銅波導(dǎo)鍍銀層厚度的分析與研究

張舒，葉正浩，王燁

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101）

銅波導(dǎo)是微波傳輸中的常用器件，其導(dǎo)通性能直接影響電子產(chǎn)品的通訊效果。微波傳輸有一個明顯的特點，微波是沿波導(dǎo)的表面?zhèn)鬏數(shù)摹ｃy有良好的導(dǎo)電性能，銀鍍層常作為電子、電器工業(yè)產(chǎn)品零部件的功能性鍍層。因此，一般銅波導(dǎo)都需要進行鍍銀處理。

設(shè)計要求在銅波導(dǎo)內(nèi)表面進行鍍銀處理,本文采用氰化鍍銀制備鍍銀層，研究了鍍層厚度對電性能和耐蝕性的影響，介紹了改善銅波導(dǎo)內(nèi)表面鍍銀質(zhì)量的工藝方案，可在一定程度上滿足銅波導(dǎo)的電性能和耐蝕性需求。

1 鍍銀層厚度的分析

GJB/Z 594A-2000《金屬鍍覆層和化學(xué)覆蓋層選擇原則與厚度系列》規(guī)定，軍工產(chǎn)品零（部）件的使用環(huán)境條件是選擇鍍覆層種類及其厚度的主要依據(jù)。SJ 20818-2002《電子設(shè)備的金屬鍍覆與化學(xué)處理》對銅上鍍銀的厚度要求分為室內(nèi)、室外兩種，室內(nèi)規(guī)定為8μm，室外規(guī)定為15μm。通過控制電鍍時間，可以得到厚度不同的鍍層，我們選取鍍銀層厚度5μm、8μm、12μm和15μm進行試驗。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

試驗材料為銅波導(dǎo)，在矩形波導(dǎo)管兩端焊接法蘭盤，矩形波導(dǎo)管采用GB/T 8894-2014規(guī)定的黃銅波導(dǎo)管型材，牌號H96，法蘭盤設(shè)計參照GB/T 11449.2-89規(guī)定的黃銅法蘭盤，牌號H62。

銅波導(dǎo)管內(nèi)腔表面處理選用的是鍍銀發(fā)黑，外表面涂覆?；疑计帷z測鍍銀層厚度時，還需要從銅波導(dǎo)上切取試片，試片厚度為波導(dǎo)管壁厚，大小按照長20mm和波導(dǎo)管寬度切取。

2.2 試驗方法

采用X熒光光譜儀（Thick 800A）檢測鍍銀層厚度，采用GJB 150.9A-2009規(guī)定的濕熱試驗和GJB 150.11A-2009規(guī)定的鹽霧試驗檢測鍍銀層的耐蝕性，試驗裝置采用型號為KHL-KWGDS605的高低溫交變濕熱試驗箱和FQY-160F的鹽霧腐蝕試驗箱。試驗后試樣的腐蝕評級按照GB/T 6461-2002的規(guī)定進行。

3 試驗研究

3.1 鍍銀層厚度檢測

在銅波導(dǎo)的兩端及中間部位各截取一塊試片，采用X熒光光譜儀（Thick 800A）檢測鍍銀層厚度，測量數(shù)值單位為μm，檢測日期為2021年6月，檢測結(jié)果見表1。

表1 銅波導(dǎo)鍍銀層厚度的檢測結(jié)果

從檢測結(jié)果可以看出，鍍銀層厚度符合試驗要求。從檢測的鍍層厚度來看，鍍銀層是不均勻的，由于銅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形狀的原因，鍍銀層在銅波導(dǎo)邊緣較厚，中間部位最薄。

微波在波導(dǎo)中的傳輸不同于一般電流或波的傳遞，而是遵循趨膚效應(yīng)。由于導(dǎo)體中由微波誘導(dǎo)產(chǎn)生的電流都集中在導(dǎo)體的表面，微波場對導(dǎo)體的穿透程度可用趨膚深度δ（單位為m）表示，趨膚深度計算公式如式（1）。

式中，ω為微波場振動的角頻率（弧度/s）；σ是金屬的電導(dǎo)率(S/m)；μ0是真空中的磁導(dǎo)率，其值為4π×10-7H/m；K是衰減系數(shù)。

為了簡化計算，可以將求趨膚深度δ的公式進行處理，即將相關(guān)常數(shù)帶入公式，微波在鍍銀層中傳導(dǎo)時的趨膚深度簡化計算公式如式（2）。

式中，f為微波頻率(Hz)。

根據(jù)產(chǎn)品性能指標(biāo)中銅波導(dǎo)的使用頻率計算，在理想狀態(tài)下，1μm～2μm的鍍銀層厚度即可滿足要求。試驗樣品經(jīng)調(diào)試人員測試，電性能均達到指標(biāo)要求。

3.2 鍍銀層環(huán)境試驗

通過環(huán)境試驗檢測銅波導(dǎo)鍍銀層的耐蝕性，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 環(huán)境試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出，鍍層厚度較薄的試樣均發(fā)生了腐蝕，鍍層厚度達到15μm的試樣未發(fā)生腐蝕，試驗結(jié)果證明，鍍層厚度達到15μm的試樣耐蝕性更好。

金屬銅比金屬銀活潑，鍍銀層屬于陰極性鍍層。濕氣或鹽霧吸附到銅波導(dǎo)內(nèi)腔則會形成水溶液。鍍銀層厚度不夠，外界空氣容易通過孔隙穿透鍍銀層達到基材銅合金。基材金屬外露，在水溶液里又將產(chǎn)生原電池效應(yīng)，發(fā)生更劇烈的電化學(xué)腐蝕。

3.3 研究總結(jié)

綜上所述，作為功能性鍍層的鍍銀層，比鍍銀標(biāo)準(zhǔn)少得多的鍍層厚度即可滿足電性能指標(biāo)要求，鍍層厚度5～8μm，甚至更小時，容易存在孔隙，在通電情況下，孔隙內(nèi)的銅合金會加速腐蝕，鍍銀層的孔隙率隨著鍍層厚度的增加而降低，當(dāng)厚度達到15μm時，耐蝕性較好。高頻銅波導(dǎo)內(nèi)腔尺寸小于20mm，如采用普通的鍍銀方式，內(nèi)表面鍍銀層厚度不均勻，局部鍍層很薄或幾乎沒有，無法滿足要求。因此，我們需要采取改進措施，保證銅波導(dǎo)鍍銀能夠達到所需的鍍層厚度。

4 改進措施

4.1 加強過程控制

我們對現(xiàn)有鍍銀工藝進行改進，修訂鍍銀工藝規(guī)范，組織并通過了工藝評審。工藝規(guī)范對適用范圍、輔助工藝裝備、工藝過程參數(shù)、溶液的維護與調(diào)整、檢驗要求、常見缺陷產(chǎn)生原因和生產(chǎn)過程操作記錄卡等方面進行了更新。同時，我們制定了鍍銀工藝管理辦法，由專人負責(zé)生產(chǎn)過程控制，嚴(yán)格執(zhí)行工藝規(guī)范，對產(chǎn)品質(zhì)量負責(zé)。

4.2 分類控制電流密度

總結(jié)多年的工作經(jīng)驗，鍍銀操作人員反饋電流密度偏高時，鍍層結(jié)晶變粗，孔隙率也增大，減小電流密度，鍍層結(jié)晶致密，鍍銀層的電性能更好。查看以往記錄，我們對電流密度進行分類要求。重要零部件要求為0.2～0.6A/dm2，銅波導(dǎo)管要求為0.3～0.8A/dm2，其他零部件要求為0.5～1.2A/dm2。通過嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，提高鍍銀層的質(zhì)量。

4.3 增加輔助陽極

銅波導(dǎo)內(nèi)表面鍍銀要求使用銀陽極作為輔助工藝裝備，對保證鍍層厚度起到關(guān)鍵作用。銅波導(dǎo)的軸向長度長，在電鍍過程中，電力線分布不均。在波導(dǎo)內(nèi)腔添加輔助陽極可改變電力線的分布，有助于提高波導(dǎo)內(nèi)腔的鍍層厚度和鍍層均勻性。輔助陽極應(yīng)具有一定的柔性，表面積滿足以下要求：S1/S2≥0.4（S1為輔助陽極的有效表面積，S2為復(fù)雜銅波導(dǎo)內(nèi)腔的表面積）。因為輔助陽極可能會與銅波導(dǎo)內(nèi)腔接觸造成短路，所以我們還用陽極保護套包裹輔助陽極，避免與銅波導(dǎo)內(nèi)腔直接接觸。

5 結(jié)語

經(jīng)過分析與研究，銅波導(dǎo)鍍銀層的電性能要達到要求，可以通過計算趨膚深度確定鍍層厚度，隨著銅波導(dǎo)使用頻率的提高，鍍層厚度可以越薄。通過環(huán)境試驗對比，可以看出，隨著試樣鍍銀層厚度的增加，耐腐蝕性也提高。為了銅波導(dǎo)鍍銀能達到所需的鍍層厚度，我們改進鍍銀工藝，加強過程控制，兼顧了銅波導(dǎo)的電性能和耐蝕性，提高了產(chǎn)品的可靠性。鍍銀后處理或涂覆電接觸保護劑等不屬于本文的討論范圍，待以后進一步研究。