白亚旭 朱 拓

（深圳崇达多层线路板有限公司，广东 深圳 518132）

1 引言

电子类产品的小型化和多功能化是推动电子产业发展的最主要动力，PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）是电子类产品最重要的装配平台。通常情况下，各种元件和子系统都是安装在印制电路板表面的；这必然导致印制电路板的线路布局和系统变的很复杂。由于线路板表面安装的绝大部分都是无源元件，因此，如果能将无源元件埋嵌到线路板内部将会大大的降低线路板的体积和厚度。为了将元器件埋嵌到线路板内部从而减少表面的元器件数量，人们进行了多年的努力[1][2]。埋嵌无缘元器件的优点[3]：（1）减少表面贴装元件的费用，增加线路板表面的可利用的表面积，减小线路板的面积和层数；（2）减短信号传输的距离，减少电磁干扰，减低电感；（3）大幅度减少焊点的数量，减少导通孔的数量，提高可靠性。在线路板上安装的元器件中，焊点最多的是电阻元件，几乎占搭载元器件的半数以上，尤其是移动电话中，电阻元件以外的多数搭载元器件正在趋向于高密度化。由于电阻元器件占所有元器件的半数以上，所以，解决元器件安装的高密度化的第一步是先要解决电阻元器件安装的高密度化[4]。

本文主要介绍能够与PCB传统生产工艺相结合的埋嵌电阻工艺制作方法。在其它条件相同时，分别试验了pH为4.7、4.2、3.7、3.3时，在无卤的FR-4与无卤的PI基材表面上进行化学镀镍-磷反应，并研究了镀层厚度和镀层方块电阻随时间的变化。

2 化学镀镍-磷合金反应的原理

化学镀镍-磷合金是利用强还原剂次亚磷酸钠在具有催化活性金属表面的阳极氧化，将溶液中的镍离子还原成金属镍，同时使镀层中含有一定量的磷，形成含磷的过饱和镍磷合金固溶体或非晶态镀层。由于镍的沉积只能在催化活性表面上实现，所以还原剂H2PO2—必须在催化及加热条件水解放出原子H，或由H2PO2—催化脱氢产生原子氢[6]。即：

由以上化学方应原理可知，化学镀镍-磷反应与溶液的pH大小有很大关系，并且镍磷镀层中磷的含量与pH值的大小也有密切关系。

3 实验部分

3.1 试验器材和药品

恒温加热磁力搅拌器、X-ARY测厚仪（XRF-2000Micro Pioneer）、微欧电阻测试仪（GWINSTEK GOM—801H）、数字pH测试仪、等离子机、

无卤的FR-4（环氧树脂）、PI（聚酰亚胺）、沉镍M溶液、沉镍A溶液、沉镍B溶液、沉镍C溶液、沉镍D溶液（纬隆（广州）电子化工有限公司）、钯活化剂CF3316(深圳市中达电子有限公司）、预浸剂CF3023(深圳市中达电子有限公司）、30%稀硫酸、1:1的氨水

3.2 实验设计

为了与传统的生产工艺相结合，我们试验使用沉镍金镀液药水。通过调节化学镀镍-磷的pH值和沉镀时间，从而得到不同厚度的镍-磷合金层和方块电阻。由化学镀镍-磷反应的反应原理可知，随着化学镀镍-磷反应的进行，溶液中的H+会不断地降低，从而需要使用30%的稀H2SO4和10%的氨水调节镀液的pH值。

镀液的配置比例为M:A:B:C:D=3:1:1:3:0.4，镀液的体积为1.0 L，反应温度为75 ℃。考虑到镀液的最佳负载量为0.2 dm2/L，试验中每种基材分别制作32 mm×32 mm的样板10张，每张样板进行两面同时沉镀。因此总的负载量为2×0.32 dm×0.32 dm=0.2048 dm2，与镍缸的最佳负载比较接近。pH分别为：4.7、4.2、3.7、3.4。沉镀时间从第一分钟开始，每一张样板的沉镀时间增加一分钟，沉镀完成烘干后，进行镀层方块电阻和厚度的测试。

3.3 实验步骤

除油→去离子水洗→等离子粗化→去离子水洗→预浸→活化→去离子水洗→化学镀镍磷→去离子水洗→烘干→镀层方块电阻测试→镀层厚度测试

4 实验结果分析与讨论

对于化学镀镍-磷反应，当pH小于3.0时，反应将停止；而pH大于6.0时，镀液中的主盐硫酸镍将会发生水解，因此，化学镀镍-磷反应的pH一般控制在4.2～5.0之间。根据化学镀镍-磷反应的的反应机理，随着镀液pH的增大，镀层中磷的含量将减小；随着镀液pH的减小，镀层中磷的含量将变大；而镀层的方块电阻随着镀层中磷含量的增大而增大[7]。所以，我们选择逐渐减低pH的方法增大镀层中的磷含量，从而增大镀层的方块电阻。

4.1 当pH不同时，同种基材表面上镀层厚度以及方块电阻分析

（1）不同pH值时，无卤FR-4基材表面上镀层厚度分析

（2）不同pH值时，无卤FR-4基材表面上镀层方块电阻分析

表1 不同pH值时，无卤FR-4基材表面镀层厚度

图1 不同pH值时，无卤FR-4基材表面镀层厚度与时间的关系曲线

表2 不同pH值时，无卤FR-4基材表面镀层方块电阻值

图2 不同pH值时，无卤FR-4基材表面镀层方块电阻与时间的关系曲线

（3）不同pH值时，无卤PI基材表面上镀层厚度分析

表3 不同pH值时，无卤PI基材表面镀层厚度值

图3 不同pH时，无卤PI基材表面上镀层厚度与时间的关系曲线

（4）同pH值时，无卤PI基材表面上镀层方块电阻分析

由表1～表4，以及图1～图4可知，镀层厚度与沉镀时间之间的数学逻辑关系呈现出线性关系。随着pH值的减小，两种基材表面上镀层厚度都随沉镀时间的变化率逐渐变小，即：随着pH值的减小，镀层厚度与沉镀时间之间的直线斜率逐渐变小；而镀层方块电阻与沉镀时间的数学逻辑关系呈现为对数关系。因此，使用化学镀镍-磷法制作埋嵌电阻时，当pH值一定时，不能依靠无限制的调节沉镀时间来控制方块电阻，只能是在规定的沉镀时间范围之内，通过调节沉镀时间的方法来控制方块电阻。

4.2 当pH相同时，不同基材表面上镀层的厚度及方块电阻分析

（1）当pH=4.7时，不同基材表面上镀层厚度以及方块电阻分析

表4 不同pH值时，无卤PI基材表面镀层方块电阻值

图4 不同pH时，无卤PI基材表面上镀层方块电阻与时间的关系曲线

表5 pH=4.7时，两种不同基材表面上镀层厚度和方块电阻值

图5 pH=4.7时，两种基材表面镀层厚度与方块电阻随时间变化曲线

（2）当pH=4.2时，不同反应时间时的镍-磷合金层的方块电阻以及厚度分析

（3）当pH=3.7时，不同反应时间时的镍-磷合金层的方块电阻以及厚度分析

（4）当pH=3.4时，不同反应时间时的镍-磷合金层的方块电阻以及厚度分析

由表5～表8，以及图5～图8可知，当pH值为4.7和4.2时，当沉镀时间超过3 min以后，两种基材表面上镀层的方块电阻都已经小于20 Ω/□，甚至更小，而通过化学镀镍-磷法制作的埋嵌电阻方块电阻一般控制在20 Ω/□ ～ 200 Ω/□；虽然沉镀时间小于等于3 min时的方块电阻大于20Ω/□，但根据化学镀镍磷的反应规律，如果反应时间太短，反应速率不好控制，从而将会导致镀层的方块电阻将会极不稳定，因此，用化学镀镍磷法制作埋嵌电阻时，在保证镀层的方块电阻稳定的前提下，即至少保证沉镀时间不能少于3 min，因此，此两种pH值对于化学镀镍-磷法制作埋嵌电阻不适用。

5 结论

本文通过实验研究了不同pH时，FR-4和PI两种基材表面上镍-磷合金镀层的厚度以及方块电阻随化学镀镍-磷反应沉镀时间的变化规律，从而探究使用化学镀镍-磷法制作埋嵌电阻的最佳pH值、反应时间和镍-磷镀层的方块电阻值。通过实验研究可知：

表6 pH=4.2时，镀层厚度和方块电阻值

图6 pH=4.2时，两种基材表面镀层厚度与方块电阻随时间变化曲线

表7 pH=3.7时，镀层厚度和方块电阻值

图7 pH=3.7时，两种基材表面镀层厚度与方块电阻随时间变化曲线

表8 pH=3.4时，镀层厚度和方块电阻值

图8 pH=3.4时，两种基材表面镀层厚度与方块电阻随时间变化曲线

当pH值相同时，FR-4和PI两种基材表面上镀层厚度随沉镀时间的增加逐渐变大；方块电阻随沉镀时间的增加逐渐减小。并且镀层厚度与时间呈直线关系，方块电阻与沉镀时间呈对数关系。随着pH值的减小，两种基材表面上镀层的方块电阻随沉镀时间的变化曲线变的更为平滑；并且当镀层厚度达到一定的值后，镀层的方块电阻变化趋近于零，即：当镀层厚度达到一定的值后，镀层的方块电阻无限接近与一定值。

当pH值不同时，根据制作埋嵌电阻方块电阻一般控制在20 Ω/□ ～ 200 Ω/□的要求。当pH值为4.7和4.2时，当沉镀时间超过3 min以后，两种基材表面上镀层的方块电阻都已经小于20 Ω/□，不适合用以制作埋嵌电阻；而当pH值为3.7和3.4，当沉镀时间超过3 min时，两种基材上镀层方块电阻在15 Ω/□ ～ 200 Ω/□之间，无论从沉镀时间，还是镀层的方块电阻来讲，这对于使用化学镀镍-磷法制作埋嵌电阻都是十分有利的。

由此可知，使用化学镀镍-磷法制作埋嵌电阻时，应当控制镀液的pH值为3.4～3.7，沉镀时间为3 min ～ 8 min，此时方块电阻能够控制在20 Ω/□ ～200 Ω/□范围内。

[1]蔡积庆 编译. 从基板到功能板——埋入元件基板的趋向[J]. 印制电路信息, 2004(3):17～22.

[2]田民波.高密度封装进展——元件全部埋入基板内部的系统集成封装(上)[J]. 印制电路信息,2003(9):3～7.

[3]苏雁. 集成元件印制板技术[J]. 电阻工艺与技术,2006, 27(3):52-54.

[4]Mahler B P. Embedded resistors in HDI applications.OnBoard Technol, November2000:54-55.

[5]吴清波 编译.平面埋电阻技术[J]. 印制电路信息,2002(10):45-50.

[6]范峥. 化学镀镍新配方的研发及其废液的处理与回收[硕士学位论文][C]. 西安:西本大学, 2009.

[7]A.Melecki, A.Micek-Inicka. Elecroless nickel plating from acid bath[M]. Surface and Coating Technology,2000, 12(3):72-77.