制程中電鍍方法研究論文

1、系PC別制程物電鍍方法程究學科專業(yè)：印制電路技術(shù)與工藝姓名:akuhk指導教師：fafh國防軍hk2012年6月1引言電鍍(Electroplati ng)就是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層 其它金屬或合金的過程，是利用電解作用使金屬或其它材料制件的表面附 著一層金屬膜的工藝從而起到防止腐蝕，提高耐磨性、導電性、反光性及增 進美觀等作用。 電鍍時，鍍層金屬或其他不溶性材料做陽極，待鍍的金屬 制品做陰極，鍍層金屬的陽離子在金屬表面被還原形成鍍層。為排除其它 陽離子的干擾，且使鍍層均勻、牢固，需用含鍍層金屬陽離子的溶液做電 鍍液，以保持鍍層金屬陽離子的濃度不變。電鍍的目的是在基材上鍍上金

2、屬鍍層，改變基材表面性質(zhì)或尺寸電鍍能增強金屬的抗腐蝕性(鍍層金屬多 采用耐腐蝕的金屬)、增加硬度、防止磨耗、提高導電性、潤滑性、耐熱 性、和表面美觀。電鍍的目前研究及應用現(xiàn)狀電鍍分為掛鍍、滾鍍、連續(xù) 鍍和刷鍍等方式，主要與待鍍件的尺寸和批量有關(guān)。掛鍍適用于一般尺寸 的制品,如汽車的保險杠，自行車的車把等。滾鍍適用于小件，如緊固件、墊 圈、銷子等。連續(xù)鍍適用于成批生產(chǎn)的線材和帶材。刷鍍適用于局部鍍或 修復。電鍍液有酸性的、堿性的和加有鉻合劑的酸性及中性溶液，無論采 用何種鍍覆方式，與待鍍制品和鍍液接觸的鍍槽、吊掛具等應具有一定程度的通用性。電鍍工藝作為重要的表面工程技術(shù)，從1840年的鍍銀專利申

3、請至今，已有160多年的歷史。20世紀以來，隨著科學技術(shù)進步，工 業(yè)化程度不斷提高，汽車、機械裝備、船舶、航空、航天、電子、輕工等 工業(yè)對產(chǎn)品表面處理都離不開電鍍。今天，電鍍已從一般的裝飾防護向高 耐腐蝕及功能性方向發(fā)展。隨著電鍍新工藝、新材料和新設(shè)備不斷開發(fā)研 制、推廣應用，電鍍行業(yè)開創(chuàng) 了前所未有的新局面，應用領(lǐng)域不斷拓展。 當前經(jīng)濟全球化和科技創(chuàng)新是國際的兩大主流。經(jīng)濟全球化， 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整已在全球范圍內(nèi)進行，我國已成為國際發(fā)達國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的對象，不 少發(fā)達國家的產(chǎn)品，直接轉(zhuǎn)移到我國生產(chǎn)，我國已成為國際的生產(chǎn)大國。 科技創(chuàng)新、技術(shù)進步促進科學技術(shù)迅猛發(fā)展，發(fā)達國家的電鍍生產(chǎn)企業(yè)， 廣泛應

4、用信息技術(shù)進行現(xiàn)代化管理，電鍍工藝已采用先進的代鉻工藝、納 米技術(shù)。而在我們印制電路行業(yè)里，主要有兩個方面，孔金屬化和表面電 鍍，我們應用最多最廣的就是電鍍銅，這里就主要介紹一下鍍銅工藝的發(fā) 展方向。即水平電鍍和納米電鍍，前者應用于孔金屬化而后者在表面電鍍 有更加突出的優(yōu)勢。將兩者相結(jié)合這樣即能達到生產(chǎn)需求又可以保證產(chǎn)品 質(zhì)量。2水平電鍍技術(shù)2.1水平電鍍概述隨著印制電路技術(shù)的快速的發(fā)展，常規(guī)的垂直電鍍工藝漸漸的不能滿 足高質(zhì)量、高可靠性互連孔的技術(shù)要求。其主要原因需從電鍍原理關(guān)于電 流分布狀態(tài)進行分析，通過實際電鍍時發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)電流的分布呈現(xiàn)腰鼓形， 出現(xiàn)孔內(nèi)電流分布由孔邊到孔中央逐漸降低，致使

5、大量的銅沉積在表面與 孔邊，無法確保孔中央需銅的部位銅層應達到的標準厚度，有時銅層極薄 或無銅層，嚴重時會造成無可挽回的損失，導致大量的多層板報廢。為解 決量產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量問題，目前都從電流及添加劑方面去解決深孔電鍍問題。 在高縱橫比印制電路板電鍍銅工藝中，大多都是在優(yōu)質(zhì)的添加劑的輔助作 用下，配合適度的空氣攪拌和陰極移動，在相對較低的電流密度條件下進 行的。使孔內(nèi)的電極反應控制區(qū)加大，電鍍添加劑的作用才能顯示出來， 再加上陰極移動非常有利于鍍液的深鍍能力的提高，鍍件的極化度加大， 鍍層電結(jié)晶過程中晶核的形成速度與晶粒長大速度相互補償，從而獲得高 韌性銅層。然而當通孔的縱橫比繼續(xù)增大或出現(xiàn)深盲孔

6、的情況下，這兩種工藝措 施就顯得無力，于是產(chǎn)生水平電鍍技術(shù)。它是垂直電鍍法技術(shù)發(fā)展的繼續(xù)， 也就是在垂直電鍍工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新穎電鍍技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān) 鍵就是應制造出相適應的、相互配套的水平電鍍系統(tǒng)，能使高分散能力的 鍍液，在改進供電方式和其它輔助裝置的配合下，顯示出比垂直電鍍法更 為優(yōu)異的功能作用。2.1水平電鍍原理簡析水平電鍍與垂直電鍍方法和原理是相同的，都必須具有陰陽兩極，通 電后產(chǎn)生電極反應使電解液主成份產(chǎn)生電離，使帶電的正離子向電極反應 區(qū)的負相移動；帶電的負離子向電極反應區(qū)的正相移動，于是產(chǎn)生金屬沉 積鍍層和放出氣體。因為金屬在陰極沉積的過程分為三步：即金屬的水化 離子向陰極

7、擴散；第二步就是金屬水化離子在通過雙電層時，逐步脫水， 并吸附在陰極的表面上；第三步就是吸附在陰極表面的金屬離子接受電子 而進入金屬晶格中。從實際觀察到作業(yè)槽的情況是固相的電極與液相電鍍 液的界面之間的無法觀察到的異相電子傳遞反應。其結(jié)構(gòu)可用電鍍理論中 的雙電層原理來說明，當電極為陰極并處于極化狀態(tài)情況下，則被水分子 包圍并帶有正電荷的陽離子，因靜電作用力而有序的排列在陰極附近，最 靠近陰極的陽離子中心點所構(gòu)成的設(shè)相面而稱之亥姆霍茲(Helmholtz)外層，該外層距電極的距離約約1-10納米。但是由于亥姆霍茲外層的陽離 子所帶正電荷的總電量，其正電荷量不足以中和陰極上的負電荷。而離陰 極較遠

8、的鍍液受到對流的影響，其溶液層的陽離子濃度要比陰離子濃度高 一些。此層由于靜電力作用比亥姆霍茲外層要小， 又要受到熱運動的影響， 陽離子排列并不像亥姆霍茲外層緊密而又整齊，此層稱之謂擴散層。擴散 層的厚度與鍍液的流動速率成反比。也就是鍍液的流動速率越快，擴散層 就越薄，反則厚，一般擴散層的厚度約 5-50微米。離陰極就更遠，對流 所到達的鍍液層稱之謂主體鍍液。因為溶液的產(chǎn)生的對流作用會影響到鍍 液濃度的均勻性。擴散層中的銅離子靠鍍液靠擴散及離子的遷移方式輸送 到亥姆霍茲外層。而主體鍍液中的銅離子卻靠對流作用及離子遷移將其輸 送到陰極表面。所以在水平電鍍過程中，鍍液中的銅離子是靠三種方式進 行輸

9、送到陰極的附近形成雙電層。鍍液的對流的產(chǎn)生是采用外部向內(nèi)部以機械攪拌和泵攪拌、電極本身 的擺動或旋轉(zhuǎn)方式，以及溫差引起的電鍍液的流動。在越靠近固體電極的 表面的地方，由于其磨擦阻力的影響至使電鍍液的流動變得越來越緩慢， 此時的固體電極表面的對流速率為零。從電極表面到對流鍍液間所形成的 速率梯度層稱之謂流動界面層。該流動界面層的厚度約為擴散層厚度的的 十倍，故擴散層內(nèi)離子的輸送幾乎不受對流作用的影響。在電場的作用下，電鍍液中的離子受靜電力而引起離子輸送稱之 謂離子遷移。其遷移的速率用公式表示如下：zeoEu =6prh其中u為離子遷移速率、z為離子的電荷數(shù)、e0為一個電子的電荷 量（即1.610

10、19C）、E為電位、r為水合離子的半徑、h為電鍍液的粘度。 根據(jù)方程式的計算可以看出，電位E降落越大，電鍍液的粘度h越小，離 子遷移的速率也就越快。根據(jù)電沉積理論，電鍍時，位于陰極上的印制電路板為非理想的極化電極，吸附在陰極的表面上的銅離子獲得電子而被還原成銅原子，而使靠近 陰極的銅離子濃度降低。因此，陰極附近會形成銅離子濃度梯度。銅離子 濃度比主體鍍液的濃度低的這一層鍍液即為鍍液的擴散層。而主體鍍液中 的銅離子濃度較高，會向陰極附近銅離子濃度較低的地方，進行擴散，不 斷地補充陰極區(qū)域。印制電路板類似一個平面陰極，其電流的大小與擴散 層的厚度的關(guān)系式為COTTREL方程式：,ZFADCb-Co

11、】Id其中I為電流、Z為銅離子的電荷數(shù)、F為法拉第常數(shù)、A為陰極表 面積、D為銅離子擴散系數(shù)(D= KT/6prh )、Cb為主體鍍液中銅離子濃度、 Co為陰極表面銅離子的濃度、d為擴散層的厚度、K為波次曼常數(shù)(K = R / N )、T為溫度、r為銅水合離子的半徑、h為電鍍液的粘度。當陰極 表面銅離子濃度為零時，其電流稱為極限擴散電流ii :ZFADCbiid從上式可看出，極限擴散電流的大小決定于主體鍍液的銅離子濃度、 銅離子的擴散系數(shù)及擴散層的厚度。當主體鍍液中的銅離子的濃度高、銅 離子的擴散系數(shù)大、擴散層的厚度薄時，極限擴散電流就越大。根據(jù)上述公式得知，要達到較高的極限電流值，就必須采取

12、適當?shù)墓?藝措施，也就是采用加溫的工藝方法。因為升高溫度可使擴散系數(shù)變大， 增快對流速率可使其成為渦流而獲得薄而又均勻的擴散層。從上述理論分 析，增加主體鍍液中的銅離子濃度，提高電鍍液的溫度，以及增快對流速 率等均能提高極限擴散電流，而達到加快電鍍速率的目的。水平電鍍基于 鍍液的對流速度加快而形成渦流，能有效地使擴散層的厚度降至10微米左 右。故采用水平電鍍系統(tǒng)進行電鍍時，其電流密度可高達8A/dm2印制電路板電鍍的關(guān)鍵，就是如何確保基板兩面及導通孔內(nèi)壁銅層厚 度的均勻性。要得到鍍層厚度的均勻性，就必須確保印制板的兩面及通孔 內(nèi)的鍍液流速要快而又要一致，以獲得薄而均勻的擴散層。要達到薄均勻 的

13、擴散層，就目前水平電鍍系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看，盡管該系統(tǒng)內(nèi)安裝了許多噴咀, 能將鍍液快速垂直的噴向印制板，以加速鍍液在通孔內(nèi)的流動速度，致使 鍍液的流動速率很快，在基板的上下面及通孔內(nèi)形成渦流，使擴散層降低 而又較均勻。但是，通常當鍍液突然流入狹窄的通孔內(nèi)時，通孔的入口處 鍍液還會有反向回流的現(xiàn)象產(chǎn)生，再加上一次電流分布的影響，會常常造 成入口處孔部位電鍍時，由于尖端效應導致銅層厚度過厚，通孔內(nèi)壁構(gòu)成 狗骨頭形狀的銅鍍層。根據(jù)鍍液在通孔內(nèi)流動的狀態(tài)即渦流及回流的大小， 導電鍍通孔質(zhì)量的狀態(tài)分析，只能通過工藝試驗法來確定控制參數(shù)達到印 制電路板電鍍厚度的均勻性。因為渦流及回流的大小至今還是無法通過理 論計

14、算的方法獲知，所以只有采用實測的工藝方法。從實測的結(jié)果得知， 要控制通孔電鍍銅層厚度的均勻性，就必須根據(jù)印制電路板通孔的縱橫比 來調(diào)整可控的工藝參數(shù)，甚至還要選擇高分散能力的電鍍銅溶液，再添加 適當?shù)奶砑觿┘案倪M供電方式即采用反向脈沖電流進行電鍍才給獲得具有 高分布能力的銅鍍層。特別是積層板微盲孔數(shù)量增加，不但要采用水平電鍍系統(tǒng)進行電鍍， 還要采用超聲波震動來促進微盲孔內(nèi)鍍液的更換及流通，再改進供電方式 利用反脈沖電流及實際測試的的數(shù)據(jù)來調(diào)正可控參數(shù)，就能獲得滿意的效 果。2.3水平電鍍系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)根據(jù)水平電鍍的特點，它是將印制電路板放置的方式由垂直式變成平 行鍍液液面的電鍍方式。這時的印制電

15、路板為陰極，而電流的供應方式有 的水平電鍍系統(tǒng)采用導電夾子和導電滾輪兩種。從操作系統(tǒng)方便來談，采 用滾輪導電的供應方式較為普遍。水平電鍍系統(tǒng)中的導電滾輪除作為陰極 外，還具有傳送印制電路板的功能。每個導電滾輪都安裝著彈簧裝置，其 目的能適應不同厚度的印制電路板（0.10 5.00mm電鍍的需要。但在電 鍍時就會出現(xiàn)與鍍液接觸的部位都可能被鍍上銅層，久面久之該系統(tǒng)就無 法運行。因此，目前的所制造的水平電鍍系統(tǒng)，大多將陰極設(shè)計成可切換 成陽極，再利用一組輔助陰極，便可將被鍍互滾輪上的銅電解溶解掉。為 維修或更換方面起見，新的電鍍設(shè)計也考慮到容易損耗的部位便于拆除或 更換。陽極是采用數(shù)組可調(diào)整大小的

16、不溶性鈦籃，分別放置在印制電路板 的上下位置，內(nèi)裝有直徑為 25mn圓球狀、含磷量為0.004 0.006 %可溶 性的銅、陰極與陽極之間的距離為 40mm鍍液的流動是采用泵及噴咀組成的系統(tǒng)，使鍍液在封閉的鍍槽內(nèi)前后、上下交替迅速的流動，并能確保鍍液流動的均勻性。鍍液為垂直噴向印制電路板，在印制電路板面形成沖壁噴射渦流。其最終目的達到印制電 路板兩面及通孔的鍍液快速流動形成渦流。另外槽內(nèi)裝有過濾系統(tǒng)，其中 所采用的過濾網(wǎng)為網(wǎng)眼為1.2微米，以過濾去電鍍過程中所產(chǎn)生的顆粒狀 的雜質(zhì)，確保鍍液的干凈無污染。在制造水平電鍍系統(tǒng)時，還要考慮到操作方便和工藝參數(shù)的自動控制。因為在實際電鍍時，隨著印制電路

17、板尺寸的大小、通孔孔徑的尺寸的 大小及所要求的銅厚度的不同、傳送速度、印制電路板間的距離、泵馬力 的大小、噴咀的方向及電流密度的高低等工藝參數(shù)的設(shè)定，都需要進行實 際測試和調(diào)整及控制，才能獲得合乎技術(shù)要求的銅層厚度。就必須采用計 算機進行控制。為提高生產(chǎn)效率及高檔次產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和可靠性，將 印制電路板的通孔前后處理（包括鍍覆孔）按照工藝程序，構(gòu)成完整的水 平電鍍系統(tǒng)，才是滿足新品開發(fā)、上市的需要。3納米電鍍技術(shù)3.1電鍍中納米技術(shù)的應用納米電鍍可以分為電鍍金屬晶體顆粒類納米電鍍和外加納米粉攪拌電 鍍兩大類。3.1.1電鍍金屬晶體顆粒類納米電鍍這類電鍍得到的鍍層，晶體結(jié)構(gòu)致密，鍍層抗腐蝕能力

18、強，這類電鍍 又由三種不同的方法得到：第一種是通過斷流脈沖電源得到，第二種是通過 添加劑得到，第三種是通過金屬離子型晶體生長抑制劑。前兩種方法只改 變結(jié)晶方式，提高晶核的成核率，得到納米級晶體顆粒鍍層；通過金屬離子 型晶體生長抑制劑得到的鍍層，除具有抗腐蝕能力強的特點之外，還具有 軸承合金的特點，耐磨性優(yōu)于單金屬鍍層。3.1.2外加納米粉攪拌電鍍這類電鍍得到的鍍層，是挾雜著納米粉顆粒，鍍層晶體包裹著納米顆 粒，這種鍍層具有軸承合金的特點，耐磨性優(yōu)于單金屬鍍層。3.2納米電鍍的原理和技術(shù)納米電鍍分成三個階段：懸浮于鍍液中的納米粒子，由鍍液深處向陰 極表面附近輸送，主要動力是攪拌形成的動力場；納米

19、粒子粘附于陰極表 面,其動力學因素比較復雜，與粒子特性、電極基質(zhì)金屬、鍍液成分、添加 劑特性和電鍍工藝條件有關(guān)；納米粒子被陰極上沉積的金屬牢固地嵌入。3.2.1納米電鍍沉積技術(shù)電鍍的基本原理就是在電場作用下，帶電離子沉積在被鍍物上，鍍層質(zhì) 量與鍍液中的離子濃度和工藝參數(shù)密切相關(guān)。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的 日漸提高、工藝參數(shù)的選擇及各種添加劑的合理使用，一種所謂納米晶鍍層 結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到實際應用，使得鍍層的硬度、耐磨性有顯著提高，光潔度和致 密性得到改善，氣孔率大幅度下降，出現(xiàn)“無氣孔鍍層”概念,這對于用于電 接觸材料的貴金屬鍍層有著重要意義。3.2.2納米復合電鍍復合鍍層的研究始于20世紀80年

20、代。實踐證明,在鍍層中引入高度彌散的納米粒子，構(gòu)成所謂納米復合鍍層，其表面電接觸特性會發(fā)生很大變化 并可按照設(shè)計要求實現(xiàn)功能性的改進。例如將Ni包覆SiO2納米粒子引入Ni+P/Cu鍍液中,SiO2含量為1g/L時鍍層硬度可達 HV600,經(jīng)400C、1h熱 處理后,鍍層硬度可達HV900同樣引入Ni包覆AI2O3納米粒子、SiC納米 粒子、金剛石粉納米粒子等，在Ni/Cu鍍層中,都能大幅度提高鍍層硬度， 使其具有優(yōu)良的抗微動摩擦性能。納米粒子的引入方式和后工序加工及熱 處理工藝是納米電鍍的主要技術(shù)關(guān)鍵，前者保證復合鍍層的制取，后者有助 于進一步發(fā)揮復合鍍層的最佳功能。3.2.3 生成納米晶體

21、顆粒的原理【1】通過斷流脈沖電源的作用生成納米晶體的電鍍晶體的生長過程是由晶核形成，晶核生長成晶胞，晶胞生長成晶體的 過程，在這過程中，如果電流不間斷，晶體可以向所有空間生長，并不斷 地生成晶枝，使晶體間存在空穴，導致電鍍生成的晶體不像熱融后冷卻生 長的晶體。斷流脈沖電源能在電流停止的時候，晶體也同時停止生長。在 電流重新導通時，新的晶核又重形成?！?】通過添加劑的作用生成納米晶體的電鍍跟前論述的一樣，在電鍍過程中，晶體生長的過程是不變的。在電流 不間斷的條件下，晶體總是向縱向生長，及向晶枝長大的方向成長，使晶 枝不斷地長大，最終結(jié)果是晶枝之間的空穴很多，導致鍍層的致密性差。 添加劑的作用是添

22、加劑本身吸收微觀高電流密度點電了，抑制晶枝的生長，使新的晶核生成。金屬離子型晶體生長抑制劑除具有上述的性能之外，它 在這一個微觀點上生成另外一種金屬，使鍍層里面均勻地分布著另外一種 金屬顆粒。這些金屬可以根據(jù)鍍層性能的需要來添加。5結(jié)束語隨著高新技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在是向著水平電鍍方向發(fā)展，相比于垂直電鍍其有以下優(yōu)勢和改進:（1）適應尺寸范圍較寬，無需進行手工裝掛，實現(xiàn)全部自動化作業(yè)， 對提高和確保作業(yè)過程對基板表面無損害，對實現(xiàn)規(guī)?；拇笊a(chǎn)極為有 利。（2）在工藝審查中，無需留裝夾位置，增加實用面積，大大節(jié)約原材 料的損耗。（3） 水平電鍍采用全程計算機控制，使基板在相同的條件下，確保每 塊印制電路板的表面與孔的鍍層的均勻性。（4）從管理角度看，電鍍槽從清理、電鍍液的添加和更換，可完全實 現(xiàn)自動化作業(yè)，不會因為人為的錯誤造成管理上的失控問題。（5） 從實際生產(chǎn)中可測所知，由于水平電鍍采用多段水平清洗，大大 節(jié)約清洗水的用量及減少污水處理的壓力。（6）由于該系統(tǒng)采用封閉式作業(yè)，減少對作業(yè)空間的污染和熱量的蒸 發(fā)對工藝環(huán)境的直接影響，大大改善作業(yè)環(huán)境。特別是烘板時由于減少熱量的損耗，節(jié)約了能量的無謂消耗及大大提高生產(chǎn)效率 。而在電鍍中使用納米技術(shù)，可以使表面鍍層達到常規(guī)電鍍無法達到的 水平，即優(yōu)良的耐磨性、抗腐蝕性，表面鍍層的均勻性、致密性