貼片式鉑薄膜電阻器電鍍工藝研究

王 震 張維維 史 鑫

（中國電子科技集團第49研究所，黑龍江 哈爾濱150000）

1 設計原理

電鍍是指借助外界直流電的作用，在溶液中進行電解反應，使導電體，如金屬的表面沉積單金屬或合金層。在電鍍時，陰極上不僅有金屬離子與電子結合生成金屬原子的過程，而且還有一個由金屬原子結晶生成金屬晶體的過程。因此電鍍實質上是金屬的電結晶過程。金屬的結晶過程大致分為以下步驟：金屬離子向陰極擴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)電鍍工藝存在的問題和分析

采用常規(guī)電鍍工藝進行電鍍，電鍍后芯片分離時，鍍層和基片脫落。這表明鍍層和基片結合強度差，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，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，金剛刀將鍍層和基片劃開至分離時產(chǎn)生了較大的內應力，以致鍍層脫落。

3 貼片式鉑薄膜電阻器電鍍工藝設計

3.1 芯片預分離

將電阻器芯片進行預分離，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)，從而在芯片分離時不產(chǎn)生內應力。

3.2 鍍前處理

鍍前處理分為除油和酸洗。⑴除油：a）有機溶劑除油：將貼片電阻放在四氯化碳中超聲清洗；b）化學除油：將超聲清洗過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、抗蝕性能差等問題。酸洗目的是去除貼片電阻表面的氧化層，工藝過程：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晶細致、耐腐蝕、鍍液操作簡便、容易維護、沉積速度快、腐蝕性小、鍍層的脆性好等優(yōu)點。硫酸鹽鍍鎳體系電鍍機理[2]

陰極反應：Ni2++2e=Ni

陰極析氫副反應：2H++2e=H2↑

陽極反應：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

鍍錫液為一種強酸性鍍液，基本上由3種成分組成：亞錫鹽、強酸性溶液和添加劑。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，需要進行鈍化處理。鈍化的目的一方面使氧化膜中的SnO轉化為性質穩(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]。本實驗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)過鈍化處理的貼片鉑電阻進行國軍標150鹽霧實驗。經(jīng)鹽霧實驗后貼片電阻的焊接性能和導電性能良好。

3.6 芯片分離

采用砂輪劃片機按劃片槽將電鍍后的芯片分離成獨立單元。分離后鍍層和基片結合強度良好無脫落現(xiàn)象。

?

4 實驗結果與分析

4.1 電流強度和電鍍時間對鍍層厚度的影響

在1cm2的鍍層面積上測得鍍層厚度與電流強度和電鍍時間的關系如表3、表4所示：

在其它條件不變的情況下，隨著電流強度增大和電鍍時間加長，鍍層厚度逐漸增厚。

4.2 電流密度對鍍層表面狀態(tài)的影響

陰極電流密度較低時,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),導電能力和焊接能力差，不能起到過度層的作用。如圖1所示：鍍鎳陰極電流密度0.01A/cm2，電鍍時間30nim。

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

不同的電流密度將會在金屬表面形成不同的晶粒大小和分布。電流密度過大或過小都會造成鍍層表面狀態(tài)差，鍍層不連續(xù)，焊接能力和導電能力差。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 鍍層厚度對可焊性能和焊接強度的影響

實驗1：可焊性能檢測

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

實驗2：結合強度性能檢測

將鎳層厚度5μm～30μm，錫層厚度5μm～30μm的貼片式鉑薄膜電阻器進行相互焊接實驗。如果其中任意一個鉑薄膜電阻器的下方能夠懸掛10g砝碼，則證明其結合強度良好。實驗結果表明厚度在15μm～20μm的鉑薄膜電阻器能夠滿足結合強度性能要求。

通過以上實驗可以證明：鎳、錫鍍層厚度對鉑薄膜電阻器的可焊性和結合強度起著關鍵作用。鍍層厚度越薄，焊接能力和導電能力相對較差；鍍層厚度增大，焊接能力導電能力增強。因此，鎳、錫鍍層厚度必須嚴格控制在15μm～20μm，才能滿足貼片式

鉑薄膜電阻器焊接性能和導電能力的要求。

4.4 鍍層厚度對鉑薄膜電阻器阻值的影響

由于貼片式鉑薄膜電阻器對于阻值的精度要求極高，因此電鍍后鍍層帶來的阻值對鉑薄膜電阻器至關重要。

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到微米級才能使電阻率下降到體金屬電阻率，從而減小阻值。鍍前測試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。當長度L一定時，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電性能的前提下，增加鍍層厚度，鍍層對鉑薄膜電阻器的阻值影響才可以忽略不計。

5 結論

貼片式鉑薄膜電阻器電鍍質量對其焊接能力和導電能力是至關重要的，通過考核可焊性能、結合強度、阻值等指標證明鍍層厚度、鍍層表面狀態(tài)、電流密度是電鍍過程中最重要的因素。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導致較差的焊接能力、導電能力和阻值。使用適當?shù)碾婂冸娏髅芏炔⑶译婂冞m當?shù)臅r間將會形成小顆粒、連續(xù)型晶體的鍍層，鍍層表面均勻、完整。鍍層厚度達到15μm～20μm時對阻值無較大的影響，且能夠滿足貼片式鉑薄膜電阻器的實際工作環(huán)境需要。

[1]王延相編.新編實用電鍍手冊.北京:人民郵電出版社,2007.11

[2]任鑫主編.電鍍入門600問.北京:中國紡織出版社,2008.9

[3]周其良鍍錫板指南[M].北京:冶金工業(yè)出版,1989.92.