化學(xué)鍍工藝在電子工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

李家明,　徐淑慶，　梁銘忠

(1.欽州學(xué)院 石油與化工學(xué)院, 廣西 欽州　535000;　2.欽州學(xué)院 海洋學(xué)院,廣西 欽州　535000; 3.欽州學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,廣西 欽州　535000)

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化學(xué)鍍工藝在電子工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

李家明1,徐淑慶2，梁銘忠3

(1.欽州學(xué)院 石油與化工學(xué)院, 廣西 欽州535000;2.欽州學(xué)院 海洋學(xué)院,廣西 欽州535000; 3.欽州學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,廣西 欽州535000)

摘要：綜述了化學(xué)鍍鎳、鍍銅、鍍錫、鍍鈷工藝和鍍貴金屬工藝在電子工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。除電子器件和設(shè)備的表面防護(hù)和表面金屬化均借助化學(xué)鍍工藝實現(xiàn)外，化學(xué)鍍在提高電子產(chǎn)品和印制板的性能，包括導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性及可焊性等方面均起到不可替代的作用。電子器件和設(shè)備趨向微型化與集成化發(fā)展，化學(xué)鍍工藝所發(fā)揮的作用愈發(fā)凸顯，復(fù)合化學(xué)鍍和制備特殊性能的多元化學(xué)鍍將成為發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞:化學(xué)鍍工藝； 電子器件； 電子工業(yè)； 應(yīng)用

Application Status of Electroless Plating Process

in Electronic Industry

LI Jiaming1, XU Shuqing2, LIANG Mingzhong3

(1.College of Petroleum and Chemical Engineering,Qinzhou University,Qinzhou 535000,China; 2.School of Ocean,Qinzhou University,Qinzhou 535000,China;3.College of Resources and Environment,Qinzhou University,Qinzhou 535000,China)

Abstract:In this paper，application status of electroless nickel plating process,electroless copper plating process,electroless tin plating process,electroless cobalt plating process and electroless nobel metal plating process in electronic industry were summarized.In addition to surface protection and surface metallization of the electronic devices and electronic equipments may be realized by means of electroless plating，the electroless plating also played an irreplaceable role in improving the performances of electronic products，including electrical conductivity，magnetic conductivity and weldability and etc.With the development of electron devices and equipments towards microminiaturization and integration,composite electroless plating and diversified electroless plating for special performance preparation will be the development trend.

Keyword: electroless plating process; electronic device; electronic industry; application

引言

化學(xué)鍍工藝以其獨(dú)特的優(yōu)勢，在航空航天、機(jī)械、化工、石油、印刷和醫(yī)療等眾多領(lǐng)域獲得普遍應(yīng)用，發(fā)揮著防護(hù)裝飾與表面改性等作用[1-2]。電子工業(yè)中，同樣不乏化學(xué)鍍工藝的應(yīng)用。電子器件和設(shè)備的表面防護(hù)與表面金屬化等，有賴于化學(xué)鍍工藝實現(xiàn)。隨著電子器件和設(shè)備漸趨輕型化、微小化、高密度化和集成化，化學(xué)鍍工藝所發(fā)揮的作用愈發(fā)凸顯且難以替代。本文以電子工業(yè)為例，綜述化學(xué)鍍鎳、鍍銅、鍍錫、鍍鈷和鍍貴金屬工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀。

1化學(xué)鍍鎳工藝

化學(xué)鍍鎳層的形貌平整，厚度均勻，結(jié)合強(qiáng)度高且綜合性能優(yōu)良，在電子工業(yè)中贏得一定的應(yīng)用空間。但相比而言，以鎳為基相,復(fù)合適量金屬或非金屬元素形成的雙元和多元合金鍍層，應(yīng)用更為廣泛。滿足了多樣化的要求。

化學(xué)鍍鎳-磷合金鍍層的應(yīng)用相對最為普遍，主要?dú)w因于其成熟的制備工藝和優(yōu)良的綜合性能。以20～40g/L硫酸鎳或氯化鎳為主鹽，20～40g/L次磷酸鈉為還原劑，10～50g/L檸檬酸鈉、10～25g/L乳酸和10～20g/L乙酸鈉為絡(luò)合劑，1～3mg/L硫脲為穩(wěn)定劑的鍍液配方，輔以優(yōu)選的施鍍工藝條件(如溫度、時間等)，能夠制備獲得綜合性能優(yōu)良且穩(wěn)定的化學(xué)鍍鎳-磷合金鍍層。其形貌平整、厚度均勻且非磁性，可應(yīng)用于計算機(jī)磁記錄裝置的磁盤(鋁合金基體)，既不影響磁盤正常運(yùn)行還能大幅擴(kuò)充存儲量，提升計算和記憶能力。研究證實，化學(xué)鍍鎳-磷合金鍍層的磁盤存儲量較普通磁盤近乎翻倍。例如，折算成文檔頁數(shù)約為25000頁，而常規(guī)磁盤的存儲量僅約為13000頁[3]。利用Ni-P合金的耐磨減摩和耐腐蝕的特性，可用于磁盤以及復(fù)印機(jī)、打印機(jī)等電子產(chǎn)品中軸類零件的表面防護(hù)與改性，提升表面性能進(jìn)而延長使用壽命[4]。電磁屏蔽研究證實，在4~12GHz頻率范圍內(nèi)，化學(xué)鍍鎳-磷合金鍍層對電磁的屏蔽效果達(dá)78dB，并且較為穩(wěn)定不易受干擾，因而可用作半導(dǎo)體儀器、電子設(shè)備和鋁材質(zhì)硬盤的屏蔽層[5]，提高電磁兼容性能。Ni-P合金鍍層可以增強(qiáng)電子器件釬焊性。良好釬焊性能致使其能夠充當(dāng)可焊面層，實現(xiàn)電子元器件間的焊接互連導(dǎo)通。同時也可充當(dāng)擴(kuò)散阻擋層，防止熔融焊料向電子元器件內(nèi)部擴(kuò)散滲透。此外，化學(xué)鍍鎳-磷合金鍍層還可用于改善輕金屬材質(zhì)(鋁等)電子器件的釬焊性能。印制線路板和電感-電容-電阻器件正是利用化學(xué)鍍鎳-磷合金鍍層的良好釬焊性[6]。

化學(xué)鍍鎳-金合金層在電子工業(yè)中也有著較為普遍的應(yīng)用。良好的可焊性能和阻擴(kuò)散性能，致使其可用于復(fù)雜電路芯片的制作，充當(dāng)金屬過渡層，連通芯片焊盤與凸點。并同時有效起到保護(hù)與阻隔的作用，保護(hù)芯片粘附層金屬免受氧化，阻隔凸焊點材料間的擴(kuò)散[7]。良好的打線性能、可接觸導(dǎo)通和可散熱等性能，適用于密集布線的多層印制線路板和半導(dǎo)體器件的制作，作為導(dǎo)電底層。另外，其良好的耐磨性能，可用于對銅材質(zhì)或鍍銅電子器件的表面防護(hù)[8]。

較低的制備成本，加之本身理想的接觸電阻是化學(xué)鍍鎳-硼合金鍍層在電子工業(yè)中較受應(yīng)用青睞的主要原因。因與鍍銀層的接觸電阻接近，化學(xué)鍍鎳-硼合金鍍層在特定應(yīng)用場合可替代鍍銀層，用以對電子器件表面導(dǎo)電化處理或改善電子器件的表面導(dǎo)電性能，在滿足應(yīng)用要求的同時，也達(dá)到節(jié)約成本的目標(biāo)[9]。

2化學(xué)鍍銅工藝

微電子行業(yè)和計算機(jī)行業(yè)的迅猛發(fā)展，電子器件和電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)微型化、功能集成化已成為必然趨勢，無形之中拓寬了化學(xué)鍍銅工藝的應(yīng)用廣度，也拓展了應(yīng)用深度。

印制線路板微孔金屬化是化學(xué)鍍銅工藝在電子工業(yè)中最為典型的應(yīng)用[10]。不論是導(dǎo)電微孔，抑或是非導(dǎo)電微孔，借助化學(xué)鍍銅工藝在其內(nèi)壁鍍覆薄銅層，均可實現(xiàn)導(dǎo)通互連。由于微孔金屬化工藝效果對印制線路板的導(dǎo)通狀況有著明顯影響，因此化學(xué)鍍銅工藝格外受到重視和關(guān)注。為了獲得較理想的效果，印制線路板從業(yè)人員和相關(guān)學(xué)者對化學(xué)鍍銅工藝進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)[11]報道了一種以乙醛酸作為還原劑的化學(xué)鍍銅工藝。鍍液配方及操作條件為：28g/L硫酸銅、32g/L乙二胺四乙酸二鈉、12.6g/L乙醛酸、26g/L氫氧化鈉、10mg/L α,α'-聯(lián)吡啶和10mg/L亞鐵氰化鉀，θ為35～40℃、t為30min。相比目前常用的甲醛化學(xué)鍍銅工藝和酸性化學(xué)鍍銅工藝，其突出優(yōu)勢在于，鍍液均鍍及深度能力優(yōu)，成分穩(wěn)定且易于維護(hù)，無毒環(huán)保。應(yīng)用表明，印制線路板金屬化微孔的電阻較低，各層板間導(dǎo)通互連狀況良好。文獻(xiàn)[12]報道了幾個典型的化學(xué)鍍銅鍍液。

1)以甲醛加成物作為還原劑的化學(xué)鍍銅工藝，鍍液配方：10g/L五水合硫酸銅，30g/L五羥丙基二亞乙基三胺，40g/L甲醛加成物。

2)以二甲基胺硼烷作為還原劑的化學(xué)鍍銅工藝最佳鍍液配方：5g/L五水合硫酸銅，12.25g/L EDTA·2Na，10mg/L硫代乙醇酸，11mg/L聚氧乙烯表面活性劑，50mg/L氨水，5.5g/L二甲氨基硼烷。

3)以次磷酸鈉作為還原劑的化學(xué)鍍銅工藝最佳鍍液配方：0.032mol/L硫酸銅，0.052mol/L檸檬酸鈉，0.27mol/L次磷酸鈉，0.5mol/L硼酸，0.0024 mol/L硫酸鎳，1g/L聚氧乙烯表面活性劑。

電子器件屏蔽罩的制作也應(yīng)用化學(xué)鍍銅工藝。采用化學(xué)鍍銅工藝在電子器件表面鍍覆薄銅層，可有效屏蔽電磁干擾。與非金屬材質(zhì)的電磁屏蔽罩相比，化學(xué)鍍銅層充當(dāng)?shù)碾姶牌帘握植粌H制備成本低、質(zhì)量輕，并且對電磁波的屏蔽效果更優(yōu)，因而尤為受應(yīng)用青睞[13]。除上述外，化學(xué)鍍銅工藝還在電路基板制作以及微電子封裝方面有所應(yīng)用。

3化學(xué)鍍錫工藝

化學(xué)鍍錫工藝在印制線路板和半導(dǎo)體器件等的制造中應(yīng)用相對普遍，緣于成本低、流程簡單和質(zhì)量穩(wěn)定，并且化學(xué)鍍錫層的品質(zhì)出眾、可焊性能和耐蝕性能良好。此外，化學(xué)鍍錫工藝能耗低且環(huán)保的優(yōu)勢，可一定程度取代化學(xué)鍍鉛-錫合金和化學(xué)鍍鎳-金合金工藝[14-15]。

針對于復(fù)雜形狀、微型結(jié)構(gòu)及功能集成的印制線路板和電子器件，電子工業(yè)應(yīng)用中對化學(xué)鍍錫工藝加以改進(jìn)。研究表明，以50～90g/L甲烷基磺酸、25～70g/L甲烷基磺酸錫、20～100g/L次磷酸鈉、5～10g/L水合肼、20～80g/L烯丙基硫脲、10～20g/L EDTA、1～4g/L對苯二酚和1.5～2.0g/L LY-920潤濕劑為鍍液配方的改進(jìn)型甲基磺酸鹽體系化學(xué)鍍錫工藝，兼具諸多優(yōu)勢，成本較低且實施方便，在50～70℃條件下施鍍獲得的鍍錫層可焊性能、熱穩(wěn)定性能優(yōu)良，能夠承受多次焊接，尤其適用于印制線路板制作[16]。改進(jìn)型氯化物體系化學(xué)鍍錫工藝，同樣有著較為突出的優(yōu)勢，也因此獲得較為廣泛的應(yīng)用。成功應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)電子器件和銅制印制電路板的制作，收獲滿意的實際效果[17]，凸顯出氯化物體系化學(xué)鍍錫工藝的優(yōu)越性。

4化學(xué)鍍鈷工藝

化學(xué)鍍鈷層的可焊性能、接觸性能和耐蝕性能均較好，磁性能也較優(yōu)，是化學(xué)鍍鈷工藝得以在電子工業(yè)中應(yīng)用的原因所在。研究表明，化學(xué)鍍鈷層的最高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度接近1.3T，最大矯頑力達(dá)8000A/m。鑒于其硬磁性的特質(zhì)，加之理想的磁性能，因而被視為制造記憶存儲功能型電子器件的理想材料。電子器件上起裝飾作用的零件、起導(dǎo)電作用的接觸電阻以及起儲存記憶功能的磁記錄模塊等的制作，均應(yīng)用化學(xué)鍍鈷工藝[18-19]。

化學(xué)鍍鈷基合金層，比如化學(xué)鍍鈷-磷合金鍍層、化學(xué)鍍鈷-鎳-磷合金鍍層、化學(xué)鍍鈷-鐵-磷合金鍍層和化學(xué)鍍鈷-銅-磷合金鍍層等，在電子工業(yè)中也獲得應(yīng)用?；瘜W(xué)鍍鈷基合金鍍層的制備，依賴于不同類型的鍍液配方，在以硫酸鈷、次磷酸鈉和檸檬酸鈉為主要成分的鍍液中，添加不同類型的還原劑、促進(jìn)劑與絡(luò)合劑，通過調(diào)節(jié)成分配比、調(diào)控鍍液pH、鍍液溫度和施鍍時間，優(yōu)化鍍層性能。化學(xué)鍍鈷-磷合金鍍層既保持了化學(xué)鍍鈷層的優(yōu)良磁性能，還表現(xiàn)出其它額外性能，因而被用于高速存儲電子元件和高密度、高質(zhì)量電子記憶元件的制作[20]。化學(xué)鍍鈷-鎳-磷合金鍍層融合鈷、鎳、磷的優(yōu)良性能，表現(xiàn)出優(yōu)良的磁性能和電磁轉(zhuǎn)換性能，被用于電子設(shè)備磁記錄元件的制作。據(jù)報道，采用化學(xué)鍍鈷-鎳-磷合金鍍層制作而成的磁盤，容量擴(kuò)充明顯[21]?；瘜W(xué)鍍鈷-鐵-磷合金鍍層和化學(xué)鍍鈷-銅-磷合金鍍層的電磁性能同樣較優(yōu)，被用作對電子器件進(jìn)行表面防護(hù)以及用于電子設(shè)備磁盤底層、電磁屏蔽層的制作[22]。

5化學(xué)鍍貴金屬工藝

金、銀和鈀等貴金屬的化學(xué)鍍工藝，在電子工業(yè)中也有應(yīng)用。集成線路板框架引線、半導(dǎo)體芯片載體、印制線路板插腳和微電子器件電接觸觸點等的制作，以及非導(dǎo)通高檔印制線路板、電子設(shè)備介面卡板等的表面精飾，均應(yīng)用化學(xué)鍍金工藝[23]。電子工業(yè)早期，應(yīng)用硼氫化鉀-二甲胺硼烷鍍液體系化學(xué)鍍金工藝，鍍液成分為：0.02mol/L氰化金鉀，0.02 mol/L氰化鉀，0.8mol/L氫氧化鉀，0.4mol/L DMAB，最佳適用θ為85℃，沉積速率最高接近0.4μm/(dm2·h)。后期為提高沉積速率并改善鍍液的穩(wěn)定性，鍍液成分被加以改良，提出以0.005mol/L氰化金鉀，0.035mol/L 氰化鉀，0.8mol/L氫氧化鉀，0.45mol/L碳酸鉀，15mg/L醋酸鉀，0.05mol DMAB和0.25 mol/L聯(lián)氨為主要成分的化學(xué)鍍金溶液配方。應(yīng)用優(yōu)化的鍍液配方，沉積速率明顯提高，達(dá)7.8μm/(dm2·h)，并且制備獲得的化學(xué)鍍金層導(dǎo)電性能和阻擴(kuò)散性能優(yōu)良，能夠滿足導(dǎo)通要求并起到理想的共熔密封效果。

為了改善電子器件的可焊性能或賦予難焊接電子器件可焊性，多借助于化學(xué)鍍銀工藝實現(xiàn)?；瘜W(xué)鍍銀工藝的實施不受電子器件材質(zhì)屬性和導(dǎo)電性質(zhì)的限制，并且化學(xué)鍍銀層的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和可焊性能優(yōu)良，因而應(yīng)用相對廣泛。印制線路板以及微電子元件的制作，均應(yīng)用化學(xué)鍍銀工藝[24-25]。另外，其還為微電子傳感器的制作提供了新思路和可行方式。但鍍液成分(多是以硝酸銀為主鹽、鈀為還原劑、苯甲酸或甲醛等為助劑、水合肼為還原劑)穩(wěn)定性欠佳，工藝成本較高，是制約化學(xué)鍍銀工藝應(yīng)用程度拓展的瓶頸。

鑒于化學(xué)鍍金工藝成本較高，為了獲得同樣理想的效果以滿足應(yīng)用要求，電子工業(yè)中通常采用化學(xué)鍍鈀工藝作為替代?；瘜W(xué)鍍鈀工藝在電子工業(yè)中同樣經(jīng)歷應(yīng)用歷程。最早應(yīng)用以氯化鈀、磷酸銨、磷酸鈉和安息香酸為主要成分的氯鹽鍍液體系化學(xué)鍍鈀工藝，后期相繼開發(fā)出以次磷酸鹽為還原劑的次磷酸鹽鍍液體系化學(xué)鍍鈀工藝、以水溶性鈀鹽、氨和胺類化合物、脂肪酸單羧酸等為主要成分的羧酸鹽鍍液體系化學(xué)鍍鈀工藝和以二氯四氨合鈀為主鹽、乙二胺為主絡(luò)合劑、乙二胺四乙酸二鈉和丙烯酸為輔絡(luò)合劑的化學(xué)鍍鈀工藝[26]。

化學(xué)鍍鈀層的可焊性能、接觸性能、耐蝕性能和阻擴(kuò)散性能均較優(yōu)，附著強(qiáng)度也較高，并且性能的彰顯不受制于厚度，故在雙列式封裝電路、混合電路、微電子設(shè)備裝飾元件和電接觸元件等的制作中得以應(yīng)用[27]。但化學(xué)鍍鈀工藝存在一定的應(yīng)用局限，因而難以完全替代化學(xué)鍍金工藝。在高真空環(huán)境中，化學(xué)鍍金工藝具有無可比擬的優(yōu)越性。

6結(jié)語

化學(xué)鍍工藝在航空航天、機(jī)械、電子、化工、石油、印刷和醫(yī)療等諸多領(lǐng)域中的普遍應(yīng)用，凸顯出其優(yōu)越性。但多元合金鍍層的制備工藝難控以致制備的多元合金鍍層性能不盡理想、穩(wěn)定性欠佳，化學(xué)鍍金工藝和化學(xué)鍍銀工藝成本高等難題的存在，制約化學(xué)鍍工藝的更深層次應(yīng)用。對電子工業(yè)而言，持續(xù)、良性發(fā)展依賴于化學(xué)鍍工藝。同時，電子工業(yè)的發(fā)展也對化學(xué)鍍工藝提出更高的要求，反過來推動化學(xué)鍍工藝不斷完善、進(jìn)步。

隨著電子器件和設(shè)備趨向微型化與集成化，輔助超聲、磁場和激光等技術(shù)制備性能更為穩(wěn)定的多元合金鍍層，對微電子器件和設(shè)備進(jìn)行修復(fù)實現(xiàn)再應(yīng)用，開發(fā)高成本化學(xué)鍍工藝的成熟替代工藝，完善復(fù)合化學(xué)鍍工藝用以制備特殊性能多元復(fù)合鍍層，或?qū)⒊蔀榛瘜W(xué)鍍工藝的研究重點和發(fā)展趨向。

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噴砂與噴丸的應(yīng)用

噴砂和噴丸都是電鍍前處理的常用方法。

噴砂是用壓縮空氣把砂貭材料噴射到零件表面，砂料有石英砂、氧化鋁和碳化硅等，目的是去除零件表面的氧化皮、銹跡、焊渣及陳舊的油漆等，提高表面粗糙度，提高鍍層的結(jié)合力。

近年來，為消除粉塵污染，采用將砂料配成V(砂料)∶V(水)=1∶(4～5)的砂漿，在封閉箱內(nèi)用壓縮空氣壓入噴嘴噴向零件，稱為液體噴砂。

噴丸與噴砂相似，但所用的磨料不同；噴丸用的是鋼丸、玻璃丸和陶瓷丸等。一般丸料d為0.2~2.5mm。噴丸可以使零件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕的能力。對于不銹鋼、鋁及鈦等金屬表面多用玻璃丸或陶瓷丸進(jìn)行處理，以避免鐵元素對零件表面的影響。

噴砂和噴丸處理都可以使零件表面呈現(xiàn)漫反射的消光形態(tài)，電鍍以后可以形成亞光的裝飾效果。

基金項目：廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項目(KY2015ZD130,201106LX537)

收稿日期：2015-06-07修回日期： 2015-07-19

中圖分類號：TQ153

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.01.005