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连续电镀工艺

随着电子工业的发展,作为连接电子电路的电子接插件也趋于多样化,如:套筒用电子接插件、接口用电子接插件、内部组装用电子接插件等,这些接插件从实用性考虑,正向高密度化、轻、薄、小型化、多功能化、高可靠性化方向发展。

电子接插件的最基本性能是电接触的可靠性,为此,接插用材料主要为铜及其合金,为提高其耐蚀性和耐磨性等,必须进行必要的表面处理。

电子接插件代表性的表面处理方法是以镀镍打底的镀金工艺,或是以镀铜打底的镀可焊性镀层工艺。

银镀层的耐蚀性较差,现在使用的较少;钯及钯合金镀层作为代金镀层已开发了近十年,作为耐磨性镀层,用于插拔次数较多的电子接插件的表面处理已得到应用。

下面对电子接插件连续加速电镀的加工工艺、镀液和镀层性能等作一介绍。

1连续快速电镀的加工工艺
连续快速电镀的加工工艺本质上与一般电镀并无区别,然而各工艺过程的处理时间要比普通电镀短得多,因此各种处理液、镀液要具有适应快速电镀的能力。

1.1以镀镍层打底的镀金工艺
工艺流程如下:
上挂具→除油→水洗→水洗→水洗→酸洗→水洗→水洗→水洗→氨基磺酸盐镀Ni→水洗→水洗→水洗→局部脉冲镀Au→回收→回收→水洗→水洗→水洗→局部镀Sn-Pb合金→水洗→水洗→水洗→去离子水洗→去离子热水洗→干燥→下挂具→检查(厚度、结合强度、外观、可焊性、局部镀的位置等)
下面对工艺中的主要工序作一简单说明。

(1)除油与普通化学除油不同,除油时间仅为2~5s。

这样,普通浸渍方式的除油已不能满足要求,需要进行高电流密度下的多级电化学除油。

对除油液的要求是:如果除油液带入下道的水洗槽或酸洗槽中,不应发生分解或产生沉淀。

(2)酸洗酸洗是为了除去金属表面的氧化膜,常使用硫酸或盐酸。

由于电子接件对尺寸要求严格,所以酸洗液对基体不应有溶解作用。

(3)镀镍镀Ni层作为镀Au和Sn-Pb合金镀层的底层,不仅提高耐蚀性,而且可防止基体的Cu与Au、Cu与Sn-Pb合金的固相扩散。

电子接插件在进行切割、弯曲加工时镀层不应脱落,因此最好采用氨基磺酸镍镀液。

(4)局部镀金局部镀Au有各种方法,国内外已申请了许多专利。

其方法大都是把不要的部分遮住,仅使需要电镀的部分与镀液接触,从而实现局部电镀。

局部镀Au需要考虑的问题有:①从生产角度考虑,应采用高电流密度电镀;②镀层厚度分布要均匀;③严格控制需镀覆的位置;④镀液应对各种基体有通用性;⑤维护调整简单。

(5)局部可焊性电镀局部可焊性电镀没有局部镀金那样苛刻,可采用比较经济的电镀方法与设备。

把需要电镀的部分浸入镀液,让不需要电镀的部分露出液面,即通过控制液位的方法可实现局部电镀。

为降
低污染,可采用有机酸盐镀液,镀层组成为:Sn∶Pb=9∶1左右,镀层厚度为1~3μm。

外观要光亮、平整。

1.2以镀铜层打底的可焊性电镀工艺
典型工艺流程如下:
上挂具→除油→水洗→水洗→水洗→酸洗→水洗→水洗→水洗→KCN活化→氰化镀铜→水洗→水洗→水洗→酸洗→水洗→电镀Sn-7%Pb合金→水洗→水洗→水洗→防变色→水洗→水洗→去离子水洗→去离子热水洗→干燥→下挂具→检查(厚度、结合强度、外观、可焊性)
铜镀层主要是起阻挡层的作用,防止基体(主要是黄铜)中的锌和可焊性镀层中的锡发生固相扩散。

为提高焊接后的零件的导热性,铜镀层的厚度为1~3μm。

电镀铜的镀液除可用氰化物镀液外,近年来开始使用烷基磺酸或烷醇基磺酸等有机酸体系的镀液。

纯锡镀层易从镀层表面产生晶须,如果在锡中共沉积5%以上的铅,形成Sn-Pb合金镀层,则可防止晶须的产生。

在Sn-Pb合金共沉积时,Pb比Sn容易沉积,因此,镀液中[Sn4+]/[Pb2+]=9∶1时,即可得到含铅量10%以上的合金镀层。

随着电镀的进行,镀液中的Pb2+逐渐减少,对镀液需进行定期分析,据以补充Pb2+。

可焊性镀层在空气中会慢慢氧化,为减缓其氧化速度,镀后可在50~80℃的磷酸盐水溶液中浸渍,在镀层表面形成致密的磷酸盐膜。

1.3以镀镍层打底的电镀Pd/Au工艺
代表性的工艺流程如下:
上挂具→除油→水洗→水洗→水洗→酸洗→水洗→水洗→水洗→氨基磺酸盐镀Ni→水洗→水洗→水洗→活化(闪镀Pd)→局部镀Pd→回收→水洗→水洗→水洗→局部脉冲镀Au→回收→回收→水洗→水洗→水洗→电镀Sn-7%Pb合金→水洗→水洗→水洗→去离子水洗→去离子热水洗→干燥→下挂具→检查(厚度、结合强度、外观、可焊性、局部镀的位置等)
在镍镀层与金镀层之间插入钯镀层,控制钯镀层的厚度在0.5~1.0μm。

由于钯镀层硬度较高,若厚度过大(超过1.5μm),则进行弯曲或切割时镀层易产生裂纹。

由于钯较昂贵,所以常采用局部镀的方法。

镀钯液一般为中性到碱性,为提高镍与钯的结合强度,需在镍表面闪镀钯镀层。

电镀钯之后,再镀0.03~0.13μm的金镀层,可使接触电阻稳定,并且在插拔时,金镀层有自润滑作用,从而提高耐磨性。

2电镀触点用镀层
2.1电镀金的镀液及镀层性能
镀液的类型镀层用途
含钴的酸性镀金液电镀触点用金镀层,广泛用于接插件,镀层含0.1%~0.3%Co,具有美丽的外观,镀层较硬
含镍的酸性镀金液电镀触点用金镀层,镀层含0.1%~0.3%Ni,镀层性质与含钴的镀层相同,但外观稍差.镀液中Ni2+含量调整容易
含铁的酸性镀金液电镀触点用金镀层,镀层含0.1%~0.3%Fe,镀层性质与含钴的镀层相同
中性硬金镀液镀层为硬质纯金,镀液中Au(CN)2-含量高达30~50g/L
碱性金镀液镀层为软质纯金
这里,使用最广泛的是含钴的酸性镀金液,其镀液组成如下:KAu(CN)25~30g/L,柠檬酸(或柠檬酸钾)80~150g/L,Co2+0.2~0.5g/L,螯合剂1~10g/L,有机添加剂1~10g/L,pH4.0~5.0,操作温度为40~60℃。

KAu(CN)2是主要成分,镀金时采用不溶性阳极,需要根据金的析出量来补充
KAu(CN)2。

这样,K+、CN-在镀液中逐渐积累,改变溶液组成。

当pH≥5时,KAu(CN)2与Co2+反应,生成沉淀,从而使钴的沉积困难。

因此,镀液的pH值应控制在4.0~5.0。

柠檬酸盐起导电盐的作用,对镀液也有缓冲作用.在酸性镀金中若没有缓冲剂,电镀时pH上升,镀层的物理性质发生变化,因此,缓冲剂的作用是非常重要的。

Co2+是过渡金属离子光亮剂,它有使镀层结晶细致、表面光亮、提高硬度、改善耐蚀性等作用。

Co 在镀层中的含量为0.1%~0.3%,也有报道认为,K、N、C等也与Co结合一起进入镀层,镀液pH值升高,镀层中Co的共沉积量减少。

除Co2+以外,Ni2+、Fe2+也有类似的作用。

镀液中若含有Pb2+、Cu2+等重金属离子,镀层质量则变差,螯合剂则可以掩蔽这些重金属离子,还可与Co2+等过渡金属离子形成络合物,从而控制镀液中游离的简单金属离子的浓度,具有保持Co共沉积稳定的作用。

近年来,有机添加剂开始在镀金溶液中使用,如:聚乙抱亚胺、磺酸衍生物、吡啶化合物等,这些添加剂的加入,可扩大光亮范围、镀液中Au+离子的浓度可以降低、拓宽使用电流密度范围、改善镀液分散能力,但对镀层硬度、内应力、耐磨性等基本没有影响。

关于有机添加剂方面的专利报道较多。

含钴的酸性镀液中得到镀层结晶粒径在25nm以下(纯Au镀层的粒径为1~2μm),镀层硬度高(170~200HV,纯Au镀层为70~80HV),镀层表面光亮。

镀层具有高耐磨性是由于在高硬度下镀层内应力大(100~300N/mm2),柔软性小。

镀层中的钴,一部分以金属原子状态存在,也有一部分与K+、CN-结合形成络合物而存在。

耐磨性好的镀层,金属原子状态钴含量在0.06%~0.2%,形成络合物的钴含量在0.08%以上。

以金属原子状态存在的钴易向镀层表面扩散,在表面氧化形成氧化钴,使镀层的接触电阻增大,当温度较高时,这种现象更明显。

镀层特性因电镀条件而变,如表2所示。

钯是易吸氢的金属,吸氢以后体积增大,而当放出已吸藏的氢时,体积减小。

钯的晶格常数为0.3889nm,当吸氢量为0.57%以上时,晶格常数增加到0.404nm。

因此,在电镀钯时,如果阴极上析氢,镀层中就会夹杂有氢,当氢放出时,镀层体积发生变化,造成镀层脱落或产生裂纹。

钯具有催化作用,这使其作为触点材料受到限制。

但是,通过在中性或碱性络合物镀液中电镀钯,或在氨碱性镀液中电镀Pd-Ni合金,可使镀层含氢量减少,在Pd或Pd-Ni合金镀层上再镀一层薄金镀层,则可防止钯的催化作用,从而可作为接点材料使用。

Pd或Pd-Ni合金镀层最初是作为代金镀层而开发的,但是目前在电子接插件上使用的金镀层一般厚度较薄,并且大都采用局部镀,因此消耗金的费用在整个材料费中所占的比例已较低,况且电镀钯还使工艺过程复杂,所以从经济角度考试,钯镀层作为代金镀层已失去其魅力。

Pd及Pd-Ni合金镀层上再镀一薄层金镀层,其耐蚀性和接触电阻都与金相当,硬度比金镀层高(纯Pd 为2500~6000N/mm2,Pd-Ni为4000~6000N/mm2),耐磨性比金镀层好,因此可用在插拔次数较多的电子接插件上。

3快速电镀
为保证连续快速电镀生产,必须采用快速电镀工艺,即在高电流密度(或高电位)下电镀,从而使镀层结晶细致,减少镀层针孔,改善度层质量。

快速电镀需要解决的问题主要有:
(1)使阴极表面形成的扩散层的厚度尽量薄,可采用脉冲电流,或加强搅拌;
(2)在不影响局部镀的位置精度的前提下,可向镀件表面高速喷射镀液;
(3)提高被镀基体的导电性;。

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