高海桓，卜路霞，王　為

(1.天津市第四中學，天津 300211；　2.天津農(nóng)學院 基礎科學學院，天津 300384；　3.天津大學 化工學院，天津 300072)

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淺談電鍍技術的發(fā)展及應用

高海桓1，卜路霞2，王為3

(1.天津市第四中學，天津 300211；2.天津農(nóng)學院 基礎科學學院，天津 300384；3.天津大學 化工學院，天津 300072)

摘要：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電鍍技術也在不斷地發(fā)展，從最初的防護裝飾性鍍層，逐漸發(fā)展出各種功能鍍層。進入21世紀，電鍍技術的應用已經(jīng)拓展到微電子、微電機系統(tǒng)(MEMS)、再制造等高技術領域，并發(fā)展成為這類高技術領域的關鍵技術。

關鍵詞:電鍍技術;發(fā)展;應用；復合鍍層；微電子；再制造

引言

電鍍技術于20世紀開始興起，在材料的防護及裝飾等領域應用廣泛[1-6]。進入21世紀，科學技術突飛猛進，學科間相互滲透，交叉學科快速發(fā)展。電鍍技術在這場科技發(fā)展的大浪潮中也實現(xiàn)了自身的突破，逐漸從防護裝飾性電鍍發(fā)展為功能電鍍，其應用領域已經(jīng)拓展到微電子、微電機系統(tǒng)(MEMS)和再制造等高技術領域，并發(fā)展成為這類高技術領域的關鍵技術。在此，介紹相關的研究進展。

1電鍍技術的發(fā)展

1.1Ni-Co合金鍍層

Ni-Co合金鍍層具有優(yōu)異的高溫耐磨性能，已經(jīng)成功應用到鋼廠連鑄連軋機的關鍵部件結晶器表層，大幅度提高了結晶器的使用壽命[7-10]。

連鑄結晶器的工作θ在350℃左右。連鑄結晶器應具有良好的導熱性，同時還需承受與鋼坯之間的摩擦。為此，連鑄結晶器通體采用銅合金制造，并在結晶器與鋼坯相接觸的表面制備一層厚度在數(shù)毫米的高溫耐磨材料層。Ni-Co合金鍍層優(yōu)異的高溫耐磨性能正適應了結晶器對與鋼坯相接觸表面的高溫耐磨性要求。目前，Ni-Co合金鍍層已經(jīng)大量應用在連鑄結晶器表層鍍層材料(圖1)。

圖1　銅板結晶器表面的Ni-Co合金鍍層

1.2電鍍納米金屬多層膜

納米金屬多層膜是一種由厚度在納米尺度的不同金屬層交替疊加形成的金屬多層膜。由于構成納米金屬多層膜的各金屬材料層的厚度在納米尺度，這類薄膜材料往往表現(xiàn)出納米材料獨特的力學性能、電磁學性能和光學性能。天津大學姚素薇等[11-13]采用電鍍技術制備了Ni80Fe20/Cu納米多層膜(圖2)。當多層膜結構[NiFe(16nm)/Cu(26nm)]為80層時，巨磁電阻GMR值可達64%。

圖2　電鍍[Ni80Fe20/Cu]納米多層膜

1.3復合鍍技術

復合鍍技術通過將無機材料以及高分子材料的粉體加入鍍液中，攪拌使之在鍍液中均勻分散，伴隨著電鍍或化學鍍過程的進行將這類粉體包埋進鍍層，形成復合鍍層材料。這類復合鍍層材料兼具基體金屬材料及彌散分布于基體金屬中的無機或高分子材料的優(yōu)勢，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能[15,17]。

采用化學復合鍍的方法制備(Ni-P)-ZrO2復合鍍層的成分及鍍層斷面的掃描電鏡照片如圖3所示[14]。由圖3可以看出，ZrO2顆粒在Ni-P合金基體中均勻分布。這種(Ni-P)-ZrO2復合鍍層的硬度超過600HV(圖4)，熱處理后的硬度更超過900HV。

圖3　(Ni-P)-ZrO2復合鍍層的成分及斷面掃描電鏡照片

圖4　(Ni-P)-ZrO2復合鍍層的硬度

改變復合鍍層中基體金屬或復合顆粒，可以得到不同性能的復合鍍層。

將圖4中的ZrO2顆粒換成SiC顆粒，同樣采用化學復合鍍的方法制備的(Ni-P)-SiC化學復合材料鍍層，熱處理后的硬度可達1200HV[16](圖5)。

圖5　(Ni-P)-SiC化學復合鍍層的硬度

為了改善純Ni鍍層的摩擦學性能，將具有自潤滑性能的聚四氟乙烯(PTFE)顆粒與Ni復合，可以制備出具有良好自潤滑特性的Ni-PTFE復合鍍層。圖6為Ni-PTFE復合鍍層中PTFE質(zhì)量分數(shù)對摩擦系數(shù)的影響。由圖6可以看出，隨著鍍液中PTFE顆粒濃度的增加，Ni-PTFE復合鍍層的摩擦系數(shù)不斷降低，最低接近0.06[18]。

圖6　PTFE含量對摩擦系數(shù)的影響

目前，應用于復合電鍍的基質(zhì)金屬以及復合微粒的種類還非常有限。將更多種類的基質(zhì)金屬與更大范圍的微粒進行復合鍍，相信會有性能更多樣化也更優(yōu)異的復合鍍層出現(xiàn)。

2印制板及電子封裝中電鍍技術的應用

電鍍技術的最大特點，在于其制造過程是從原子、離子尺度開始，而且無需高溫高壓等苛刻條件，易于實現(xiàn)定點定位生長。電鍍技術的這一特點，使其在印制板及電子封裝領域成為不可替代的關鍵技術[19-23]。

2.1芯片中的電鍍金屬互聯(lián)技術

摩爾預測,每隔24個月單位面積上集成晶體管的數(shù)量將翻倍。目前的集成電路技術處在22/20納米技術節(jié)點。未來硅基晶體管還將繼續(xù)縮小,從現(xiàn)有的22納米技術代一路發(fā)展到4納米技術代。目前，集成電路中接觸孔工藝已經(jīng)被局域互連技術替換。局域互連技術的關鍵在于第一層金屬圖形形成之前先形成通孔,再采用基于電鍍技術的雙大馬士革工藝同時填充金屬Cu(圖7、圖8)。

圖7　芯片中的金屬互連線結構示意圖

圖8　集成電路中的金屬層間互連照片

2.2三維電子封裝技術

隨著集成電路中晶體管數(shù)量的逐年成倍增加，三維集成與封裝技術越來越顯示出其重要性。目前，三維集成與封裝技術發(fā)展的重點在于三維疊層封裝以及封裝體的三維疊層，而鍵合技術則是實現(xiàn)三維疊層的關鍵。由于金屬/焊料微凸點鍵合在電氣互連、散熱以及結構支撐等方面具有的優(yōu)勢,已經(jīng)成為鍵合技術中的關鍵技術。高密度的微凸點是實現(xiàn)金屬/焊料微凸點鍵合的基礎。將光刻掩膜技術與金屬電鍍技術相結合制備出的尺寸精確的凸點，完全能夠達到三維疊層對微凸點鍵合的要求(圖9)。

圖9　3D系統(tǒng)芯片及封裝

將集成電路晶片上的銅配線技術與多層聚酰亞胺印制板技術相結合形成的在多層印制板內(nèi)的IC封裝技術(Wafer And Board level Embedded Technology,WABE Technology?)，可以制備出集成電路內(nèi)藏基板(圖10)。這一技術已經(jīng)開始應用于新一代系統(tǒng)封裝以及手機基板。

圖10　集成電路內(nèi)藏基板

2.3超高密度印制板及層間互聯(lián)技術

近年市場上出現(xiàn)的各種新型便攜式電子產(chǎn)品已經(jīng)普遍采用超高密度印制電路板。這類產(chǎn)品中的超高密度印制電路板不僅是各種組件的承載平臺，更借助于立體封裝技術實現(xiàn)了系統(tǒng)整合(圖11)。由印制線路的高密度化以及更高的接點密度形成的超高密度印制線路板已經(jīng)成為未來印制板技術的發(fā)展方向。超高密度印制板技術的關鍵在于任意層間的金屬互連技術。任意層間的金屬互連技術可實現(xiàn)超高密度印制板內(nèi)所有相鄰兩層之間的電氣連接。通過電鍍銅技術實現(xiàn)超高密度印制板內(nèi)任意相鄰兩層之間的盲孔連接，是目前應用最為廣泛的任意層間金屬互連技術(圖12)。

圖11　超高密度印制板封裝結構示意圖

圖12　超高密度印制線路板內(nèi)由電鍍金屬銅實現(xiàn)的任意層間金屬互連

3微電機系統(tǒng)中電鍍技術的應用

微電子系統(tǒng)與微機械系統(tǒng)相結合形成的微電機系統(tǒng)(MEMS)，其特點是尺寸微小，功能強大。近年，隨著人工智能技術的高速發(fā)展，MEMS產(chǎn)業(yè)已經(jīng)全方位快速滲透到軍事、醫(yī)療、生物、仿生學及航空航天等領域。構成微電機系統(tǒng)的零部件尺度都在微米甚至納米。電鍍技術是一個從原子、離子尺度開始的材料制造以及零部件制造技術。電鍍技術與光刻蝕技術相結合發(fā)展而成的MEMS技術，已經(jīng)成為MEMS領域的尖端技術[24-26]。圖13為采用電鍍MEMS技術制造的金屬部件照片，圖14為MEMS模塊中微小的機械部件照片，圖15為采用MEMS技術制造的納米泵技術，圖16為EPSON公司采用MEMS技術制造的微型飛行器，圖17為采用MEMS技術制造的可移動微型機器人。

圖13　MEMS技術制造的金屬部件

圖14　MEMS模塊中微小的機械部件

圖15　MEMS技術制造的納米泵

圖16　MEMS技術制造的微型飛行器

圖17　MEMS技術制造的微型機器人

4零部件及設備再制造中電鍍技術的應用

零部件的失效表現(xiàn)在其尺寸偏離設計值。零部件失效導致設備不能正常運行，甚至報廢。再制造的意義，在于對零部件實施再制造后，不僅零部件的尺寸恢復到最初設計值，而且失效設備的壽命超過新品。再制造技術是實現(xiàn)節(jié)約型社會、循環(huán)經(jīng)濟的需要。

由于電鍍技術易于實現(xiàn)材料的定點、定位生長，制造過程也無需高溫、高壓。此外，現(xiàn)有的各種高性能鍍層制造技術(例如高溫抗氧化鍍層、耐磨鍍層及耐腐蝕鍍層等)也使得失效零部件的再制造成為可能。電鍍技術的上述特點使其成為零部件及設備再制造中的關鍵技術[27-30]。

采用電鍍技術對失效泵的泵體、齒輪箱和蓋子等部件進行再制造，再更換新的齒輪、軸、軸承、密封件、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子螺母，就完成了泵的再制造過程(圖18、圖19)。

圖18　失效泵的再制造部位示意圖

圖19　失效泵及經(jīng)過再制造的泵

采用電鍍技術對失效中央空調(diào)壓縮機[圖20(a)]的失效部件進行再制造后[圖20(b)]，重新組裝的中央空調(diào)壓縮機[圖20(c)]的性能及壽命均超過新品。

圖20　再制造中央空調(diào)壓縮機

5結束語

伴隨著21世紀高科技的大量涌現(xiàn)，電子零部件的微型化趨勢，以及國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，為電鍍技術的應用提供了前所未有的大量機遇，同時也給電鍍技術的發(fā)展提出了方方面面的挑戰(zhàn)。電鍍工作者需要不斷拓展思路，大膽創(chuàng)新?？梢韵嘈?，未來的電鍍技術將成為更多高技術領域的尖端技術。

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Future Development and Application of Plating Technology

GAO Haihuan1,BU Luxia2,WANG Wei3

(1.No.4 Middle School of Tianjin,Tianjin 300211,China;2.School of Basic Science,Tianjin Agricultural University,Tianjin 300384,China;3.School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Abstract:With the development of mordern sicence and technology，traditional plating technology is gradually developed from the initial protective and decorative coating to a variety of functional coatings.In this paper，the development of plating technology and its applications in high-tech fields，such as PCB，electronic packaging，MEMS，components and equipments，were introduced.Plating technology would becoming the sophisticated technology in more and more high-tech fields.

Keyword:plating technology;development;application;composite coating;microelectronics;remanufacture

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.05.006

收稿日期：2016-03-11修回日期：2016-03-18

中圖分類號：TQ153.2

文獻標識碼：A