淺談電鍍技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

高海桓，卜路霞，王　為

(1.天津市第四中學(xué)，天津 300211；　2.天津農(nóng)學(xué)院 基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，天津 300384；　3.天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300072)

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淺談電鍍技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

高?；?，卜路霞2，王為3

(1.天津市第四中學(xué)，天津 300211；2.天津農(nóng)學(xué)院 基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，天津 300384；3.天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300072)

摘要：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電鍍技術(shù)也在不斷地發(fā)展，從最初的防護(hù)裝飾性鍍層，逐漸發(fā)展出各種功能鍍層。進(jìn)入21世紀(jì)，電鍍技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)拓展到微電子、微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)、再制造等高技術(shù)領(lǐng)域，并發(fā)展成為這類(lèi)高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞:電鍍技術(shù);發(fā)展;應(yīng)用；復(fù)合鍍層；微電子；再制造

引言

電鍍技術(shù)于20世紀(jì)開(kāi)始興起，在材料的防護(hù)及裝飾等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-6]。進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，學(xué)科間相互滲透，交叉學(xué)科快速發(fā)展。電鍍技術(shù)在這場(chǎng)科技發(fā)展的大浪潮中也實(shí)現(xiàn)了自身的突破，逐漸從防護(hù)裝飾性電鍍發(fā)展為功能電鍍，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)拓展到微電子、微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)和再制造等高技術(shù)領(lǐng)域，并發(fā)展成為這類(lèi)高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。在此，介紹相關(guān)的研究進(jìn)展。

1電鍍技術(shù)的發(fā)展

1.1Ni-Co合金鍍層

Ni-Co合金鍍層具有優(yōu)異的高溫耐磨性能，已經(jīng)成功應(yīng)用到鋼廠(chǎng)連鑄連軋機(jī)的關(guān)鍵部件結(jié)晶器表層，大幅度提高了結(jié)晶器的使用壽命[7-10]。

連鑄結(jié)晶器的工作θ在350℃左右。連鑄結(jié)晶器應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性，同時(shí)還需承受與鋼坯之間的摩擦。為此，連鑄結(jié)晶器通體采用銅合金制造，并在結(jié)晶器與鋼坯相接觸的表面制備一層厚度在數(shù)毫米的高溫耐磨材料層。Ni-Co合金鍍層優(yōu)異的高溫耐磨性能正適應(yīng)了結(jié)晶器對(duì)與鋼坯相接觸表面的高溫耐磨性要求。目前，Ni-Co合金鍍層已經(jīng)大量應(yīng)用在連鑄結(jié)晶器表層鍍層材料(圖1)。

圖1　銅板結(jié)晶器表面的Ni-Co合金鍍層

1.2電鍍納米金屬多層膜

納米金屬多層膜是一種由厚度在納米尺度的不同金屬層交替疊加形成的金屬多層膜。由于構(gòu)成納米金屬多層膜的各金屬材料層的厚度在納米尺度，這類(lèi)薄膜材料往往表現(xiàn)出納米材料獨(dú)特的力學(xué)性能、電磁學(xué)性能和光學(xué)性能。天津大學(xué)姚素薇等[11-13]采用電鍍技術(shù)制備了Ni80Fe20/Cu納米多層膜(圖2)。當(dāng)多層膜結(jié)構(gòu)[NiFe(16nm)/Cu(26nm)]為80層時(shí)，巨磁電阻GMR值可達(dá)64%。

圖2　電鍍[Ni80Fe20/Cu]納米多層膜

1.3復(fù)合鍍技術(shù)

復(fù)合鍍技術(shù)通過(guò)將無(wú)機(jī)材料以及高分子材料的粉體加入鍍液中，攪拌使之在鍍液中均勻分散，伴隨著電鍍或化學(xué)鍍過(guò)程的進(jìn)行將這類(lèi)粉體包埋進(jìn)鍍層，形成復(fù)合鍍層材料。這類(lèi)復(fù)合鍍層材料兼具基體金屬材料及彌散分布于基體金屬中的無(wú)機(jī)或高分子材料的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能[15,17]。

采用化學(xué)復(fù)合鍍的方法制備(Ni-P)-ZrO2復(fù)合鍍層的成分及鍍層斷面的掃描電鏡照片如圖3所示[14]。由圖3可以看出，ZrO2顆粒在Ni-P合金基體中均勻分布。這種(Ni-P)-ZrO2復(fù)合鍍層的硬度超過(guò)600HV(圖4)，熱處理后的硬度更超過(guò)900HV。

圖3　(Ni-P)-ZrO2復(fù)合鍍層的成分及斷面掃描電鏡照片

圖4　(Ni-P)-ZrO2復(fù)合鍍層的硬度

改變復(fù)合鍍層中基體金屬或復(fù)合顆粒，可以得到不同性能的復(fù)合鍍層。

將圖4中的ZrO2顆粒換成SiC顆粒，同樣采用化學(xué)復(fù)合鍍的方法制備的(Ni-P)-SiC化學(xué)復(fù)合材料鍍層，熱處理后的硬度可達(dá)1200HV[16](圖5)。

圖5　(Ni-P)-SiC化學(xué)復(fù)合鍍層的硬度

為了改善純Ni鍍層的摩擦學(xué)性能，將具有自潤(rùn)滑性能的聚四氟乙烯(PTFE)顆粒與Ni復(fù)合，可以制備出具有良好自潤(rùn)滑特性的Ni-PTFE復(fù)合鍍層。圖6為Ni-PTFE復(fù)合鍍層中PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦系數(shù)的影響。由圖6可以看出，隨著鍍液中PTFE顆粒濃度的增加，Ni-PTFE復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)不斷降低，最低接近0.06[18]。

圖6　PTFE含量對(duì)摩擦系數(shù)的影響

目前，應(yīng)用于復(fù)合電鍍的基質(zhì)金屬以及復(fù)合微粒的種類(lèi)還非常有限。將更多種類(lèi)的基質(zhì)金屬與更大范圍的微粒進(jìn)行復(fù)合鍍，相信會(huì)有性能更多樣化也更優(yōu)異的復(fù)合鍍層出現(xiàn)。

2印制板及電子封裝中電鍍技術(shù)的應(yīng)用

電鍍技術(shù)的最大特點(diǎn)，在于其制造過(guò)程是從原子、離子尺度開(kāi)始，而且無(wú)需高溫高壓等苛刻條件，易于實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定位生長(zhǎng)。電鍍技術(shù)的這一特點(diǎn)，使其在印制板及電子封裝領(lǐng)域成為不可替代的關(guān)鍵技術(shù)[19-23]。

2.1芯片中的電鍍金屬互聯(lián)技術(shù)

摩爾預(yù)測(cè),每隔24個(gè)月單位面積上集成晶體管的數(shù)量將翻倍。目前的集成電路技術(shù)處在22/20納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)。未來(lái)硅基晶體管還將繼續(xù)縮小,從現(xiàn)有的22納米技術(shù)代一路發(fā)展到4納米技術(shù)代。目前，集成電路中接觸孔工藝已經(jīng)被局域互連技術(shù)替換。局域互連技術(shù)的關(guān)鍵在于第一層金屬圖形形成之前先形成通孔,再采用基于電鍍技術(shù)的雙大馬士革工藝同時(shí)填充金屬Cu(圖7、圖8)。

圖7　芯片中的金屬互連線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖8　集成電路中的金屬層間互連照片

2.2三維電子封裝技術(shù)

隨著集成電路中晶體管數(shù)量的逐年成倍增加，三維集成與封裝技術(shù)越來(lái)越顯示出其重要性。目前，三維集成與封裝技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)在于三維疊層封裝以及封裝體的三維疊層，而鍵合技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)三維疊層的關(guān)鍵。由于金屬/焊料微凸點(diǎn)鍵合在電氣互連、散熱以及結(jié)構(gòu)支撐等方面具有的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為鍵合技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。高密度的微凸點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)金屬/焊料微凸點(diǎn)鍵合的基礎(chǔ)。將光刻掩膜技術(shù)與金屬電鍍技術(shù)相結(jié)合制備出的尺寸精確的凸點(diǎn)，完全能夠達(dá)到三維疊層對(duì)微凸點(diǎn)鍵合的要求(圖9)。

圖9　3D系統(tǒng)芯片及封裝

將集成電路晶片上的銅配線(xiàn)技術(shù)與多層聚酰亞胺印制板技術(shù)相結(jié)合形成的在多層印制板內(nèi)的IC封裝技術(shù)(Wafer And Board level Embedded Technology,WABE Technology?)，可以制備出集成電路內(nèi)藏基板(圖10)。這一技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于新一代系統(tǒng)封裝以及手機(jī)基板。

圖10　集成電路內(nèi)藏基板

2.3超高密度印制板及層間互聯(lián)技術(shù)

近年市場(chǎng)上出現(xiàn)的各種新型便攜式電子產(chǎn)品已經(jīng)普遍采用超高密度印制電路板。這類(lèi)產(chǎn)品中的超高密度印制電路板不僅是各種組件的承載平臺(tái)，更借助于立體封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)整合(圖11)。由印制線(xiàn)路的高密度化以及更高的接點(diǎn)密度形成的超高密度印制線(xiàn)路板已經(jīng)成為未來(lái)印制板技術(shù)的發(fā)展方向。超高密度印制板技術(shù)的關(guān)鍵在于任意層間的金屬互連技術(shù)。任意層間的金屬互連技術(shù)可實(shí)現(xiàn)超高密度印制板內(nèi)所有相鄰兩層之間的電氣連接。通過(guò)電鍍銅技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高密度印制板內(nèi)任意相鄰兩層之間的盲孔連接，是目前應(yīng)用最為廣泛的任意層間金屬互連技術(shù)(圖12)。

圖11　超高密度印制板封裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖12　超高密度印制線(xiàn)路板內(nèi)由電鍍金屬銅實(shí)現(xiàn)的任意層間金屬互連

3微電機(jī)系統(tǒng)中電鍍技術(shù)的應(yīng)用

微電子系統(tǒng)與微機(jī)械系統(tǒng)相結(jié)合形成的微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)，其特點(diǎn)是尺寸微小，功能強(qiáng)大。近年，隨著人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，MEMS產(chǎn)業(yè)已經(jīng)全方位快速滲透到軍事、醫(yī)療、生物、仿生學(xué)及航空航天等領(lǐng)域。構(gòu)成微電機(jī)系統(tǒng)的零部件尺度都在微米甚至納米。電鍍技術(shù)是一個(gè)從原子、離子尺度開(kāi)始的材料制造以及零部件制造技術(shù)。電鍍技術(shù)與光刻蝕技術(shù)相結(jié)合發(fā)展而成的MEMS技術(shù)，已經(jīng)成為MEMS領(lǐng)域的尖端技術(shù)[24-26]。圖13為采用電鍍MEMS技術(shù)制造的金屬部件照片，圖14為MEMS模塊中微小的機(jī)械部件照片，圖15為采用MEMS技術(shù)制造的納米泵技術(shù)，圖16為EPSON公司采用MEMS技術(shù)制造的微型飛行器，圖17為采用MEMS技術(shù)制造的可移動(dòng)微型機(jī)器人。

圖13　MEMS技術(shù)制造的金屬部件

圖14　MEMS模塊中微小的機(jī)械部件

圖15　MEMS技術(shù)制造的納米泵

圖16　MEMS技術(shù)制造的微型飛行器

圖17　MEMS技術(shù)制造的微型機(jī)器人

4零部件及設(shè)備再制造中電鍍技術(shù)的應(yīng)用

零部件的失效表現(xiàn)在其尺寸偏離設(shè)計(jì)值。零部件失效導(dǎo)致設(shè)備不能正常運(yùn)行，甚至報(bào)廢。再制造的意義，在于對(duì)零部件實(shí)施再制造后，不僅零部件的尺寸恢復(fù)到最初設(shè)計(jì)值，而且失效設(shè)備的壽命超過(guò)新品。再制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)約型社會(huì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的需要。

由于電鍍技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)材料的定點(diǎn)、定位生長(zhǎng)，制造過(guò)程也無(wú)需高溫、高壓。此外，現(xiàn)有的各種高性能鍍層制造技術(shù)(例如高溫抗氧化鍍層、耐磨鍍層及耐腐蝕鍍層等)也使得失效零部件的再制造成為可能。電鍍技術(shù)的上述特點(diǎn)使其成為零部件及設(shè)備再制造中的關(guān)鍵技術(shù)[27-30]。

采用電鍍技術(shù)對(duì)失效泵的泵體、齒輪箱和蓋子等部件進(jìn)行再制造，再更換新的齒輪、軸、軸承、密封件、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子螺母，就完成了泵的再制造過(guò)程(圖18、圖19)。

圖18　失效泵的再制造部位示意圖

圖19　失效泵及經(jīng)過(guò)再制造的泵

采用電鍍技術(shù)對(duì)失效中央空調(diào)壓縮機(jī)[圖20(a)]的失效部件進(jìn)行再制造后[圖20(b)]，重新組裝的中央空調(diào)壓縮機(jī)[圖20(c)]的性能及壽命均超過(guò)新品。

圖20　再制造中央空調(diào)壓縮機(jī)

5結(jié)束語(yǔ)

伴隨著21世紀(jì)高科技的大量涌現(xiàn)，電子零部件的微型化趨勢(shì)，以及國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，為電鍍技術(shù)的應(yīng)用提供了前所未有的大量機(jī)遇，同時(shí)也給電鍍技術(shù)的發(fā)展提出了方方面面的挑戰(zhàn)。電鍍工作者需要不斷拓展思路，大膽創(chuàng)新?？梢韵嘈?，未來(lái)的電鍍技術(shù)將成為更多高技術(shù)領(lǐng)域的尖端技術(shù)。

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Future Development and Application of Plating Technology

GAO Haihuan1,BU Luxia2,WANG Wei3

(1.No.4 Middle School of Tianjin,Tianjin 300211,China;2.School of Basic Science,Tianjin Agricultural University,Tianjin 300384,China;3.School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Abstract:With the development of mordern sicence and technology，traditional plating technology is gradually developed from the initial protective and decorative coating to a variety of functional coatings.In this paper，the development of plating technology and its applications in high-tech fields，such as PCB，electronic packaging，MEMS，components and equipments，were introduced.Plating technology would becoming the sophisticated technology in more and more high-tech fields.

Keyword:plating technology;development;application;composite coating;microelectronics;remanufacture

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.05.006

收稿日期：2016-03-11修回日期：2016-03-18

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ153.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A