摘要

化學(xué)鍍金是印制電路板制作過(guò)程中較為常見(jiàn)的表面處理方式，金缸中金濃度的穩(wěn)定性為關(guān)鍵控制參數(shù)和指標(biāo)，從而能嚴(yán)格控制產(chǎn)品鍍金厚度，達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)品質(zhì)并降低生產(chǎn)成本的目的。本文介紹X射線熒光光譜分析(X Ray Fluorescence，簡(jiǎn)稱XRF)在測(cè)定印制電路板化學(xué)鍍金工序金缸中鎳金含量的應(yīng)用。

一、前言

X射線熒光光譜分析(X Ray Fluorescence，簡(jiǎn)稱XRF)是一種發(fā)展較快的重金屬測(cè)定技術(shù)。當(dāng)X射線照射到需要測(cè)定的物質(zhì)上時(shí)，被照射物質(zhì)的原子核外電子會(huì)被激發(fā)，產(chǎn)生二次X射線(X射線熒光)。由于元素不同，其能量或波長(zhǎng)是不同的，根據(jù)待測(cè)元素X熒光的能量或波長(zhǎng)可進(jìn)行定性分析，根據(jù)待測(cè)元素的X熒光強(qiáng)度可進(jìn)行定量分析。

X射線熒光分析部分主要構(gòu)成部分是：X射線管、激發(fā)X射線管工作的高壓電源、X熒光接收器、信號(hào)處理電路、X熒光定性定量分析軟件包。X熒光分析的基本過(guò)程如下：X射線管發(fā)出X射線激發(fā)樣品, 使電鍍液中各個(gè)元素的原子中的核外電子(特別是K層電子)受激發(fā)而放出，并且在原來(lái)位置產(chǎn)生一個(gè)空穴，此時(shí)外層電子(特別是L層電子)就會(huì)填充這個(gè)空穴位置，多余的能量就以特征X射線的形式放出(圖1),這些特征X射線進(jìn)入探測(cè)器產(chǎn)生脈沖信號(hào), 經(jīng)過(guò)前置放大器送入脈沖譜儀放大器, 經(jīng)脈沖譜儀放大器的放大與脈沖成形, 送入ADC轉(zhuǎn)換器,ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量, 送入計(jì)算機(jī)接口, 軟件通過(guò)控制接口電路來(lái)進(jìn)行脈沖譜數(shù)據(jù)的采集與控制。 X 熒光分析軟件通過(guò)對(duì)各種特征X射線能量的分析,得到定性的結(jié)果,也即知道樣品含有何種元素,再通過(guò)對(duì)特征X射線的強(qiáng)度計(jì)算與分析,最終完成樣品中各成分的濃度分析。

圖1 X射線照射被測(cè)量物質(zhì)產(chǎn)生X射線熒光

二、背景

化學(xué)鍍金層外觀為金黃色，具有較低的接觸電阻、導(dǎo)電性能良好、易于焊接、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是印制電路制作工藝中常見(jiàn)的表面處理方式?；瘜W(xué)鍍金工藝要獲得良好的沉金質(zhì)量，必須管控好金層的厚度，金層太薄不能滿足客戶品質(zhì)要求，太厚則浪費(fèi)大量昂貴的金鹽，導(dǎo)致生產(chǎn)成本居高不下。因此化金槽液除了將溫度，pH等工藝參數(shù)管控在工藝范圍之內(nèi)，還必須將金、鎳離子等濃度控制在一定范圍之內(nèi)。

化學(xué)鍍金在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，金的濃度變化較快，為了將金、鎳離子等濃度管控在工藝管控范圍內(nèi)，當(dāng)前主要依靠化驗(yàn)室人工取樣，采用原子吸收光譜儀或ICP等離子發(fā)射光光譜，樣品人工取決，稀釋100倍后進(jìn)行定量分析，通常人工稀釋時(shí)，會(huì)造成一定的稀釋誤差，有可能導(dǎo)致人為誤差較大。并且原子吸收光譜儀或ICP等離子發(fā)射光光譜儀需為專業(yè)人員進(jìn)行操作及維護(hù)保養(yǎng)。每天僅分析一次，再根據(jù)分析加藥進(jìn)行鍍金藥水補(bǔ)加及調(diào)整。通常每天僅分析一次，這樣仍然難以控制金濃度的較大波動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)品鍍金層品質(zhì)出現(xiàn)波動(dòng)，金鹽成本增加。

能量色散型X熒光光譜儀，通過(guò)標(biāo)樣準(zhǔn)確校準(zhǔn)后，可保持較高的分析準(zhǔn)確度及可靠性，具有無(wú)損、快速的特點(diǎn)，很適合現(xiàn)場(chǎng)快速分析動(dòng)管控的特點(diǎn)。

三、鍍金槽液在線分析結(jié)果

3.1鍍金槽液分析X熒光光譜圖(如圖2)

圖2 XRF探測(cè)器接收樣液的 X熒光信號(hào)

3.2測(cè)量數(shù)據(jù)(Au單位為g/L，Ni單位為10-6)

3.2.1 XRF在線實(shí)時(shí)測(cè)量化學(xué)鍍金線金缸數(shù)據(jù)(每60分鐘測(cè)量一次)

表1 XRF在線實(shí)時(shí)測(cè)量金缸數(shù)據(jù)

3.2.2 同時(shí)取該槽液在原子吸收分光光度計(jì)(AA機(jī))測(cè)得數(shù)據(jù)如下：

表2 AA機(jī)測(cè)量金缸數(shù)據(jù)

四、數(shù)據(jù)分析

4.1 XRF在線實(shí)時(shí)測(cè)量化學(xué)鍍金線金缸數(shù)據(jù)穩(wěn)定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)<5%，符合常規(guī)儀器分析法衡量誤差限制范圍;

4.2 XRF與原子吸收分光光度機(jī)(AA機(jī))測(cè)量同一樣品的數(shù)據(jù)相似度達(dá)到98%以上，完全可以替代傳統(tǒng)的AA機(jī)。

五、總結(jié)

在線XRF分析儀完全適合鍍金槽液現(xiàn)場(chǎng)在線分析!

5.1 采用在線XRF分析系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：

(1)自動(dòng)取樣，自動(dòng)分析，無(wú)人化自動(dòng)運(yùn)行，并可控制加藥單元自動(dòng)添加藥水，節(jié)省人力成本;

(2)樣品無(wú)需稀釋，XRF能量色散X熒光光譜儀可直接測(cè)量，分析精度高;

(3)化金槽液中的金離子和鎳離子，XRF能量色散X熒光光譜儀可一次性同時(shí)分析;

(4)可實(shí)時(shí)分析或定時(shí)分析，分析頻率大大提高，可保證工藝更加穩(wěn)定;

(5)XRF能量色散X熒光光譜儀易學(xué)易用，維護(hù)簡(jiǎn)單，沒(méi)有耗材，運(yùn)行成本低;

(6)在線XRF分析系統(tǒng)可多通道自動(dòng)進(jìn)樣,同時(shí)分析控制多個(gè)鍍金工藝槽，降低設(shè)備投入成本。

5.2 采用原子吸光光譜儀或ICP等離子體發(fā)射光譜儀分析鍍金槽的主要缺點(diǎn)是：

(1)槽液取樣后先要稀釋100~1000倍后方可用原子吸收光譜儀或ICP等離子體發(fā)射光譜儀分析，樣品稀釋過(guò)程會(huì)產(chǎn)生誤差;

(2)人工取樣及稀釋后，金、鎳元素需要逐個(gè)分析，且分析時(shí)間較長(zhǎng)，所以一般一班(8小時(shí))才分析一次;

(3)分析頻率低，所以化金槽液濃度管控波動(dòng)就會(huì)較大，鍍金品質(zhì)不穩(wěn)定，原材料金鹽的使用成本也上升;

(4)分析儀器價(jià)格較高，一般在30~80萬(wàn)人民幣一臺(tái);

(5)儀器操作需要專業(yè)人員，并且維護(hù)成本高;

(6)需要燃燒可燃?xì)怏w，氣體的存儲(chǔ)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的安全構(gòu)成隱患，增加了企業(yè)的投入成本。

審核編輯：湯梓紅