王 震 張維維 史 鑫

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第49研究所，黑龍江 哈爾濱150000）

1 設(shè)計(jì)原理

電鍍是指借助外界直流電的作用，在溶液中進(jìn)行電解反應(yīng)，使導(dǎo)電體，如金屬的表面沉積單金屬或合金層。在電鍍時(shí)，陰極上不僅有金屬離子與電子結(jié)合生成金屬原子的過(guò)程，而且還有一個(gè)由金屬原子結(jié)晶生成金屬晶體的過(guò)程。因此電鍍實(shí)質(zhì)上是金屬的電結(jié)晶過(guò)程。金屬的結(jié)晶過(guò)程大致分為以下步驟：金屬離子向陰極擴(kuò)散和遷移并吸附在陰極的活性部分；金屬離子還原成金屬原子并排列組成一定晶格的金屬晶體[1]。

2 常規(guī)電鍍工藝存在的問(wèn)題和分析

采用常規(guī)電鍍工藝進(jìn)行電鍍，電鍍后芯片分離時(shí)，鍍層和基片脫落。這表明鍍層和基片結(jié)合強(qiáng)度差，分析原因有以下3種：

2.1 鍍前處理不良，基片表面油脂或氧化層未完全去除干凈。使鍍層和基體結(jié)合不牢固，產(chǎn)生起皮或剝落等現(xiàn)象。

2.2 溶液中硼酸含量不足，在使用較大的電流時(shí)，陰極上析氫造成局部PH升高，從而形成堿式碳酸鎳和鎳共沉淀，造成鍍層起皮。

2.3 芯片分離時(shí)，金剛刀將鍍層和基片劃開(kāi)至分離時(shí)產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力，以致鍍層脫落。

3 貼片式鉑薄膜電阻器電鍍工藝設(shè)計(jì)

3.1 芯片預(yù)分離

將電阻器芯片進(jìn)行預(yù)分離，即在500微米厚的電阻器芯片上按照劃片槽先切割300微米深劃痕，使電極處的合金材料由于劃痕而不連續(xù)。目的使電鍍后鍍層在劃片槽處也不連續(xù)，從而在芯片分離時(shí)不產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

3.2 鍍前處理

鍍前處理分為除油和酸洗。⑴除油：a）有機(jī)溶劑除油：將貼片電阻放在四氯化碳中超聲清洗；b）化學(xué)除油：將超聲清洗過(guò)的電阻放在氫氧化鈉（g/L）：碳酸鈉（g/L）：磷酸三鈉（g/L）=30：50：70的溶液中浸泡10min。溫度：70℃～100℃。⑵酸洗：貼片電阻表面由于裸露在空氣中，其表面很容易形成一層氧化膜，造成鍍不上、鍍層疏松、多孔、抗蝕性能差等問(wèn)題。酸洗目的是去除貼片電阻表面的氧化層，工藝過(guò)程：將貼片電阻放在硫酸10 ml/L～20ml/L中漂洗2min，溫度50℃。

3.3 電鍍鎳鍍液的組成

該硫酸鹽鍍液具有鍍層結(jié)晶細(xì)致、耐腐蝕、鍍液操作簡(jiǎn)便、容易維護(hù)、沉積速度快、腐蝕性小、鍍層的脆性好等優(yōu)點(diǎn)。硫酸鹽鍍鎳體系電鍍機(jī)理[2]

陰極反應(yīng)：Ni2++2e=Ni

陰極析氫副反應(yīng)：2H++2e=H2↑

陽(yáng)極反應(yīng)：Ni-2e=Ni2+

溶液組成及工藝條件如表1所示：

3.4 電鍍錫鍍液的組成

鍍錫液為一種強(qiáng)酸性鍍液，基本上由3種成分組成：亞錫鹽、強(qiáng)酸性溶液和添加劑。溶液組成及操作條件如表2所示：

3.5 鍍后處理

鍍錫層表面在空氣中容易形成了一層SnO和SnO2膜,由于SnO是不穩(wěn)定的氧化物,不具耐腐蝕性，需要進(jìn)行鈍化處理。鈍化的目的一方面使氧化膜中的SnO轉(zhuǎn)化為性質(zhì)穩(wěn)定的SnO2，另一方面也使錫層表面形成一層含鉻水合氧化物的鈍化膜，鈍化膜不僅能有效地控制SnO的生成，而且還能提高鍍錫層的抗硫性能和防止加熱變色。鍍錫層鈍化處理有兩種方法，一種是重鉻酸鈉浸漬處理法，另一種方法是重鉻酸鈉陰極處理法[3]。本實(shí)驗(yàn)方案采用重鉻酸鉀浸泡處理法。

鈍化工藝：將電鍍的貼片電阻放在重鉻酸鉀20g/L的溶液中，30℃～40℃浸泡30s。將經(jīng)過(guò)鈍化處理的貼片鉑電阻進(jìn)行國(guó)軍標(biāo)150鹽霧實(shí)驗(yàn)。經(jīng)鹽霧實(shí)驗(yàn)后貼片電阻的焊接性能和導(dǎo)電性能良好。

3.6 芯片分離

采用砂輪劃片機(jī)按劃片槽將電鍍后的芯片分離成獨(dú)立單元。分離后鍍層和基片結(jié)合強(qiáng)度良好無(wú)脫落現(xiàn)象。

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4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 電流強(qiáng)度和電鍍時(shí)間對(duì)鍍層厚度的影響

在1cm2的鍍層面積上測(cè)得鍍層厚度與電流強(qiáng)度和電鍍時(shí)間的關(guān)系如表3、表4所示：

在其它條件不變的情況下，隨著電流強(qiáng)度增大和電鍍時(shí)間加長(zhǎng)，鍍層厚度逐漸增厚。

4.2 電流密度對(duì)鍍層表面狀態(tài)的影響

陰極電流密度較低時(shí),金屬鎳離子在基體表面的晶核生成速度較慢,陰極的極化作用小,鎳層沉積速度緩慢甚至沉積不上鍍層,鍍層不連續(xù),導(dǎo)電能力和焊接能力差，不能起到過(guò)度層的作用。如圖1所示：鍍鎳陰極電流密度0.01A/cm2，電鍍時(shí)間30nim。

陰極電流密度太大將會(huì)導(dǎo)致析氫現(xiàn)象嚴(yán)重。同時(shí)，在陰極的尖端處會(huì)出現(xiàn)樹(shù)枝狀的金屬層，在邊緣處會(huì)還會(huì)出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象。鍍層表面不平整、粗糙、晶粒大、鍍層不連續(xù)，嚴(yán)重影響鍍層表面狀態(tài)。如圖2 所示：

不同的電流密度將會(huì)在金屬表面形成不同的晶粒大小和分布。電流密度過(guò)大或過(guò)小都會(huì)造成鍍層表面狀態(tài)差，鍍層不連續(xù)，焊接能力和導(dǎo)電能力差。因此，電流密度是影響鍍層表面狀態(tài)的主要原因之一。

4.3 鍍層厚度對(duì)可焊性能和焊接強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)1：可焊性能檢測(cè)

將鎳層厚度5μm～30μm，錫層厚度5μm～30μm的貼片式鉑薄膜電阻器進(jìn)行唐錫實(shí)驗(yàn)。如果焊錫在鉑薄膜電阻器電極上的面積能夠達(dá)到要求焊接總面積的95%，則證明其可焊性能良好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明厚度在15μm～20μm的鉑薄膜電阻器能夠滿足可焊性能要求。

實(shí)驗(yàn)2：結(jié)合強(qiáng)度性能檢測(cè)

將鎳層厚度5μm～30μm，錫層厚度5μm～30μm的貼片式鉑薄膜電阻器進(jìn)行相互焊接實(shí)驗(yàn)。如果其中任意一個(gè)鉑薄膜電阻器的下方能夠懸掛10g砝碼，則證明其結(jié)合強(qiáng)度良好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明厚度在15μm～20μm的鉑薄膜電阻器能夠滿足結(jié)合強(qiáng)度性能要求。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可以證明：鎳、錫鍍層厚度對(duì)鉑薄膜電阻器的可焊性和結(jié)合強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。鍍層厚度越薄，焊接能力和導(dǎo)電能力相對(duì)較差；鍍層厚度增大，焊接能力導(dǎo)電能力增強(qiáng)。因此，鎳、錫鍍層厚度必須嚴(yán)格控制在15μm～20μm，才能滿足貼片式

鉑薄膜電阻器焊接性能和導(dǎo)電能力的要求。

4.4 鍍層厚度對(duì)鉑薄膜電阻器阻值的影響

由于貼片式鉑薄膜電阻器對(duì)于阻值的精度要求極高，因此電鍍后鍍層帶來(lái)的阻值對(duì)鉑薄膜電阻器至關(guān)重要。

電極之間的鍍層金屬膜電阻可由方程：

金屬薄膜的電阻率通常比相同材料的大塊體金屬的要高。這源于薄膜通常比大塊體材料包含更多的缺陷和晶粒邊界。因此電鍍層厚度要足夠大且達(dá)到微米級(jí)才能使電阻率下降到體金屬電阻率，從而減小阻值。鍍前測(cè)試10cm合金材料的阻值0.2Ω；電鍍15μm～20μm的鎳層后阻值0.05Ω；電鍍15μm～20μm的錫層后阻值0.02Ω。當(dāng)長(zhǎng)度L一定時(shí)，鍍層越厚鍍層阻值越小。且合金材料、鍍鎳層、鍍錫層三層電阻并聯(lián)。只有在滿足焊接性能和導(dǎo)電性能的前提下，增加鍍層厚度，鍍層對(duì)鉑薄膜電阻器的阻值影響才可以忽略不計(jì)。

5 結(jié)論

貼片式鉑薄膜電阻器電鍍質(zhì)量對(duì)其焊接能力和導(dǎo)電能力是至關(guān)重要的，通過(guò)考核可焊性能、結(jié)合強(qiáng)度、阻值等指標(biāo)證明鍍層厚度、鍍層表面狀態(tài)、電流密度是電鍍過(guò)程中最重要的因素。鍍層厚度不足，鍍層表面狀態(tài)差，電流密度較小或太大都會(huì)導(dǎo)致較差的焊接能力、導(dǎo)電能力和阻值。使用適當(dāng)?shù)碾婂冸娏髅芏炔⑶译婂冞m當(dāng)?shù)臅r(shí)間將會(huì)形成小顆粒、連續(xù)型晶體的鍍層，鍍層表面均勻、完整。鍍層厚度達(dá)到15μm～20μm時(shí)對(duì)阻值無(wú)較大的影響，且能夠滿足貼片式鉑薄膜電阻器的實(shí)際工作環(huán)境需要。

[1]王延相編.新編實(shí)用電鍍手冊(cè).北京:人民郵電出版社,2007.11

[2]任鑫主編.電鍍?nèi)腴T(mén)600問(wèn).北京:中國(guó)紡織出版社,2008.9

[3]周其良鍍錫板指南[M].北京:冶金工業(yè)出版,1989.92.