接插件端子卷對卷連續(xù)選擇性點(diǎn)鍍金工藝

劉振，全一能，張迪生

成都宏明雙新科技股份有限公司，四川 成都 610091

常用的接插件端子鍍金工藝主要包括浸鍍和刷鍍。這兩種工藝都通過屏蔽膠帶和人工調(diào)試來控制鍍金層尺寸，主要存在如下缺點(diǎn)：金層尺寸公差大；金溶液流速慢，金離子交換不夠快，還原沉積不均勻，導(dǎo)致金層厚度公差大。點(diǎn)鍍可以根據(jù)產(chǎn)品要求的金層面積，定制與產(chǎn)品配套的專用模具，借助專用點(diǎn)鍍模具來控制金層尺寸；金溶液以加壓噴射方式循環(huán)流動，流速高，金離子沉積均勻，金層厚度公差小。

本文在卷對卷連續(xù)電鍍生產(chǎn)線上對不銹鋼接插件端子點(diǎn)鍍金，主要圍繞提高鍍金層的尺寸精度、厚度精度及性能展開研究，以期降低鍍金成本。采用改進(jìn)的工藝后所得鍍金層可滿足尺寸最大公差±0.2 mm、厚度最大公差±0.1 μm的要求，鍍層結(jié)合力合格(可承受額定功率為80 W的高速精密沖床施加的沖擊力)、耐蝕性好(能通過24 h以上的中性鹽霧試驗(yàn))。

1 卷對卷連續(xù)選擇性接插件端子點(diǎn)鍍金工藝

1.1 操作工序

傳統(tǒng)工藝的主要工序包括：1)原材料排樣卷料成型(對原材料沖制定位孔)；2)沖壓成型；3)電鍍鎳和金(包含選擇性電鍍鎳和刷鍍金工藝)。

改進(jìn)工藝的主要工序包括：1)原材料排樣卷料成型(對原材料沖制定位孔，如圖1a和圖1b所示)；2)凸包電鍍鎳和金，其余部位電鍍鎳(如圖1c所示)；3)電鍍料排樣卷料成型(如圖1d和圖1e所示)。

圖1 接插件端子成型過程Figure 1 Process for fabrication of connector terminal

點(diǎn)鍍金的工藝流程為：陰極電化學(xué)除油→水洗→陽極電化學(xué)除油→水洗→化學(xué)浸蝕→水洗→陰極電化學(xué)浸蝕→水洗→沖擊鍍鎳→水洗→氨基磺酸鍍鎳→水洗→預(yù)浸蝕→水洗→檸檬酸浸蝕→水洗→氰化亞金鉀鍍金→水洗→退鍍金→水洗→烘干。

從操作工序看，改進(jìn)的插接件端子點(diǎn)鍍金工藝較傳統(tǒng)工藝而言僅僅是流程順序有所改變。但是細(xì)分可知，電鍍金過程中的陰極電化學(xué)浸蝕、沖擊鍍鎳及預(yù)浸蝕能夠大幅提高鎳層與基材及金層之間的結(jié)合力，令鍍料能夠承受額定功率為80 W的高速精密沖床施加的沖擊力；電鍍金通過高速噴射點(diǎn)鍍方式進(jìn)行，能夠顯著降低金層厚度公差及提高金層尺寸精度。因此，點(diǎn)鍍金工藝能夠有效規(guī)避傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)效率不高、端子彈力合格率低、端子變形率高，以及金層厚度和尺寸控制難的問題。

1.2 各工序配方和工藝參數(shù)

1.2.1 (電)化學(xué)除油

市售WD-CL2型除油劑30 ~ 80 g/L，溫度55 ~ 65 ℃，時(shí)間1.2 ~ 2.2 min。陰極電化學(xué)除油采用不銹鋼板作為陽極，電流密度為3.5 ~ 4.5 A/dm2。

1.2.2 (電)化學(xué)浸蝕

HCl 2.4 ~ 3.6 mol/L，室溫，時(shí)間1.2 ~ 2.2 min。陰極電化學(xué)浸蝕采用石墨陽極，電流密度為4.5 ~ 5.5 A/dm2。

1.2.3 沖擊鍍鎳

HCl 1.2 ~ 2.2 mol/L，NiCl2?6H2O 150 ~ 300 g/L，溫度35 ~ 40 ℃，電流密度3.5 ~ 4.5 A/dm2，時(shí)間0.1 ~ 0.6 min。

1.2.4 氨基磺酸鍍鎳

Ni(NH2SO3)2?4H2O 450 ~ 650 g/L，NiCl2?6H2O 20 ~ 30 g/L，H3BO340 ~ 60 g/L，pH 3.8 ~ 4.1，溫度50 ~ 55 ℃，電流密度7 ~ 10 A/dm2，時(shí)間6 ~ 10 min。

1.2.5 預(yù)浸蝕

采用市售PT-CL2型浸蝕液。

1.2.6 檸檬酸浸蝕

檸檬酸40 ~ 60 g/L，室溫，時(shí)間0.1 ~ 0.5 min。

1.2.7 電鍍金

采用高速噴射點(diǎn)鍍加工模式，工藝布局如圖2所示。加工流程如下：

圖2 高速噴射點(diǎn)鍍金裝置的示意圖(a)和實(shí)物圖(b)Figure 2 Sketch (a) and photo (b) of the set-up for high-speed jet gold spot plating

1) 金溶液自母槽循環(huán)至溶液子槽的圓形水囊中，圓形水囊外側(cè)均勻排列著鍍鉑金的鈦陽極(見圖3a)，金溶液從陽極縫隙中噴射出來。

圖3 高速噴射點(diǎn)鍍金的水囊(a)和模具(b)照片F(xiàn)igure 3 Photos of water pocket (a) and mold (b) for high-speed jet gold spot plating

2) 根據(jù)材料鍍金尺寸要求，圓形水囊外套圓形模具，圓形模具外圈輪廓開設(shè)不同尺寸的微孔(見圖3b)，自圓形水囊噴出的金溶液通過微孔噴射到材料表面、圓形模具和材料接觸的位置，并借助硅膠膠?？刂平饘映叽纭?/p>

1.2.8 退鍍金

采用市售PN STG-700無氰化學(xué)剝金粉，質(zhì)量濃度為6 ~ 10 g/L，時(shí)間0.2 ~ 0.5 min。

1.3 性能檢測

1.3.1 形貌、厚度和尺寸

用奧斯維CO-HD228S型視頻顯微鏡觀察鍍層形貌，用Helmut FISHER XDLM 237型測厚儀測量鍍層厚度，以及用新天JVB300型影像測量儀測量鍍層尺寸。

1.3.2 結(jié)合力

通過劃格法、彎曲法和沖壓試驗(yàn)檢測鍍層結(jié)合力。

1) 劃格法：根據(jù)ASTM D3359-17Standard Test Methods for Rating Adhesion by Tape Test中的方法B(十字交叉切割法)進(jìn)行結(jié)合力檢測和評級，使用德國BYK-5123型百格刀。

2) 彎曲法：根據(jù)ASTM B571-97Standard Practice for Qualitative Adhesion Testing of Metallic Coatings，裁出長20 cm的試樣，保持電鍍面向外，沿著直徑4倍于材料厚度的芯軸反復(fù)彎折至180°，鍍層無鼓泡、無脫落為結(jié)合力合格。

3) 沖壓試驗(yàn)：在日本電產(chǎn)京利的ANEX-80W型高速精密沖床上對接插件端子進(jìn)行沖壓試驗(yàn)，模具閉合高度212.02 mm，每模1件，沖速270 ~ 320沖次/min，加油頻率3 ~ 5沖次/滴。

1.3.3 耐腐蝕性能

在全壹HL-90-BS型鹽霧試驗(yàn)箱中進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，采用50 g/L的NaCl溶液(pH 6.5 ~ 7.2)，試驗(yàn)溫度33 ~ 37 ℃，進(jìn)氣壓力0.3 ~ 0.4 mPa，噴霧壓力84 kPa，試驗(yàn)時(shí)間24 h。

2 電鍍效果

2.1 不同因素對電鍍層結(jié)合力的影響

2.1.1 陰極電化學(xué)浸蝕的影響

陰極電化學(xué)浸蝕過程中，隨著電解反應(yīng)的進(jìn)行，陰極產(chǎn)生大量原子氫，原子氫在酸性環(huán)境下令氧化膜中的金屬離子還原，從而有效去除工件表面的氧化膜[1]。此外，原子氫聚合而成的氫氣泡有利于進(jìn)一步去除零件表面可能殘留的油漬。因此，陰極電化學(xué)浸蝕可有效去除基體材料表面的氧化膜和油污，保證鍍鎳層與基體之間的結(jié)合力。

2.1.2 沖擊鍍鎳的影響

沖擊鍍鎳對鍍鎳層結(jié)合力的影響主要體現(xiàn)在，基體表面在強(qiáng)酸性的沖擊鍍鎳液中迅速形成很薄的鎳層，防止基體發(fā)生二次氧化。

2.1.3 預(yù)浸蝕的影響

行業(yè)中常用氨基磺酸體系和硫酸體系電鍍裝飾性及功能性鎳鍍層，鍍液中一般會加入各種有機(jī)添加劑來滿足鍍層外觀要求。有機(jī)添加劑對鎳離子還原的阻化作用會導(dǎo)致鎳電沉積的電流效率下降，且鍍層內(nèi)夾雜添加劑及其分解產(chǎn)物會引起鎳層晶格變形和脆性[2]。鍍層發(fā)脆不僅導(dǎo)致結(jié)合力下降，而且嚴(yán)重影響鍍層的其他性能。鍍鎳溶液中少用或不用有機(jī)添加劑，以及電鍍完成后進(jìn)行除氫或其他高溫處理，都可有效降低鍍層的脆性[3]。然而，長時(shí)間不用或者少用有機(jī)添加劑勢必會影響鍍鎳層外觀和生產(chǎn)效率，除氫或其他高溫處理也會影響鍍層的焊接性能及降低生產(chǎn)效率[4]。多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，在氨基磺酸鍍鎳后增加預(yù)浸蝕工藝，可借助預(yù)浸蝕溶液的強(qiáng)酸性將鍍層中的有機(jī)雜質(zhì)溶解掉，并且不會損傷鎳層的晶格或引起鎳層脆性，從而顯著提高金層與鎳層之間的結(jié)合力。

無預(yù)浸蝕工序時(shí)，金層與鎳層之間的劃格法結(jié)合力為4B級(見圖4a)，彎曲后無鼓泡、無脫落(見圖4b)，但在沖壓試驗(yàn)后金層出現(xiàn)脫落現(xiàn)象(見圖4c)。增加預(yù)浸蝕工序后，金層的結(jié)合力還是4B級(見圖4d)，彎曲后無鼓泡、無脫落(見圖4e)，并且在沖壓試驗(yàn)后無任何金層脫落現(xiàn)象(見圖4f)，結(jié)合力良好。

2.2 電鍍層的耐蝕性

如圖5所示，鍍鎳(厚度>2.5 μm)+金(厚度>1.0 μm)的不銹鋼試樣在中性鹽霧試驗(yàn)24 h后表面無任何銹點(diǎn)和異色，說明其耐蝕性良好。

圖5 鍍鎳+金試樣中性鹽霧試驗(yàn)24 h后的照片F(xiàn)igure 5 Photo of nickel- and gold-plated sample after 24 hours of neutral salt spray test

2.3 高速噴射點(diǎn)鍍金層的尺寸和厚度

金層尺寸和金層厚度決定了鍍金的成本。因此，控制金層尺寸和厚度是降低鍍金成本的關(guān)鍵。金層尺寸最大公差為± 0.2 mm，金層厚度最大公差可滿足± 0.1 μm的要求。

筆者所在公司加工某款接插件端子時(shí)要求鍍金層長邊尺寸公差為短邊尺寸公差為鍍金層厚度公差為隨機(jī)測量5個(gè)不同部位的金層尺寸和厚度，結(jié)果列于表1。采用式(1)和式(2)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差(S)和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果列于表2。

表1 接插件端子上金層的尺寸和厚度Table 1 Size and thickness of gold coatings on connector terminals

表2 接插件端子上金層尺寸和厚度的精度Table 2 Precision of size and thickness of gold coating on connector terminals

式中xi為樣品i的厚度或尺寸，為樣品的平均厚度或尺寸。

從表2可知，鍍金層長邊和短邊的平均長度為1.974 mm和1.620 mm，平均厚度為1.320 μm，鍍金層的尺寸和厚度精度都較高，偏差小，滿足要求。

3 結(jié)語

本文介紹的卷對卷選擇性接插件端子點(diǎn)鍍金工藝能獲得結(jié)合力好、耐蝕性強(qiáng)、尺寸精度和厚度精度高的鍍層，且滿足后續(xù)高速沖壓車床生產(chǎn)的要求。目前該工藝已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)，日產(chǎn)能最大可達(dá)5 000 m，產(chǎn)品合格率在99.5%以上。