Modelling of Electroless Nickel Plating Process for Control

No Thumbnail Available

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Helsinki University of Technology | Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2004

Department

Konetekniikan osasto

Major/Subject

Koneensuunnitteluoppi|Systeemitekniikka

Mcode

Kon-41|AS-74

Degree programme

Language

en

Pages

87

Series

Abstract

The goal for this master's thesis was to develop a mathematical model to describe an electroless nickel plating process. Electroless nickel plating, along with immersion gold plating, forms the final step in the manufacturing process of printed wiring boards, and it has a great effect on the wiring boards' final characters. Any error during this process step means expensive economic losses because the error cannot be repaired afterwards. Thus it is very important to secure the plating quality already during plating. The most important characteristics which should be controlled are thickness of the nickel layer and its phosphorous content. However, these characteristics cannot be measured online during plating and in order to control the process, the behaviour of it is determined by mathematical modelling. The model of the process is developed in this master's thesis. The basis of this is a model which was developed at the earlier stage of this process. That was not, however, accurate enough and in this master's thesis the model is developed further and its accuracy is improved. First the properties of electroless nickel and its different reaction mechanisms are described. After that, the developed process model is introduced. The model is based on the electrochemical reaction model and so-called mixed potential theory. The current densities of the redox reactions can be calculated from the mixed potential theory. When the current densities are known, the amount of deposited nickel and phosphorous can be calculated according to the reaction mechanism's stoichiometric. The changes on the plating bath's concentrations can be predicted according to the same method. The developed model is relatively simple and general. Thus, it also can be easily modified for other similar kinds of plating reactions. The accuracy of the model is evaluated by comparing the model's predicted values to the measured ones. In general, the accuracy is quite satisfactory. Of importance is that the most critical characteristics can be predicted accurately. Also, the concentration dynamics are well predicted, especially if it is considered that the modelled process is a very complicated chemical process. Thus, it can be stated that the model introduced in this master's thesis describes electroless nickel reaction very well and it forms a good basis for the future control development.

Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää autokatalyyttisen nikkelipäällystysprosessin matemaattinen malli. Autokatalyyttinen nikkelipäällystys on piirilevyjen valmistusprosessin viimeinen vaihe ja sillä on suuri merkitys piirilevyn ominaisuuksiin. Päällystyksen onnistumisella on myös suuri taloudellinen merkitys, sillä prosessin aikana tapahtunutta virhettä ei voida enää jälkikäteen korjata vaan koko viallinen erä täytyy hylätä. Täten on tärkeätä kyetä turvaamaan päällysteen laatu jo päällystysprosessin aikana. Laadun takaamiseksi, on tärkeätä kyetä säätämään ennen kaikkea autokatalyyttisen nikkelikerroksen paksuutta ja sen fosforipitoisuutta. Näitä suureita ei voida mitata reaaliaikaisesti päällystyksen aikana, minkä vuoksi säätäminen täytyy suorittaa prosessista muodostetun matemaattisen mallin avulla. Tämä säätöä varten kehitetty malli on esitetty tässä diplomityössä. Mallinnuksen lähtökohtana toimi projektin aikaisemmassa vaiheessa kehitetty prosessimalli, jonka tarkkuus ei kuitenkaan riittänyt säädön suorittamiseen. Tässä työssä kyseistä mallia on kehitetty edelleen ja sen tarkkuutta on parannettu. Aluksi kerrotaan autokatalyyttisen nikkelin tärkeimmät ominaisuudet, yleisimmät päällystys mekanismit sekä piirilevyjen valmistuksen päävaiheet. Kun lukijan perustiedot aiheesta ovat riittävät, esitellään kehitetty prosessimalli. Malli perustuu sähkökemialliseen reaktiomekanismiin ja niin kutsuttuun sekapotentiaaliteoriaan. Sekapotentiaaliteorian avulla voidaan laskea hapettumis-pelkistymisreaktion anodinen ja katodinen virrantiheys. Virrantiheyksien sekä reaktioiden stoikiometrian avulla voidaan laskea pelkistyvän nikkelin ja fosforin ainemäärät. Samalla periaatteella voidaan mallintaa myös päällystyskylvyn konsentraatioiden muutokset. Kehitetty prosessimalli on rakenteeltaan suhteellisen yksinkertainen ja yleinen, joten sitä voidaan pienin muutoksin soveltaa myös muihin samankaltaisiin päällystysprosesseihin. Mallin tarkkuus arvioitiin vertaamalla mallin ennustamia arvoja mitattuihin arvoihin. Yleisesti tarkkuutta voidaan pitää hyvänä. Erityisesti juuri kriittisimmät suureet, kuten päällysteen paksuus ja fosforipitoisuus, voidaan ennustaa tarkasti. Lisäksi malli ennustaa tyydyttävällä tarkkuudella myös päällystyskylvyn konsentraatioiden muutokset. Koska autokatalyyttinen nikkelipäällystysprosessi on erittäin monimutkainen kemiallinen prosessi, voidaan saavutettua tarkkuutta pitää jopa erittäin hyvänä. Täten kehitetty malli luo hyvän lähtökohdan tulevalle säätösuunnittelulle.

Description

Supervisor

Airila, Mauri|Koivo, Heikki

Thesis advisor

Tenno, Robert

Keywords

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020120450271

Collections

[dipl] Teknillinen korkeakoulu / TKK