20世紀80年代以來,由于電腦、手機、電視等4C電子產品的飛速發展,促進了電子接插件的增長。作為連接電子電路的電子接插件也趨于多樣化,如:套筒用電子接插件、接口用電子接插件、內部組裝用電子接插件、金手指等,這些接插件從實用性考慮,正向小型化、復雜化、輕量化、多功能、高可靠、長壽命、高可靠性化方向發展, 導致了第四代組裝技術即表面貼裝技術(SMT)出現。電子接插件的最基本性能是電接觸的可靠性,為此,接插用材料主要為銅及其合金,為提高其耐蝕性耐/高溫/耐磨性/耐插拔/導電性等,必須進行必要的表面處理。
電子接插件代表性的表面處理方法是以鍍鎳打底的鍍金工藝,或是以鍍銅打底的鍍可焊性鍍層工藝。銀鍍層的耐蝕性較差,現在使用的較少;鈀及鈀鎳合金鍍層作為代金鍍層已開發了近十年,作為耐磨性鍍層,用于插拔次數較多的電子接插件的表面處理已得到應用。
下面就對電子接插件連續電鍍工藝、鍍液和鍍層性能作簡單介紹。
1 電子接插件電鍍工藝
根據電子接插件功能不同需要選擇不同的電鍍工藝,多數采用卷對卷的自動線(多為臺灣、香港制造)(添加劑多數使用美/德進口).其電鍍工藝本質上與一般電鍍并無區別,然而各工藝過程的處理時間要比普通電鍍短得多,因此各種處理液、鍍液要具有快速電鍍的能力。
1.1 以鍍鎳層打底的鍍金工藝 工藝流程:
放料→化學除油→陰陽電解除油→酸活化→氨基磺酸鹽鍍Ni→局部鍍Au→局部鍍Sn(或閃鍍金)→后處理→干燥→收料 以上必須有充分的水洗 . 各工序簡單介紹:
1.1.1除油 與普通化學除油不同,除油時間僅為2~5s。這樣,普通浸漬方式的除油已不能滿足要求,需要進行高電流密度下的多級電化學除油。對除油液的要求是:如果除油液帶入下道的水洗槽或酸洗槽中,不應發生分解或產生沉淀。
1.1.2酸洗
酸洗是為了除去金屬表面的氧化膜,常使用硫酸。由于電子接件對尺寸要求嚴格,所以酸洗液對基體不能有腐蝕。
1.1.3鍍鎳(鈀鎳)
鍍Ni層作為鍍Au和Sn鍍層的底層,不僅提高耐蝕性,而且可防止基體的Cu與Au、Cu與Sn的固相擴散。鍍鎳層應具有很好的柔軟性,因電子接插件在進行切割、彎曲加工時鍍層不應脫落,因此最好采用氨基磺酸鎳鍍液,(鈀鎳)層可以節約部分金成本。
1.1.4局部鍍金
局部鍍Au有各種方法,國內外已申請了許多專利。其具體做法: ①把不要的部分遮住,僅使需要電鍍的部分與鍍液接觸,從而實現局部電鍍; ②使用刷鍍,需要電鍍部分跟刷鍍機接觸,從而達到實現局部電鍍; ③使用點鍍機,也可以達到實現局部電鍍。局部鍍Au需要考慮的問題有:從生產角度考慮,應采用高電流密度電鍍;鍍層厚度分布要均勻;嚴格控制需鍍覆的位置;鍍液應對各種基體有通用性;維護調整簡單。(5)局部可焊電鍍 局部可焊性電鍍沒有局部鍍金那樣苛刻,可采用比較經濟的電鍍方法與設備。把需要電鍍的部分浸入鍍液,讓不需要電鍍的部分露出液面,即通過控制液位的方法可實現局部電鍍。為降低污染,可采用甲機磺酸錫鹽鍍液,鍍層厚度為1~3 μm。外觀要光亮、平整。 以上工藝一般實用于端子一段要求導電且耐插拔及耐摩,而另外一段要求焊錫的產品。
1.2 以鍍銅層打底的鍍Sn (或者閃鍍Au)電鍍工藝 工藝流程:
放料→化學除油→陰陽電解除油→酸活化→鍍銅(可以用氰化鍍同或者酸銅)→氨基磺酸鹽鍍Ni→局部鍍Sn (或者閃鍍Au)→后處理→干燥→收料 以上必須有充分的水洗. 銅鍍層主要是起阻擋層的作用,防止基體(主要是黃銅)中的鋅和可焊性鍍層中的錫發生固相擴散。為提高焊接后的零件的導熱性,銅鍍層一般為1~3μm。 純錫鍍層易從鍍層表面產生晶須(多數鍍霧錫), 錫鍍層一般為1~3μm,由于錫在空氣中會容易氧化,為減緩其氧化速度,必須進行必要的后處理。 以上工藝一般實用于端子要求焊錫的產品。
1.3 以鍍鎳層打底的電鍍Pd/Au工藝
工藝流程:
放料→化學除油→陰陽電解除油→酸活化→氨基磺酸鹽鍍Ni→(局部鍍鍍鈀鎳)→局部鍍Au→后處理→后處理→干燥→收料 以上必須有充分的水洗 在鎳鍍層與金鍍層之間插入鈀鍍層,控制鈀鍍層的厚度在0.5~1.0μm。由于鈀鍍層硬度較高,若厚度過大(超過1.5μm),則進行彎曲或切割時鍍層易產生裂紋。由于鈀較昂貴,所以常采用局部鍍的方法。鍍鈀液一般為弱堿性,為提高鎳與鈀的結合強度,需在鎳表面閃鍍鈀鍍層。電鍍鈀鎳之后,再閃鍍0.03~0.13 μm的金鍍層,可使接觸電阻穩定,并且在插拔時,金鍍層有自潤滑作用,從而提高耐磨性。
以上工藝一般實用于端子要求焊錫的產品。
2、接觸點鍍層
2.1 金鍍液及金鍍層性能
目前使用最廣泛的是含鈷的酸性鍍金液,其鍍液組成如下:KAu(CN)25~30g/L,檸檬酸(或檸檬酸鉀)80~150g/L,Co2+0.2~0.5g/L,螯合劑1~10g/L,有機添加劑1~10g/L,pH4.0~5.0,操作溫度為40~60 ℃。KAu(CN)2是主要成分,鍍金時采用不溶性陽極,需要根據金的析出量來補充 KAu(CN)2。這樣,K+、CN-在鍍液中逐漸積累,改變溶液組成。當pH≥5時,KAu(CN)2與Co2+反應,生成沉淀,從而使鈷的沉積困難。因此,鍍液的pH值應控制在4.0~5.0。檸檬酸鹽起導電鹽的作用,對鍍液也有緩沖作用.在酸性鍍金中若沒有緩沖劑,電鍍時pH上升,鍍層的物理性質發生變化,因此,緩沖劑的作用是非常重要的。Co2+是過渡金屬離子光亮劑,它有使鍍層結晶細致、表面光亮、提高硬度、改善耐蝕性等作用。Co在鍍層中的含量為0.1%~0.3%,也有報道認為,K、N、C等也與Co結合一起進入鍍層,鍍液pH值升高,鍍層中Co的共沉積量減少。除Co2+以外,Ni2+、Fe2+也有類似的作用。鍍液中若含有Pb2+、Cu2+等重金屬離子,鍍層質量則變差,螯合劑則可以掩蔽這些重金屬離子,還可與Co2+等過渡金屬離子形成絡合物,從而控制鍍液中游離的簡單金屬離子的濃度,具有保持Co共沉積穩定的作用。 近年來,有機添加劑開始在鍍金溶液中使用。關于有機添加劑方面的專利報道較多。
2.2 鈀鍍液及鈀鍍層的性能
鈀是易吸氫的金屬,吸氫以后體積增大,而當放出已吸藏的氫時,體積減小。鈀的晶格常數為0.3889nm,當吸氫量為0.57%以上時,晶格常數增加到0.404nm。因此,在電鍍鈀時,如果陰極上析氫,鍍層中就會夾雜有氫,當氫放出時,鍍層體積發生變化,造成鍍層脫落或產生裂紋。鈀具有催化作用,這使其作為觸點材料受到限制。在氨堿性鍍液中電鍍Pd-Ni合金,可使鍍層含氫量減少,在Pd或Pd-Ni合金鍍層上再鍍一層薄金鍍層,則可防止鈀的催化作用,從而可作為接點材料使用。Pd或Pd-Ni合金鍍層最初是作為代金鍍層而開發的,但是目前在電子接插件上使用的金鍍層一般厚度較薄,并且大都采用局部鍍,因此消耗金的費用在整個材料費中所占的比例已較低,況且電鍍鈀還使工藝過程復雜,所以從經濟角度考試,鈀鍍層作為代金鍍層已失去其魅力。Pd及Pd-Ni合金鍍層上再鍍一薄層金鍍層,其耐蝕性和接觸電阻都與金相當,硬度比金鍍層高(純Pd為2500~4000~6000N/mm2),耐磨性比 金鍍層好,因此可用在插拔次數較多的電子接插件上。
2.3焊錫點鍍層
一般采用閃鍍金或者鍍2-3μm錫。
3、電子電鍍的連續性和穩定性
3.1鍍速快、效率高
采用高速度鍍液,可在高電流密度下電鍍,如高速鍍鎳,一般控制在10-20ASD,最高時可達到30ASD。電鍍線的鍍速,一般可達到3—4m/min,對有些產品甚至可達到6m/min。
3.2自動化程度高,產品質量穩定
由于自動化程度高,大大提高了生產效率,且大大減少人為因素對產品質量的影響,可24h連續生產、如深圳市長盈精密技術有限公司目前有6多條電鍍自動線,而操作工人每班僅需20人左右。
3.3適合各種電鍍區域控制的要求,既可全鍍,也可局部鍍。
3.4符合環保控制要求:廢水量少:大量采用逆流漂洗技術,廢水量小,甚至可以達到零排放;現場環境控制好,全密封,廢氣抽出車間外處理車間內一般無跑、冒、滴、漏現象。
4、連續電鍍設備介紹
4.1連續電鍍設備的基本結構
4.1.1連續自動電鍍設備一般由二部分組成,即傳送裝置及電鍍槽系統。
4.1.2電鍍槽系統一般都是采用子母槽結構:將母槽的藥水由泵抽到子槽,在于槽中對工件件完成電鍍、清洗等各—廠序,鍍液再從子槽流回母槽。如此周而復始,保證電鍍過程的連續進行。
4.1.3根據工件要求的不同,在子槽中采用各種類型的電鍍位置(區域)控制機構,如此也就派生出廠各種類型的連續電鍍設備。
4.2連續電鍍設備的類型
根據工件類型可分為“卷對卷”式和“片對片”式,根據電鍍位置控制方法的不同,又可分為浸鍍、輪鍍、噴鍍、點鍍等類型。
5、電子接插件電鍍電鍍要解決的問題:
為保證電子接插件電鍍生產,必須采用快速電鍍工藝,即在高電流密度(或高電位)下電鍍,從而使鍍層結晶細致,減少鍍層針孔,改善度層質量。
5.1使陰極表面形成的擴散層的厚度盡量薄,可采用脈沖電流,或加強攪拌;
5.2在不影響局部鍍的位置精度的前提下,可向鍍件表面高速噴射鍍液(用于局部鍍金或者鈀鎳),可以選擇刷鍍等;對于外形比較單一的端子,必要時可以選擇點鍍金,可達到節約成本的目的。
5.3提高被鍍基體的導電性;
5.4減少鍍件帶出溶液量,采取有效的回收措施,以節約貴金屬。
6、總結
近年來,國內電子元器件業發展迅速,有望成為國際上最大的電子元器件生產基地。因此,國內對于高速連續電鍍需求市場會逐漸增大,電鍍設備基本上是由電鍍生產企業自己在引進國外設備的基礎上,對其進行消化吸收,然后仿制。因此,國內電鍍設備制造企業有必要在這方面加強開發投入;目前各企業所用的高速電鍍的藥劑及添加劑基本上都靠進口,國內產品尚有較大的差距,但價格差別也很大,開發高性能的高速電鍍配套產品應有很大的市場潛力;電子元器件連續電鍍在國內尚屬較新的技術,國內同行間必須要加強技術交流,以促進我國電子電鍍技術水平的提高。
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