微型陶瓷封裝體電阻器電鍍工藝

任雅勛，張春雷 *

（1.武漢晶泰電子有限公司，湖北 鄂州 436000；2.天津華創(chuàng)嘉信科技有限公司，天津 300000）

微型陶瓷封裝體電阻器在電子電器行業(yè)應(yīng)用極為廣泛，它是將微型電路印刷在經(jīng)燒結(jié)的瓷料上，通過印刷涂覆電極漿料──銀漿，與電路管腳相連，并通過燒結(jié)固化完成，再在瓷料表面的電路表面涂覆印刷絕緣層將其封裝，干燥后在底端面印字(相應(yīng)型號(hào)、制造商、生產(chǎn)日期等標(biāo)示信息)，再干燥，便完成了整個(gè)制造過程。其最后工序是電鍍，通過獲得電鍍層來防止和避免銀電極在焊接時(shí)被熔失而導(dǎo)致電阻器失效，提高銀的抗變色氧化性能，以免影響電阻器的導(dǎo)電性、可焊性和耐焊接熱性能。電鍍中間層還可避免銀向錫層遷移而導(dǎo)致脫焊。因此，電鍍對(duì)微型陶瓷封裝體電阻器的質(zhì)量起著決定性的作用。

但是，一方面電阻器的組成材料復(fù)雜，制造工藝特殊，如銀層(相當(dāng)于外露的電路管腳引線)是印刷涂覆后燒結(jié)固化在陶瓷上的，印刷燒結(jié)在陶瓷上的微型電路表面涂覆有覆蓋層，電阻器底端面有油墨印字；另一方面，電阻器組成材料理化性質(zhì)各異，既有易氧化的銀合金層，又有化學(xué)性質(zhì)較強(qiáng)，易被酸、堿腐蝕或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的陶瓷材料，還有不耐堿蝕的絕緣覆蓋層和印字，同時(shí)陶瓷基體上管腳棱的銀層以及側(cè)斷面的絕緣膜層和底端的印字均是采用印刷后燒結(jié)或干燥所得，其與基體的附著力有限。這兩方面因素又給電鍍工藝的選擇帶來極大的困難：

(1)由于銀層和陶瓷這兩種性質(zhì)截然不同的材料組合在一起，在整個(gè)制程中通過多次燒結(jié)、干燥，兩者的結(jié)合面必然存在應(yīng)力問題(具體表現(xiàn)為何種應(yīng)力尚不清楚)。為保證銀層與陶瓷的結(jié)合力在電鍍過程中不受影響，必須選擇與之匹配的低應(yīng)力鍍層和操作溫度落差小的工藝。

(2)由于微型陶瓷封裝體電阻器形體小，只能采用滾鍍或振鍍的方式，并要防止銀管腳在滾鍍過程中不被摩擦、撞擊而松動(dòng)、脫落，保證其有限的附著力不受太大影響和印字不受損傷。

(3)電阻器基體材料的復(fù)雜性(銀料、陶瓷、油墨、絕緣覆蓋膜)要求選擇一種合適的電鍍?nèi)芤海员ＷC基體材料不被腐蝕。

(4)選擇一種合適的拌料以保證只占電阻器表面積極少(見圖1)的銀管腳能充分得到電流而上鍍，同時(shí)絕緣膜和油墨印字不會(huì)受損，銀管腳被摩擦、撞擊的阻力最小。

圖1 陶瓷封裝體電阻器Figure 1 Ceramic packaging resistor

(5)不同型號(hào)電阻器的電性特點(diǎn)差異極大，阻值大小和有無公共基、公共基分布狀態(tài)及數(shù)量對(duì)電鍍的影響很大，特別是大阻值(≥1 000 ?)且有公共基的電阻器，鍍層沉積困難，要選擇與之匹配的工藝參數(shù)，確保電鍍質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

陶瓷電阻器管腳的主要成分為銀和玻璃纖維，基體部分則主要由Al2O3、SiO2等組成。

1.2 工藝流程

除油─水洗─酸蝕─水洗─預(yù)鍍鎳─水洗─活化─鍍錫─后處理。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 厚度

采用韓國Micro Pioneer 產(chǎn)XRF-2000 型X 射線熒光測(cè)厚儀和飛納G2 Pure 臺(tái)式掃描電鏡(SEM)測(cè)定鍍層厚度。

1.3.2 附著力

參照GB/T 5210–1985《涂層附著力的測(cè)定法 拉開法》，采用樹脂膠黏劑粘接后測(cè)試，設(shè)備為東莞眾志檢測(cè)儀器有限公司的CZ-8007 微控型拉力試驗(yàn)機(jī)。

1.3.3 焊接性能

參照美國軍標(biāo)MIL-STD-202G，用無鉛焊錫做可焊性試驗(yàn)，(260 ± 5)°C 焊接5～6 s。放大10 倍觀察，每個(gè)管腳上至少覆蓋有95%的錫，說明焊接性能合格。

1.3.4 耐焊接熱性能

參照美國軍標(biāo)MIL-STD-202G，用無鉛焊錫做可焊性試驗(yàn)，(260 ± 5)°C 焊接(20 ± 1)s。放大10 倍觀察，每個(gè)管腳棱上鍍層消失后露出的陶瓷最長(zhǎng)為管腳棱長(zhǎng)的一半，說明耐焊接熱性能合格。

2 結(jié)果與討論

2.1 前處理對(duì)基體材料和鍍層性能的影響

2.1.1 除油

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用普通強(qiáng)堿性除油溶液(溫度50～60°C)處理時(shí)，絕緣膜會(huì)逐漸軟化，強(qiáng)度和附著力降低，油墨印字被浸蝕而逐漸變模糊甚至脫落。若長(zhǎng)時(shí)間處理，銀管腳和陶瓷的結(jié)合力會(huì)降低。而選用弱堿性常溫除油工藝后，以上不良影響均可消除，故選擇弱堿性的常溫除油工藝很重要，時(shí)間控制在5～8 min。由于銀管腳和陶瓷基體是機(jī)械式地印刷后燒結(jié)在一起的，故不宜用超聲波除油，以免影響兩者的附著力。本實(shí)驗(yàn)采用E-Kleen163 堿性除油劑(EPI 美國電化學(xué)產(chǎn)品公司出品)，體積分?jǐn)?shù)為0.5%～1.0%，室溫操作。

除油工序?qū)﹄婂儗拥挠绊懯谴蠹宜熘?，在此不再贅述?/p>

2.1.2 酸蝕

由于陶瓷基體不耐強(qiáng)酸浸蝕，而銀管腳在電阻器制造過程中歷經(jīng)多次的燒結(jié)或干燥烘烤，表面形成了厚而致密的氧化膜層，因此需要采用對(duì)銀氧化膜具有較強(qiáng)浸蝕能力的酸。經(jīng)試驗(yàn)，選取以10%(體積分?jǐn)?shù))硫酸為主要組分，輔以適量氟化鈉的混合型腐蝕液，在室溫下浸蝕30～50 s 的浸蝕工藝。

2.2 鍍鎳對(duì)電阻器性能的影響

電阻器的銀管腳雖然導(dǎo)電性、可焊性及與陶瓷基體的附著力較好，但焊接時(shí)銀會(huì)受到高溫焊料的熱浸蝕而熔失，這對(duì)電阻器而言是致命的。另外，銀管腳上若直接鍍錫，銀會(huì)向錫層遷移而將其腐蝕，導(dǎo)致焊接失效(脫焊)，使電阻器功能失效，因此也是致命的。通常電鍍層的設(shè)計(jì)上，鎳鍍層是理想的中間層，因?yàn)殒嚨娜埸c(diǎn)高、穩(wěn)定性好，不僅可避免銀向錫鍍層遷移，阻擋焊接時(shí)焊接熱使銀管腳遭受熔失，而且可防止熱老化過程中錫焊料向銀層擴(kuò)散，保護(hù)銀管腳，增強(qiáng)銀管腳的熱附著力，提高銀管腳耐焊接熱和產(chǎn)品的可靠性等[1-2]。

2.2.1 鍍鎳工藝的影響

在燒結(jié)銀電極上電鍍鎳，既要求電鍍鎳溶液對(duì)瓷質(zhì)基體材料的浸蝕影響小，又要求鍍層結(jié)晶均勻細(xì)致、均鍍能力好、內(nèi)應(yīng)力小，能將銀管腳完整、均勻地覆蓋，并保證鎳層及銀層的附著力良好，還要使鎳沉積時(shí)不在銀管腳之外的基體上超量擴(kuò)散而導(dǎo)致管腳間距變小甚至管腳間粘聯(lián)而直接短路。針對(duì)此，選擇能夠滿足要求的低應(yīng)力電鍍鎳工藝很關(guān)鍵，其具體工藝參數(shù)見表1。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，在嚴(yán)格控制工藝參數(shù)的同時(shí)，電鍍?nèi)芤旱木S護(hù)也不能忽略：

表1 電鍍鎳工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of nickel plating

(1)控制好原材料的質(zhì)量，避免因原材料質(zhì)量不佳而帶入對(duì)溶液有害的雜質(zhì)。

(2)電鍍?nèi)芤好抗ぷ?0～50 h 采用瓦楞板弱電解處理4～6 h，同時(shí)配合活性炭過濾。

(3)pH 低時(shí)，盡可能不用氫氧化鈉調(diào)整，避免帶入鈉離子，應(yīng)采用新配制的碳酸鎳或氫氧化鎳溶液來調(diào)高pH。遵照此原則，該工藝可穩(wěn)定地保持良好的性能，滿足陶瓷封裝體電阻器的生產(chǎn)。

2.2.2 鎳層厚度的影響

由于陶瓷封裝體電阻器特殊的材料組成，陶瓷基體、燒結(jié)銀層、鎳等的膨脹系數(shù)差異較大，層間會(huì)形成較大的應(yīng)力，同時(shí)鎳鍍層越厚，此現(xiàn)象越明顯。因此要選擇適當(dāng)?shù)逆噷雍穸龋瓤蓪?duì)銀管腳起到保護(hù)作用，又可減弱鎳層應(yīng)力及膨脹系數(shù)不匹配造成的影響。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鎳鍍層厚度控制在1.8 μm 以上時(shí)便可完全滿足要求，具體見表2。

表2 不同厚度鎳鍍層的焊接試驗(yàn)和耐焊接熱試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of welding test and welding heat resistance test for nickel coatings with different thicknesses

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)5～10 μm 的鍍層厚度也可以，但這不僅會(huì)提高生產(chǎn)成本，而且無形中延長(zhǎng)了電鍍時(shí)間(下文會(huì)針對(duì)電鍍時(shí)間長(zhǎng)給電阻器帶來的不良影響進(jìn)行說明)，而且會(huì)使管腳間距變小，造成隱患。故鎳層厚度宜控制在2～5 μm 之間。

2.3 鍍錫對(duì)電阻器性能的影響

錫層是改善和保證電阻器管腳焊接性能的關(guān)鍵，要求鍍層結(jié)晶均勻細(xì)致、與鎳層附著力好、可焊性良好、符合環(huán)保要求，而陶瓷電阻器的固瓷介質(zhì)特性要求電鍍?nèi)芤翰坏贸蕪?qiáng)酸或強(qiáng)堿性。通過實(shí)驗(yàn)，選擇了無鉛甲基磺酸體系的啞光錫電鍍工藝，具體工藝參數(shù)見表3。

表3 鍍錫工藝參數(shù)Table 3 Process parameters of tin plating

鍍錫層厚度控制也是關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)錫層厚度在4 μm 左右時(shí)基本滿足焊接要求，但耐焊接熱熔失尚有不足，在5 μm 以上時(shí)才具有良好的耐焊接熱能力，具體見表4。當(dāng)錫層厚度超過14 μm時(shí)，部分型號(hào)電阻器的管腳間距要求尺寸已受影響。故為安全起見，控制錫層厚度在5～12 μm 范圍內(nèi)，可完全滿足電阻器的焊接和使用要求。

表4 不同厚度錫鍍層耐焊接熱試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of welding heat resistance test for tin coatings with different thicknesses

測(cè)量鍍層厚度時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用X 射線熒光測(cè)厚儀測(cè)出的多層鍍層的結(jié)果與SEM 測(cè)量結(jié)果偏差較大，特別是位于底層的鍍層厚度結(jié)果誤差更大，這可能主要受限于X 射線熒光測(cè)厚儀的測(cè)厚原理。故應(yīng)以掃描電鏡的測(cè)試結(jié)果為準(zhǔn)，當(dāng)然生產(chǎn)中不可能頻繁使用SEM 測(cè)量鍍層厚度，在使用X 射線熒光測(cè)厚儀測(cè)試時(shí)，必須考慮到X 射線熒光測(cè)厚儀所得多層鍍層的測(cè)量結(jié)果存在誤差，應(yīng)采用SEM 測(cè)量結(jié)果予以校正。

2.4 其他條件對(duì)電阻器性能的影響

除前面提及的前處理工藝、鍍鎳、鍍錫工藝對(duì)電阻器性能的影響之外，電鍍時(shí)的溫度、電鍍時(shí)間、滾筒的尺寸、轉(zhuǎn)速、裝載量以及導(dǎo)電介質(zhì)的形狀、大小等因素均會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生影響。

2.4.1 電鍍溫度和時(shí)間的影響

施鍍溫度對(duì)鍍層的影響是眾所周知的，但在陶瓷封裝體電阻器上的表現(xiàn)比普通零件更為特殊。無論是鍍鎳還是鍍錫，溫度低于工藝范圍都會(huì)導(dǎo)致上鍍緩慢，達(dá)到所需鍍層厚度的時(shí)間延長(zhǎng)，這就意味著電阻器在滾筒內(nèi)接受機(jī)械碰撞、磨削的時(shí)間延長(zhǎng)，會(huì)明顯影響銀管腳和陶瓷基體的附著力，嚴(yán)重時(shí)銀管腳會(huì)在施鍍過程中脫落；溫度太高時(shí)，盡管電鍍時(shí)間縮短，但鍍層結(jié)晶粗大，影響鍍層結(jié)合力和焊接性能，嚴(yán)重時(shí)銀管腳端部(與絕緣封裝膜的交界處)鍍層因結(jié)晶粗大而向管腳外擴(kuò)散，導(dǎo)致管腳間距變小甚至粘聯(lián)。因此溫度過高或過低都會(huì)導(dǎo)致零件報(bào)廢。實(shí)踐證明，總體電鍍時(shí)間超過3 h，鍍層與陶瓷基體的附著力就會(huì)明顯受到影響。

2.4.2 導(dǎo)電介質(zhì)的影響

由于陶瓷電阻器本身的特點(diǎn)所限，對(duì)其電鍍時(shí)需要選擇合適的導(dǎo)電介質(zhì)混入其中，以保證陶瓷封裝體上有限的導(dǎo)電點(diǎn)(銀管腳)獲得電流而有鍍層沉積。為同時(shí)滿足陶瓷封裝體電阻器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和基體材料的特點(diǎn)，導(dǎo)電介質(zhì)必須符合以下要求：

(1)具有良好的導(dǎo)電性。

(2)必須圓滑、無棱角，以最大限度地減少滾鍍過程中對(duì)電阻器的磨削損傷，以及對(duì)管腳與陶瓷基體之間附著力的影響。

(3)其尺寸和加入比例應(yīng)合理，以保證電阻器的受鍍管腳與之能有最大的接觸幾率和接觸面積。滾鍍過程中，一方面要避免導(dǎo)電介質(zhì)卡在管腳之間造成管腳粘聯(lián)，另一方面要防止其卡在滾筒孔內(nèi)或掉出滾筒。

由此可見，選擇合適的導(dǎo)電介質(zhì)(如大小規(guī)則的鋼珠、銅珠)，鍍層沉積速率、電阻器受鍍管腳鍍層的均勻性、電阻器表面磨削損傷程度以及銀管腳與陶瓷基體之間的附著力才能得到保證。

2.4.3 滾筒及裝載量的影響

滾筒的選擇和裝載量的合理控制，能最大限度地減小電阻器施鍍的混合周期[2]，從而有效保證電阻器銀管腳均勻、快速上鍍，獲得附著力良好、厚度和可焊性符合要求的鍍層。文獻(xiàn)[2]已有詳盡的論述，這里不再重復(fù)。通過實(shí)驗(yàn)，選擇設(shè)計(jì)載量為5 kg 的細(xì)長(zhǎng)型小滾筒，開孔尺寸為0.7 mm×5.5 mm，載量控制在滾筒容積的2/5～1/2，可完全滿足生產(chǎn)需求，獲得所需鍍層。

2.4.4 電流密度和時(shí)間的影響

由于陶瓷封裝體電阻器的型號(hào)很多，根據(jù)銀管腳的分布有單管腳、雙管腳之分；根據(jù)公共基的分布可分為單邊公共基和雙邊公共基；根據(jù)管腳數(shù)，單管腳常見的有8PIN、9PIN、10PIN、12PIN，雙管腳常見的有16PIN、18PIN、24PIN；根據(jù)其實(shí)際阻值大小又可相應(yīng)分為一系列型號(hào)等。管腳數(shù)量越多，相應(yīng)待鍍管腳的單位面積越小，導(dǎo)電介質(zhì)與待鍍面的接觸頻率和面積就越小，上鍍速率就相應(yīng)地變慢；電阻值愈大的型號(hào)導(dǎo)電性愈差，其沉積速率也相應(yīng)愈慢。因此，不同型號(hào)應(yīng)采取不同的電鍍工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，同一管腳數(shù)的型號(hào)，阻值大的應(yīng)采用較大的電流密度和較長(zhǎng)的電鍍時(shí)間；同一阻值的型號(hào)，管腳數(shù)多的須采用較大的電流密度和較長(zhǎng)的電鍍時(shí)間。若采用一成不變的電流密度和時(shí)間，則有可能導(dǎo)致單管腳小阻值的型號(hào)因電流密度大而使鍍層結(jié)晶粗大，嚴(yán)重時(shí)管腳端部鍍層會(huì)向銀層之外延伸而導(dǎo)致管腳間距變小，甚至管腳間直接粘聯(lián)，或因電鍍時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致鍍層超厚而使管腳間距尺寸變小；而對(duì)于管腳數(shù)多(如24PIN)的大阻值型號(hào)，因電流密度太小而上鍍緩慢，在有限的時(shí)間內(nèi)其公共基更是難有鍍層沉積。電流密度和電鍍時(shí)間的影響在鍍錫過程中的表現(xiàn)尤為突出。

3 結(jié)語

(1)陶瓷封裝體電阻器采用鍍鎳后鍍啞光錫的工藝可行，可滿足批量生產(chǎn)需求。

(2)陶瓷封裝體電阻器因其電性特點(diǎn)和銀管腳數(shù)量、表面積各異，生產(chǎn)過程中必須根據(jù)不同的型號(hào)采取不同電流密度，以保證在有限的時(shí)間內(nèi)獲得理想的鍍層。

(3)采用該工藝，在配以合適的導(dǎo)電介質(zhì)的情況下，可保證鍍鎳層厚度為2～6 μm，啞光錫層厚度在5～12 μm 范圍內(nèi)，從而可在保證陶瓷封裝體電阻器銀管腳與陶瓷基體之間的附著力及管腳間距的基礎(chǔ)上，獲得具有優(yōu)良附著力、焊接性和耐焊接熱性能的鍍層。

[1]羅偉,張學(xué)軍.片式元件三層鍍技術(shù)[C]// 全國電子電鍍學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.2004:319-321.

[2]侯進(jìn).滾鍍工藝技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.