脉冲电镀应用现状及对策分析

脉冲电镀应用现状及对策分析 于永民。孙斌 (中原工学院，河南郑州450007) [摘要] 脉冲电镀具有镀件质量好、生产效率高、节约原材料及环保等优点。分析了单金属电镀、合金电镀在国内企业中的研究及应用现状，研究表明，大型企业由于研发实力较强，脉冲电镀技术应用情况较好，但是，中小企业由于经济实力及技术水平的限制，推广应用还比较困难。指出降低脉冲电源价格、优化普通金属脉冲电镀工艺配方是推动该技术在国内中小企业应用的有效途径。 [关键词] 脉冲电镀；小企业；现状；对策 ‘ 【中图分类号]TQ153 【文献标识码]B [文章编号]1001—3660(2006)03—0082—03

1 脉冲电镀的原理及优点 1．1 脉冲电镀原理 脉冲电镀是使电镀回路周期性地接通和断开，或者在固定直流上再叠加某一波形脉冲的电镀方法。与普通电镀相比，这种方法具有镀层平整致密、附着性好，电流效率高、环保性能好等优点，在一般的研究和应用中，脉冲电镀所使用的脉冲方式可分为单向脉冲和双向脉冲两种。使用的脉冲波主要是矩形波和正弦波。 用直流电电镀时，在阴极和溶液界面处形成较厚的扩散层，使阴极表面金属离子浓度降低产生浓差极化，限制了电沉积的速度，使用较大的电流密度不但不能提高镀速，反而使阴极上的氢气析出量增加，电流效率降低，镀层质量变坏出现氢脆、针孔、麻点、烧焦和起泡等。脉冲电镀由于有关断时间，被消耗的金属离子利用这段时间扩散补充到阴极附近、当下一个导通时间到来时，阴极附近的金属离子浓度得以恢复，故可以使用较高的电流密度。脉冲电镀峰值电流可以大大高于平均电流，促使晶种的形成速度高于晶体长大的速度，使镀层结晶细化，排列紧密，孔隙减少，硬度增加。 1．2 脉冲电镀的优点 脉冲电镀与传统的直流电镀比较，有如下优点 ： 1)镀件质量高 主要表现为：具有镀层孔隙率低，可得到光亮均匀致密的镀层，提高镀层的抗腐蚀性能；较好的结合力，较好的分散力，能增加镀层的密度，增加硬度，提高延展性和耐磨性，改进了镀层的物理性能。 2)镀层厚度薄 在相同的镀层性能指标的前提下，可使镀层厚度减薄1／3—1／2，进而可节约原材料(如黄金、白银等)10％ 一20％ ，这对金、银、锡、锗、镍等贵金属来说，具有十分重大的经济意义。 3)生产效率高 脉冲电镀大幅度提高了瞬时电流密度，使其平均电流密度有可能大于直流电镀的实际电流密度。因而，加速了电沉积速度，使生产效率增高，一般可减少受镀时间1／3—1／2，或更多的时间。 4)改进常规的电镀溶液配方和工艺 在直流电镀中，为了实现合金共沉积、增加镀层的光亮度或者是改善镀层的物理性能，通常要加入络合剂、光亮剂等添加剂，而这些添加剂通常都是毒性很强的溶液，所以对生产和环保非常不利。使用脉冲电镀，可以通过调节6个电镀参数(双向脉冲)来获得好质量的镀层，而又不使用任何的添加剂。 2 脉冲电镀的研究及应用现状 2．1 脉冲单金属电镀 脉冲单金属电镀，尤其贵金属电镀仍是脉冲电镀研究应用的重要领域，双向脉冲电镀工艺更显现出其突出的优点。国内～ 电子封装研究室在仅有3O一40 m 的电镀车间内装配1O台左右的双脉冲电镀电源，用于镀镍、镀金等，质量高，销售旺盛。这样的单位国内有好多家。除贵金属外，近年来普通金属的脉冲电镀工艺研究及应用也取得了很大进展。例如，美国的Lucent公司在占空比为25％一30％ 、工作时间为0．05—0．5ms、电流密度为0．1—0．4A／din的条件下，于硫酸亚锡镀液中镀出了超细晶粒光亮度很高的锡 镀层，其晶粒尺寸为8—22 nm。 2．2 脉冲合金电镀 脉冲电源尤其智能化的脉冲电源，可以精确控制槽端电压及具有恒流、恒压功能，被广泛用于合金电镀以控制其合金组分比例，与直流电镀相比，具有明显的优点。众所周知，要使两种或几种金属离子在阴极上共析出，必要条件是它们的放电电位接近。金属离子的放电电位由三部份加和构成，即金属的平衡电位，金属离子的浓度(严格讲应为活度)以及金属离子的放电过电位(阴极极化)。对于两种金属的平衡电位相近，电极极化也不大的金属，可以从它们的简单盐溶液中实现共沉积。显然放电金属离子的浓度成为影响共沉积的主要因素。直流电镀的特点是沉积金属离子受扩散控制，而脉冲电镀借助关断时间内扩散层的松驰，能够克服自然传递的限制使金属离子浓度得到恢复，因而有利于金属离子共沉积。对于两金属平衡电位相差较大，这时除使用络合剂改变沉积金属离子的浓度使欲沉积的两种金属的平衡电位数值相近外，由于脉冲电镀时瞬间的峰电位很高，也有利于金属离子的共沉积。 目前，在工业中已经广泛应用的合金电镀体系有金合金、银合金、钯合金、镍合金、钴合金、铬合金、铜合金等 。此外，利用脉冲电镀还可以很方便地实现成层合金。成层合金义称为复合电镀，它是由单金属和一层合金相问组成的。这种成层合金的许多物理化学性能都优于单一金属。美国国家标准局电沉积组研究人员从一种简单盐镀液中应用双脉冲电镀技术沉积分层合金。例如，由一层纯铜和一层铜一镍合金相间组 成的分层合金。每一层的厚度由几个埃到1万埃(1A=0．1 m)其总厚度可达25 m以上。 2．3 脉冲电镀低应力的光亮镀层 在电子工业和装饰性电镀中要镀出低应力的光亮镀层通常方法是往镀液中加入应力降低剂和光亮剂，但这种方法得到的镀层往往结合力不好、脆性大，尤其在电子工业中应用受到限制。若使用脉冲电镀可以不加或少加添加剂，并可得到应力较低又有一定光亮度的各种金属镀层。此项技术应用已引起电镀 界的高度重视。 2．4 脉冲电镀在国内的应用状况 在国内，一些大型企业也开始尝试应用脉冲电镀取代传统的直流电镀。在这些企业，以往一直使用的是直流电镀。为提高镀件质量，他们希望改用脉冲电镀，但又不愿意改变工艺已经成熟了的镀液。在这种情况下，仅仅使用脉冲电源进行脉冲电镀，一样可以得到比直流电镀质量高得多的电镀层，例如电子部七所、国营159厂(哈尔滨)、南洋电器厂、广州晶体材料公司、广州手表厂等。 这些企业在使用时，都没有改变镀液，仍然使用直流电镀时的镀液作脉冲电镀，效果非常好。例如电子部七所的镀镍锡合金表壳，耐磨性提高1倍；国营159厂的印制板镀金，光亮度显著提高；南洋电器厂镀银，镀层均匀，色泽漂亮，把直流电镀和脉冲电镀的试片，存放1a以后，发现直流电镀试片发黄，而脉冲电 镀试片仍然非常光亮；广州晶体材料公司，将同一溶液中脉冲电镀的Pc宝石磨盘和直流电镀的DC宝石磨盘发给用户使用，用户纷纷要求买Pc盘，因它寿命长。现在这个公司已全部改用脉冲电镀，而不用直流电镀。广州芳村滚镀镍使用脉冲电镀后，镀层更加光亮，沉积速度快，镀层不脆裂，并且改变脉冲参数，可控制镀层的硬度和应力。珠海手表厂对表壳使用脉冲镀金后，耐磨性能较相同条件下直流镀金提高30％。 3 脉冲镀在中小企业应用的困难及解决思路 目前，脉冲电镀技术在大型企业应用较多，而在中小企业推广却比较困难，原因主要有两点。 3．1 脉冲电源价格昂贵 由于技术复杂的原因，脉冲电镀电源的价格比较昂贵。例如，最大输出电流为500A的直流电源市场价格大概为6000元，而同样的双脉冲电镀电源价格大概为40000元(绍兴承天电器有限公司报价)，是直流电源的6倍多。众所周知，电子产品的生产成本非常低，脉冲电镀电源价格高的原因主要是开发成本高。如此昂贵的设备加大了电镀制品的生产成本，而许多中小企业生产的又都是附加值不太高的普通电镀产品(如钢铁镀 锌、镍、铬等)，因此脉冲电镀技术在这些企业应用就比较困难。 3．2 电镀工艺尚未成熟 经过上百年的生产实践，直流电镀技术现已比较成熟，无论是何种电镀，现在技术上几乎都能实现，并且镀层质量也相当好。而脉冲电镀技术引进国内只有十几年的时间，并且脉冲电镀也仅仅在贵金属电镀中应用较多，因此，无论是镀液配方，还是生产工艺，都相当不完善。从技术上讲，控制直流电镀的参数 只有1个：电流密度，而双脉冲电镀的参数就有6个，它们对镀层质量都会造成影响，所以探索脉冲电镀的生产工艺就很困难。可以这样说，对于多数工业上常用的直流电镀，其生产工艺已经不是什么商业秘密，而是一些公开的技术标准，直接按照这个标准去生产就可以了。所以，直流电镀的技术成本也非常低，这对研究能力不强的中小企业来说，无疑是件很好的事情。但是，脉冲电镀就不一样了，由于其发展时间短，技术复杂，所以脉冲电镀的生产工艺只掌握在那些拥有研发能力的大型企业手里，对于多数中小企业来讲，要想获得这种技术，只有购买，这加大了产品的生产成本。脉冲电镀的最大优点是提高镀层质量。这一点是不可否认的。但从目前的研究情况看，提高镀层质量的程度对各种金属或合金来讲是不一样的。例如，对于贵金属，脉冲电镀镀层的质量就相当好，而对于普通金属(例如锌)，镀层质量改善就不是很明显。据我们分析，原因可能在于：贵金属电镀主要应用于高附加值的制品中，所以研究得就比较多，可以说已经找到了脉冲电镀的最佳工艺；而对于普通金属电镀，却很少引起研究人员的关注，所以至今仍然没有很大的改善 。从前几年国内外电镀方面的研究论文，可以看出这一点，如果说贵金属电镀有lO篇研究论文的话，普通电镀最多只有2篇。 3．3 解决思路 总之，由于设备成本高、技术成本高、质量改善不明显等因素，普通金属脉冲电镀在中小企业的推广就比较困难，要解决这个问题，我们的思路是：1)通过开发，把原来使用的直流电源改装成脉冲电源，从而降低设备成本；2)针对中小电镀企业生产的特点，研究常用金属(或合金)脉冲电镀技术，找到其最佳镀液配方和工艺，从而明显改善镀层质量。 [ 参 考 文 献 ] 【1] 向国朴．脉冲电镀的原理与应用[J]，工业技术，1987，(9)：3O [2] 张忠减，叶任宇．脉冲电镀研究进展[J] 山东工业大学学报，1992，22(3)：81 [3] 向国朴，脉冲电镀的理论与应用[Mj．天津：天津科学技术出版社，1989． [4] 范宏义．微电化学中反向脉冲电镀镍和镍合金[J]．材料保护，2002，(8)：68 [5 J 邢丕峰，赵鹏骥．316不锈钢滤板上钯银合金的脉冲电镀[J]．高技术通汛 1997，(5)：62 [6] 刘仁志，电镀新工艺和新技术的回顾与展望[J]．表面技术，2001，3O(5)：7 [7] 韩苗兴，何永夫．电镀用脉冲电源的推广[J]，表面技术，2002，31(5)：64 [8] 许维源．近年来脉冲电镀发展概况[J]．电镀与涂饰，2003，22(6)：4】