電子工業中零件或電路板鍍鎳(Ni)的目的何在?

電子工業中零件或電路板鍍鎳(Ni)的目的何在?

首先聲明:工作熊並不是什麼冶金專家,所以本文的內容全都是聽工作熊三姑的媽媽及六姨的婆婆說的,如有任何錯誤發現,歡迎您提醒工作熊改正,但如果服用有什麼後果概不予負責。

「鎳」的英文叫【Nickel】,化學元素符號為【Ni】,「鎳」因為具有優良的物理、機械及化學特性,而且地球上的鎳礦的產量也蠻豐富,所以在工程及工業上的應用頗多,比如說拿來防腐蝕、增加硬度、耐磨擦及感磁性等應用。其主要被用於合金的配方中,如鎳鋼、鎳鉻鋼、鎳銅(白銅,Cupronickel)等來增加其抗腐蝕及抗氧化的能力,因為鎳的抗氧化能力佳,所以早期經常被運用來製作成為貨幣使用。

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鎳所謂鎳的抗氧化性佳?這裡需要提出來特別註解,其實「鎳」本身對「氧」的活性也是蠻高的,也就是說「鎳」本身暴露於大氣中也是很容易氧化的,但因為鎳本身與空氣中的氧反應後會生成一層很薄的氧化物(NiO、Ni(OH)2),就像是一層保護膜。這層保護膜能隔絕鎳與空氣的接觸,防止進一步氧化。所以,把鎳暴露於大氣環境中,它會自己先氧化,然後生成防護膜,之後才能保護其本身及其底下的金屬不被繼續氧化,這個在使用上需要留意。

而這種氧化後形成保護膜免於繼續氧化的行為則被稱之為「金屬鈍化」,日後有時間再來做介紹。金屬鈍化怎麼聽起來有點像蠶寶薄吐絲把自己包起來的感覺~

因此「鎳」也常被拿來鍍在其他的金屬表面,用以保護其底層金屬與空氣接觸而產生氧化的問題,但其鍍層必須要達到「無針孔缺陷(defect-free)」才能起到一定的保護作用,早期的鍍鎳製程因為工藝還不是很成熟,經常會有細小的孔洞發生,以致未能完全密封住其鍍層下的底金屬材質,導致鍍鎳後還是容易發生底金屬氧化的問題,而現今的鍍鎳工藝已經日漸成熟,一般會在鍍槽液中添加封孔劑,以解決多孔性的問題。

延伸閱讀:常見化學元素的活性順序

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金屬表面鍍除了可以起到防止氧化的效果外,其鍍層還可以增強下列的機械特性:

  1. 強度(tensile strength)
  2. 延展性 (elongation)
  3. 硬度(hardness)
  4. 內應力(internal)
  5. 疲勞限度(fatigue life)
  6. 氫脆性(hydrogen embrittlement)

另外,鎳鍍層也具有良好的抗化學腐蝕能力,常被應用於化學、石油、食品及飲料工業上以防止腐蝕、防止產品污染及保持產品純潔等作用。不過要注意,當鎳的氧化物保護膜被氯化物溶液侵入後就會形成針孔狀的腐蝕,一般鎳鍍層在中性或鹼性溶液都不會有太大問題,但遇到大多數的礦物則會被腐蝕。

電子工業中零件或電路板鍍鎳的目的何在?

在ENIG(化鎳浸金)電路板上面鍍「鎳」,其主要目的是用來防止銅與金之間互相遷移(migration)與擴散(diffusion),當作【阻障層】與抗腐蝕的保護層,保護銅層免於氧化,更可以防止導電性與可焊性劣化,依據IPC-4552對ENIG的化鎳鍍層之建議,其厚度至少需達到 3µm(micrometer)/118µ" 以起到保護作用。在焊錫或SMT回焊的過程中,鎳層則會與錫膏中的錫結合而生成Ni3Sn4介面金屬共化物 (IMC, InterMetallic Compound),這層IMC的強度雖然比不上OSP表面處理所生成的Cu6Sn5,但已經足以適合大部分現今產品的使用需求了。

另外,電子零件的接腳為了達到一定機械強度,經常使用「黃銅」來代替「純銅」當成底材金屬。但因黃銅含有大量的「鋅」,其對焊錫性會有很大的妨礙,所以不可以在黃銅上面直接鍍錫,而必須先行鍍上一層「鎳」來當成屏障(Barrier)層,然後再鍍錫,這樣才能順利完成焊接的任務。

請注意:不可在黃銅面上面直接鍍錫,因為黃銅為銅鋅合金,否則重熔後銅會直接剝離脫落,會有假焊的現象。

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那可不可以在金屬上直接鍍鎳來當作銲錫之用?

答案基本上是否定的,因為「鎳」在大氣環境中也非常容易鈍化(passivation),鈍化後的鎳對焊錫性會出現極其不利的影響,故一般在鎳層外面還要再鍍一層純錫或金,以提高零件腳的焊錫性。除非零件成品的包裝可以確保隔絕空氣,或是使用者在焊接前可以保證鎳層沒有氧化,否則鎳層一旦氧化後,即使焊接得上,其焊接強度還是會繼續惡化,終至斷裂。

不過,工作熊偶而還是會看到有人將鍍鎳的鐵殼拿來直接焊錫於電路板,不過這些通常不是用在主要的功能焊腳,而是做大面積接地之類的接觸,用大面積的焊錫來換取品質吧!

為了防止黃銅中的鋅與錫互相遷移(migration)與擴散(diffusion),一般除了會預鍍一層鎳之外,也有人選擇預鍍純銅來當作阻障層與抗腐蝕的保護層,然後再鍍錫來加強焊錫能力。

常見有些鍍錫零件擺放一段時間後發生氧化的問題,大部分都是因為沒有預鍍銅或預鍍鎳,或是預鍍層厚度不足以防止上述問題所造成。

如果鍍錫的目的是為了加強銲錫,一般建議鍍霧錫(matte tin),而不建議鍍亮錫。

延伸閱讀:霧錫(Matte tin)與亮錫 (Bright tin)的差別

依據IPC-4552(2002)的要求一般ENIG電路板的化金層厚度建議落在2µ"~5µ"(0.05µm~0.125µm)之間,而化學鎳層厚度則落在3µm(118µ")~6µm(236µ")。


延伸閱讀:
零件掉落與電路板鍍金厚度的關係
浸金及電鍍金在電路板焊接中所扮演的角色
何謂SMT「紅膠」製程?什麼時候該用紅膠呢?有何限制呢?

 
 
訪客留言內容(Comments)

熊大,如果零件端鍍上鎳與鈀也可改善導電阻抗及讓訊號傳輸增強,且耐磨性比金佳啊

不好意思想請教一下
文中後面有一段說
“為了防止鋅與錫的互相遷移(migration)與擴散(diffusion),一般除了會預鍍一層鎳之外,也有人選擇預鍍銅來當作阻障層與抗腐蝕的保護層,然後再鍍錫。”
銅好像本身也是會氧化的東西, 所以鍍銅主要是做阻障層用嗎?

alvitseng;
是的!這裡只的是在黃銅上面預鍍一層純銅來當作阻障層,外面必須要再鍍上其他保護金屬。

您好~

小弟是做機械的 , 對電料方面不熟

最近遇到一個案子
其中要做一個銅排(就是一塊長方體的銅塊),接電用的
圖面上材質只寫E-cu
結果做好沒多久就氧化變黑 然後就被客訴了= =

想請問的是
一般來說 , 這種東西是要在表面鍍上 錫 還是 鎳呢?
鍍錫和鍍鎳的差別是在??

有上網查了一些資料但還是不太了解…
不知是否能請您提供一些您的經驗? 感謝!!

林彥明,
這個要看你的目的是什麼?如果只是為了避免銅的氧化,那可以鍍鎳、鍍錫、甚至鍍金都可以。
如果你的目的是要防止銅的氧化,還要可以焊接吃錫,那就要在銅的上面先鍍鎳在鍍錫,或是先鍍鎳在鍍金。

想請問一般鎳鍍層在中性或鹼性溶液都不會有太大問題,但遇到大多數的礦物則會被腐蝕。礦物是???因為我們在鋁上鍍ENEPIG,但發現Ni層會氧化但鋁部會,有什麼東西會造成如此呢??

幸福熊你好
我是從事代工廠 最近碰到PCBA在過DIP錫爐後 有幾點銅箔有不見現象 只剩零件錫點 錫點外面一圈不見了 出現1圈黑黑的(約有3%) 我反映給PCB板廠 回覆是說 這個叫失環 說我們的錫爐溫度太高 且裡面含銅量太高 所以錫爐裡面含的銅會去咬PCB銅箔的銅 可是我們已經做了好幾批 溫度都是固定沒調過也沒發生過這樣的問題
這片PCB是化金板 銅上面不是有鋪一層鎳及鍍金嗎 這樣 錫爐含的銅會去咬銅箔的銅嗎? 還是是PCB本身在製程有問題?
是否可以幫我解惑 謝謝!

Allan,
如果你的板子是OSP,一般不建議使用SAC錫條,一般要添加Ni在錫槽內,而且要管控錫槽內「銅」含量不可過高,否則會咬銅(錫槽中銅含量高過一定比率後,銅會容易溶解在錫槽中)。
建議參考SMT與Wave soldering焊錫的中文翻譯與觀念澄清
建議你跟錫條、錫棒的廠商技術聯絡。

不好意思 再請教一下 PCB是化金板也會被咬銅嗎

Allan,
正常來說ENIG的板子不會發生咬銅的問題,除非Ni層太薄,否則銅的上面會有一層Ni保護著。

請問熊大,我們最近碰到銅材鍍鎳發生氧化的情況,照理來說應該是不會生鏽才對,請問一下:
1.有沒有可能鍍鎳工藝有問題?
2.若內部的銅稍微氧化,再拿去酸洗鍍鎳,氧化會從內部發生嗎?

Ryan,
鍍鎳之前的銅酸洗不佳,會造成鍍鎳後繼續氧化。
鎳層太薄無法完全覆蓋底層的銅也會氧化。
鍍鎳製程不良,有孔洞會氧化。

请问一下
我是做pad天线焊接的,fpc焊盘铜上镀镍,镍层上镀金,焊接后做拉拔力,铜、镍层分离,这种状况应该怎么解决

Devon,
找FPC廠商看看吧!正常來說不應該有銅鎳分離。

你好:
有一個 問題想請教你:我有一個產品是-鍍鎳鋼片,其表面有pet保護膜(壓克力膠系)貼著,但是經過了半天後,我的鍍鎳鋼片上就有一微層的黃色,但是可以擦得掉.
請問這是怎樣造成的,還有這是鍍鎳鋼片的問題,還是pet保護膜的問題.
煩請告知,謝謝

Els,
應該是潮濕氧化吧!鎳暴露在大氣環境是很容易氧化的,另外,在無濕度控制的密閉空間中氧化會更快,這層氧化薄膜可以避免鎳層繼續氧化。如果不能確定,可以拿去請實驗試驗證看看是何物質。

你好請問 黃銅已經鍍好鎳 再重複鍍鎳 會有什麼現象

煩請告知,謝謝

Jacky,
所以你重新鍍鎳有碰到什麼問題?
重複鍍鎳要看你有否重新做前處理以去除氧化的部份,再者重新鍍鎳如何控制厚度。

請問以上的討論是否是「無電解鍍鎳」electroless nickel plating (ENP)?

另外想請教一般的零件公司是自己處理鍍鎳的過程嗎?

感謝!

小黃,
如果是ENIG就是無電鍍鎳,但是不論是是否電鍍,鎳的角色不變,很多電子零件的焊腳還是採用電鍍的。
在台灣自己做電鍍的公司不多,大多外包。台灣以外的就不一定了,這個要看產業分工多細,越細的分工,外包的就越高,尤其現在環保意識抬頭,電鍍可是重污染製程呢!

黃銅您建議是需鍍鎳再鍍錫,請問紅銅(C1100)可以直接鍍錫嗎?

charlie,
紅銅電鍍要看你的目的是什麼?鍍錫或鍍鎳都有人用,如果只是防鏽就鍍鎳,如果要焊接建議鍍錫。當然,還是建議你決定前詢問供應商詳細的參考資訊。

請問一下,黃銅PIN電鍍錫鎳合金,適合焊接嗎
因為SMT廠知會,我們這批物料,焊接不好焊,都需要人工補焊
會有可能錫爐銅合金過高造成不好焊接嗎/還是有其他可能原因
謝謝

Yun,
文章中已經提到了,鎳會在其表面生成一層致密性的氧化層阻礙焊接,但高溫可以破壞這層氧化鎳,所以還是可以被焊接,只是隨著時間的推移,氧化鎳層就會越還越厚,越不容易焊接,就會需要更高的溫度與時間才能破壞氧化鎳來達到焊接的目的。

請問,鎳電鍍對工件來說的確是一層很好的阻隔層,但他有磁性的缺點,請問熊大,有可以取代鎳電鍍的鍍層嗎??功能相似的鍍層,因為我所需要的產品功能是在銅素材上鍍一層鎳,再電鍍一層錫合金,作為焊接功能使用,但因為鎳電鍍有磁性造成不少困擾,請問有可以替代的鍍層,且不影響功能的嗎?

LIN,
看文獻是說要杜磷鎳合金,而且磷含量在8%—13%時沒有磁性。但我沒有親自做過,所以不是很清楚,建議可以到電鍍相關的論壇問看看。

0.4mm鎳板如何跟0.5mm銅板焊接再一起,可以技術指導嗎?

我用微焊機(點焊電池跟鎳板是可以的),但焊這兩個材質就焊不起來

麻煩大神指導一下

阿耀,
請參考維基百科關於焊接的說明 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%84%8A%E6%8E%A5

當ENIG時,同樣的沉降速率, 鎳層的厚度4um與 鎳層厚度17um, 在金屬硬度的比較時,有差別嗎?
若印上同樣的錫膏與厚度時,兩種鎳層厚度於smt REFLOW時,
哪一個厚度的PEELING STRENGTH較好?

sando,
1.這個要看金層厚度,純金比較軟,合金(鎳金)比較硬,所以應該看金的厚度,金越厚就會軟。
2.一般IMC的厚度約1-5um,如果鎳層厚度只有4um,有可能無法形成完整的IMC,這樣就會影響peeling strength。
以上,只是我個人的觀點,不一定正確。


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