡或薄金前，先对黄铜片电镀普通镍30 s，再电镀高温镍30 s，电流密度均为10 A/dm2，所得试样过高温IR 3次，变色情况见表1、图1和图2。可见，单独采用普通镍药水时，所得Ni/Sn和Ni/Au试样都发生严重变色(见图1a和图2a)。采用3种高温镍药水都能够防止锡镀层过高温IR变色(见图1b)，然而只有高温镍药水A能够明显提升镀金层的抗高温变色性能。因此后续采用镀普通镍+镀高温镍A +镀锡或镀金的电镀制程。

表1 采用不同镍药水时所得样品经高温IR后的变色情况Table 1 Discoloration state of the samples obtained from different nickel plating baths after high-temperature IR

图1 Ni/Sn试样过高温IR后的照片Figure 1 Photos of Ni/Sn samples after IR at high temperature

图2 Ni/Au试样过高温IR后的照片Figure 2 Photos of Ni/Au sample after IR at high temperature

2.2 高温镍药水的性能

高温镍药水A由香港得力化工有限公司提供，配方为：Ni2+100 g/L，硼酸45 g/L，氯化镍13 g/L，FFP光亮剂5.0 mL/L，TS II防变色剂25 mL/L，HN-5润湿剂2.0 mL/L，pH 2.0 ～ 3.0，温度(60 ± 2) °C。以下对高温镍药水A和普通镍药水进行对比分析，以综合量化评估两种镀镍药水在卷对卷连续电镀生产中的差异和兼容性。

2.2.1 基本性能

从表2可知，高温镍镀层的外观比普通镍镀层稍差，光亮电流密度下限和对杂质的容忍度也不如普通镍。将高温镍药水中的Ni2+质量浓度提升至120 g/L，FFP光亮剂的体积分数调至7.5 mL/L时，高温镍的赫尔槽试片外观和光亮电流密度范围就与普通镍基本相近。因此在电镀生产过程中，通常将高温镍药水的Ni2+和FFP光亮剂的用量分别控制在110 ～ 130 g/L和5 ～ 10 mL/L的范围内。

表2 高温镍A和普通镍的镀液性能参数Table 2 Performance parameters of high-temperature nickel A bath and common nickel plating bath

2.2.2 环保性能

表3列出了高温镍药水A和普通镍药水中6种限用物质的含量(ND表示未检出)，可见普通镍和高温镍A均不存在超标风险。虽然两种镀镍溶液的CODCr均高于80 mg/L，但其清洗水的CODCr均低于80 mg/L，也不超标。

表3 高温镍和普通镍A镀液的环保性能Table 3 Indexes for evaluating the environmental friendliness of high-temperature nickel A bath and common nickel plating bath

2.3 高温镍镀层厚度对锡层和金层抗变色效果的影响

卷对卷连续高速电镀生产线中导入高温镍电镀是为了防止电子连接器接插件镀锡层或镀薄金层粘锡膏过高温IR后变色，并不会影响整个镀层的外观和性能，但还需进一步评估高温镍层厚度对锡层和金层抗高温变色性能的影响，以便在生产成本尽可能低的前提下保证防变色效果。因此以20 mm × 20 mm的黄铜片为基体，在10 A/dm2下电镀1.25 μm厚的普通镍后，再分别电镀厚度为0.25、0.50、0.75、1.00和1.25 μm的高温镍层，最后电镀锡层或金层。过高温IR试验结果发现，除了只镀普通镍而未镀高温镍的样品过IR炉后发生变色外，其余增加高温镍的Ni/Sn和Ni/Au样品均未发生变色。这说明即使高温镍层仅有0.25 μm厚，也可起到防止锡过高温IR和薄金粘锡膏过高温IR后变色的效果。电子连接器插接件产品的镀镍层厚度一般为1.25 ～ 2.50 μm，高温镍与普通镍的镀层厚度按1∶4的比例电镀，即可兼顾卷对卷连续高速电镀药水的生产效率和成本，解决了连接器端子电镀锡或镀金焊脚粘锡后过IR炉后变色问题。

2.4 两种镍药水用于连续电镀时的干扰验证

在卷对卷高速连续电镀线上，高温镍工站设计在普通镍工站之后，因此有必要验证普通镍镀液带入高温镍工站时对镀层性能的影响。由于普通镍和高温镍的主要成分相同，只是添加剂有区别，因此可通过向高温镍镀液中添加普通镍的添加剂来研究普通镍镀液被带入高温镍药水中时对高温镍镀层外观和抗高温变色性能的影响。具体试验为：在高温镍镀液中分别加入2、4、6、8、10、12、14和16 mL/L普通镍添加剂，以100 mm × 65 mm × 0.2 mm的双面抛光黄铜片作为基材，在5 A/dm2下施镀2 min，洗净后用热风机吹干，观察过高温IR后Ni/Sn和Ni/Au样品的变色情况，结果无一样品发生变色，说明高温镍镀液中普通镍的带入对Ni/Sn和Ni/Au样品的抗高温变色能力无影响。

3 结论

该高温镍电镀工艺自2013年经实验室评估再导入卷对卷高速连续电镀生产线后，迅速扩展到本厂所有连接器过IR炉防变色产品的电镀生产线，在实际生产管理过程中稳定性良好，产品合格率达100%。此项工艺的开发应用填补了该领域国内外空白，如今已扩展到昆山、淮安、重庆、郑州等10多个国内及巴西、越南等国外厂区的电镀生产线，完全能满足业界电子连接器生产厂商对电子产品高温焊接防变色效果的质量要求。

[1] 董昌林.电子连接器表面锡层高温焊接变色原因分析[J].电镀与涂饰, 2017, 36 (13): 696-700.

[2] 杨希明.卷对卷连续电镀半光亮镍添加剂的综合性能评价[J].电镀与涂饰, 2017, 36 (7): 364-368.

[ 编辑：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，工程师，主要从事电子接插件表面处理工艺技术研发及生产技术管理工作。

作者联系方式：(E-mail) cl13049847568@163.com。