振動(dòng)鍍?cè)谔沾啥谓饘倩械膽?yīng)用批閱修改稿

1、振動(dòng)鍍?cè)谔沾啥谓饘倩械膽?yīng)用陳虎，李劍，胡守亮，徐萬里 （中國(guó)工程物理研究院 電子工程研究所, 四川 綿陽(yáng) 621900）摘要：本文研究了振動(dòng)電鍍?cè)谔沾啥谓饘倩械膽?yīng)用。利用掃描電鏡、激光共聚焦掃描顯微鏡和X熒光測(cè)厚儀等考察了振動(dòng)頻率、電壓以及電流大小對(duì)鎳鍍層形貌、表面粗糙度以及沉積速率的影響。結(jié)果表明，振動(dòng)鍍所得鍍層表面微觀結(jié)構(gòu)致密，電流和電壓對(duì)鍍層粗糙度的影響較小，振動(dòng)頻率為17.4Hz時(shí)鍍層表面粗糙度最小。隨著電流或電壓的增加，鍍層沉積速率增加。振動(dòng)鍍所得鍍層的結(jié)合力滿足陶瓷二次金屬化后燒鎳的要求，焊料在鍍層表面也具有良好的流散性。這表明振動(dòng)鍍所得鍍層能夠滿足陶瓷二次金屬化的需要。關(guān)

2、鍵詞：振動(dòng)鍍；二次金屬化；粗糙度；結(jié)合力中圖分類號(hào)：TQ153文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1004 227X () 00 An application of vibratory electroplating on the ceramic second metallizing / Hu Chen, Jian Li, Shouliang hu, Wanli XuAbstract: The application of vibratory electroplating for ceramic second metallizing was investigated in this paper. The e

3、ffects of frequency、voltage and current on the properties in aspect of micro morphology, roughness and electrodeposition rate of Ni coating were studied. The results show that the micro morphology of the coatings was compact, and when the vibratory frequency was 17.4Hz, the roughness of coatings was

4、 lowest, and the roughness with no relationship to the current and voltage, with the increase of the voltage and current the electrodeposition rate was increase. The results of the heating nickel and solder blushing experiment show that the adhesion and the wettability of coating was content with th

5、e requirement of the second metallizing.Keywords: vibratory electroplating, second metallizing, roughness, adhesionFirst-authors address: Hu Chen, Mianyang ,621900, China 收稿日期：修回日期：基金項(xiàng)目：電真空用高速鍍鎳技術(shù)研究（S20140802）。作者簡(jiǎn)介：陳虎（1987），男，重慶，碩士，工程師，電真空器件制造技術(shù)。作者聯(lián)系方式/通信作者：陳虎，工程師，(E-mail) 224178557，(Tel) 0816-24898

6、35。陶瓷金屬化是指在陶瓷上燒結(jié)或沉積一層金屬以便陶瓷和金屬能高質(zhì)量地封接在一起，金屬化的好壞直接影響到封接的氣密性和強(qiáng)度1。常用的陶瓷金屬化工藝為Mo-Mn法2，即將以Mo、Mn為主的金屬粉末混合均勻后涂覆在陶瓷表面，通過高溫?zé)Y(jié)使得金屬粉末與陶瓷形成一體。為了改善焊料在金屬化表面的流散性和防止液態(tài)焊料對(duì)金屬化層的侵蝕作用，通常在完成燒結(jié)的金屬化表面鍍上Ni層，以覆蓋多孔的金屬化層，形成光滑的可焊表面，這個(gè)過程稱之為二次金屬化。良好的二次金屬化質(zhì)量將使陶瓷-金屬封接結(jié)構(gòu)獲得較高的封接強(qiáng)度3。目前陶瓷的二次金屬化工藝多采用鎳絲進(jìn)行捆綁后掛鍍的方式4，這種電鍍方式不但效率低，并且由于掛具的阻擋，

7、常常導(dǎo)致鍍層的質(zhì)量不高，因此研究新的陶瓷金屬化電鍍工藝對(duì)提高陶瓷-金屬封接可靠性具有重要意義。振動(dòng)電鍍是國(guó)外20世紀(jì)70年代末興起的一項(xiàng)小零件電鍍技術(shù)5。這種電鍍方式是將待鍍的零件放置于篩狀振動(dòng)容器內(nèi)，使零件在電鍍過程中始終保持一定頻率和振幅的振動(dòng)狀態(tài)6。振動(dòng)鍍比常規(guī)的滾鍍技術(shù)具有更優(yōu)異的鍍層性能，如鍍層致密、光亮，深孔零件內(nèi)鍍質(zhì)量好等，且可提高生產(chǎn)效率，因此一經(jīng)問世即得到快速的應(yīng)用與發(fā)展7。目前振動(dòng)鍍?cè)趶椈舍?、接插件9等細(xì)小金屬零件上應(yīng)用較廣，但關(guān)于振動(dòng)鍍?cè)谔沾山饘倩系膽?yīng)用目前只有少量報(bào)道，路聰閣10等將振動(dòng)鍍應(yīng)用于陶瓷絕緣子電鍍中，產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率有了較為明顯的提高。本文以瓦特鎳為

8、基礎(chǔ)配方，研究了振動(dòng)鍍參數(shù)對(duì)陶瓷金屬化層表面質(zhì)量的影響，為提高陶瓷金屬化的效率奠定了基礎(chǔ)。2實(shí)驗(yàn)2. 1材料電鍍樣品為外徑20mm、內(nèi)徑12mm，厚度為4mm的氧化鋁陶瓷，如圖1所示。圖1 不同樣品的表面形貌Figure 1 schematic diagram of the ceramic2.2工藝流程預(yù)處理一次金屬化電鍍后處理燒鎳預(yù)處理工藝：將瓷件置于50%的鹽酸中浸泡5min,以去除瓷件表面雜質(zhì)。電鍍配方：硫酸鎳 100 200 g/L 硫酸鈉 50 100g/L 氯化鎳 10 30g/L硼酸 10 30g/L一次金屬化：將涂覆金屬M(fèi)o粉的瓷件置于氫氣爐中1500燒結(jié)10min。后處理：將

9、瓷件置于50%鹽酸清洗1min，然后用去離子水沖洗2min，最后烘干。燒鎳：將鍍后瓷件置于氫氣爐中1000燒結(jié)10min。電鍍振盆直徑為50cm，由于樣品數(shù)量有限，無法完全鋪滿振盆底部，因此采用直徑為2mm的不銹鋼片作為填料，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中保持填料總重量為3Kg，鋪滿整個(gè)振盆底部，樣品數(shù)量為5個(gè)。2.3測(cè)試與表征采用日本奧林巴斯OLS4000型激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）測(cè)量鍍層表面粗糙度Ra，利用荷蘭Phenom-World公司生產(chǎn)的ProX型掃描電鏡(SEM)及其附帶的能譜儀(EDS)分析鍍層表面形貌和成分，采用德國(guó)FISCHIER-XDV-W型X射線熒光儀(XRF)測(cè)量鍍層厚度。3結(jié)

10、果與分析3. 1振動(dòng)頻率的影響振動(dòng)頻率會(huì)影響振盆的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而影響到鍍件的翻轉(zhuǎn)情況，導(dǎo)致鍍層的沉積速率和微觀形貌的變化。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)振動(dòng)頻率為17.4Hz時(shí)，振盆中的填料轉(zhuǎn)速較快，當(dāng)振動(dòng)頻率低于16.5Hz時(shí)，振盆存在異響，當(dāng)頻率高于18.5Hz時(shí)，填料基本不轉(zhuǎn)動(dòng)，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)將振動(dòng)頻率設(shè)置為17.0Hz、17.4Hz、18.0Hz，采用恒壓模式，電壓統(tǒng)一為7V，電鍍時(shí)間為120min。表1為不同振動(dòng)頻率下樣品的沉積速率與表面粗糙度。表1 振動(dòng)頻率對(duì)沉積速率和粗糙度的影響Table1 the effect of frequency on the electrodeposition rate

11、and surface roughness頻率(Hz)厚度（m）沉積速率(m/10min)Ra/m樣品1樣品2樣品3樣品4樣品5平均值17.05.024.674.703.023.514.180.352.0517.44.144.504.603.954.364.310.361.3418.04.713.954.492.242.693.620.301.79由表1可知，振動(dòng)頻率對(duì)鍍層的沉積速率有一定的影響。當(dāng)頻率為17.4Hz時(shí)，鍍層的沉積速率最高達(dá)到0.36m/10min，當(dāng)頻率為18.0Hz時(shí)，沉積速率為0.30m/10min，但總的來說，平均沉積速率相差不大。從表1還可以看出，對(duì)同一批5個(gè)樣品，頻

12、率為17.4Hz時(shí)，樣品厚度的均一性較好，而當(dāng)頻率為18.0Hz時(shí)，鍍層的均一性較差，厚的達(dá)到4.71m，薄的只有2.24m。這可能是因?yàn)樘沾杀旧硎遣粚?dǎo)電的，當(dāng)頻率為18.0Hz時(shí)，振盆的轉(zhuǎn)速較慢，樣品的翻轉(zhuǎn)頻率較慢，金屬化層表面與填料的接觸時(shí)間不均，就會(huì)導(dǎo)致同一批次的樣品厚度不均。另外從表2還可以看出，當(dāng)頻率從17.0Hz升高至17.4Hz時(shí)，Ra下降到最小，而當(dāng)頻率繼續(xù)升高至18.0Hz，粗糙度反而增加。這是因?yàn)楫?dāng)頻率為17.4Hz時(shí)，鍍件樣品翻轉(zhuǎn)頻率較高，鍍層表面與填料之間的摩擦概率增加，會(huì)在電鍍過程中產(chǎn)生類似拋光的效果，拋去電鍍層表面的凸起等缺陷，從而降低了鍍層表面的粗糙度。而當(dāng)振動(dòng)頻

13、率為17.0Hz時(shí)，振盆中填料和樣品旋轉(zhuǎn)過于激烈，樣品在離心力和鍍液的浮力作用下，無法有效的和填料接觸摩擦，這樣表面粗糙度也相對(duì)較高。圖2為金屬化層、傳統(tǒng)掛鍍以及頻率為17.4Hz時(shí)振動(dòng)鍍所得鍍層的SEM照片。 (a)金屬化層 (b)傳統(tǒng)掛鍍鍍層(a) metallizing layer (b) The coatings of traditional rack electroplating(c)振動(dòng)鍍鍍層(c) The coatings of vibratory electroplating圖2 金屬化層以及鍍層的SEM照片F(xiàn)igure 2 The SEM photos of metalliz

14、ing layer and coatings如圖2a所示，金屬化層本身由于是由Mo和Mn金屬粉末燒結(jié)而成，因此表面呈現(xiàn)出多孔的結(jié)構(gòu)，這種多孔結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致金屬化層表面粗糙度較大，實(shí)際上金屬化層的表面粗糙度Ra一般在2m以上。由圖3b可知，掛鍍鍍層的結(jié)晶較為均勻，顆粒尺寸為35m左右。相對(duì)于掛鍍所得鍍層，振動(dòng)鍍的鍍層結(jié)晶不夠明顯，表面平整度較高，結(jié)晶顆粒有明顯的“整平”痕跡，如圖2c所示。這表明利用振動(dòng)鍍可以獲得更為平整的鍍層，這與振動(dòng)鍍時(shí)樣品和填料之間的摩擦有關(guān)。3.2電壓的影響振動(dòng)鍍的整流機(jī)有恒壓與恒流兩種模式，首先考察了恒流模式下，當(dāng)頻率為17.4Hz，施鍍時(shí)間為120min時(shí)，不同電壓對(duì)鍍層

15、的影響。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓為10V時(shí)，陽(yáng)極鎳板有發(fā)黑現(xiàn)象，因此只在6V、7V、8V電壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表2為不同電壓下鍍層的沉積速率。表2 電壓對(duì)沉積速率和粗糙度的影響Table2 the effect of voltage on the electrodeposition rate and surface roughness電壓(V)厚度（m）沉積速率(m/10min)Ra/m樣品1樣品2樣品3樣品4樣品5平均值63.984.024.194.034.104.060.341.7774.144.504.603.954.364.310.361.3485.114.655.264.734.994.950

16、.411.37由表2可知，隨著施鍍電壓的增大，鍍層的沉積速率增加，表明提高電壓可以提高工作效率，但電壓不可過高，否則會(huì)出現(xiàn)陽(yáng)極板發(fā)黑的現(xiàn)象。另外從表2還可以看出，當(dāng)電壓從6V增加到7V時(shí)，表面粗糙度Ra從1.77m下降到了1.34m，這一方面可能是隨著電壓升高，電化學(xué)極化增加，容易得到結(jié)晶更為細(xì)小的鍍層；另一方面也可能是隨著電壓的增加，鍍層厚度增加，對(duì)金屬化層表面多孔結(jié)構(gòu)的覆蓋性更好，使得粗糙度降低。但當(dāng)電壓從7V繼續(xù)增加到8V時(shí)，表面粗糙度卻不再下降，這可能是當(dāng)鍍層厚度達(dá)到一定程度時(shí)，體現(xiàn)的是其本征粗糙度，所以粗糙度不再下降。總的來說，電壓對(duì)鍍層表面粗糙度的影響沒有頻率那么明顯。3.3電流的

17、影響在恒壓模式下，電壓為6V8V時(shí)，電流在69A波動(dòng)，由于填料的影響無法確定作用于鍍件的確切電流密度，因此在恒流模式下，只考察了總電流分別為6A、7A、8A，施鍍時(shí)間為120min時(shí)的沉積速率和鍍層表面粗糙度，結(jié)果如表3所示。表3 電流對(duì)沉積速率和粗糙度的影響Table3 the effect of current on the electrodeposition rate and surface roughness電流(A)厚度（m）沉積速率(m/10min)Ra/m樣品1樣品2樣品3樣品4樣品5平均值63.694.303.813.813.903.920.331.9075.534.614.5

18、44.644.344.730.392.0786.015.614.845.325.115.370.451.96由表3可知，隨著電流的增加，沉積速率也增加，但電流對(duì)鍍層表面粗糙度影響不大，這可能是因?yàn)楫?dāng)固定頻率后，樣品的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)一致，填料對(duì)鍍層表面的摩擦效應(yīng)類似，因此粗糙度變化不大。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)，采用恒流模式得到的鍍層表面粗糙度明顯大于采用恒壓模式所得粗糙度，具體原因目前也不是很清楚，需要在接下來的研究中做更深入的工作。由于大部分企業(yè)對(duì)二次金屬化層的厚度要求皆在3m以上，從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，實(shí)驗(yàn)所得樣品的厚度都滿足要求，但從控制鍍層的粗糙度來說，當(dāng)頻率為17.4Hz時(shí)，可以獲得較為光滑的

19、鍍層。另外，電壓或者電流的變化對(duì)鍍層的表面粗糙度影響較小，但恒壓模式下得到的鍍層粗糙度相對(duì)較低，因此在實(shí)際應(yīng)用中傾向于采用恒壓模式。3.4燒鎳的影響國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的陶瓷金屬化工藝在鍍鎳以后需要進(jìn)行燒鎳處理，即將鍍層在高溫（高于800）氫氣氛圍下進(jìn)行燒結(jié)，主要目的是檢驗(yàn)鍍層與一次金屬化層的結(jié)合力，結(jié)合力差的鍍層在這一環(huán)節(jié)中經(jīng)常出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，如圖3所示。目前國(guó)內(nèi)各大陶瓷金屬化廠家的陶瓷金屬化過程中出現(xiàn)的主要不合格現(xiàn)象就是由于屬化層起泡造成的11，考察燒鎳過程對(duì)鍍層的影響是必不可少的。圖4為燒鎳后鍍層的表面形貌。圖3 鍍鎳層起泡現(xiàn)象的激光共聚焦掃描顯微鏡圖Figur3 the CLSM images of

20、 nickel layer with bubbles圖4 燒鎳后樣品表面SEM圖Figure 4 The SEM photos of the coatings surface after heating nickel experiment如圖4所示，燒鎳以后，鎳層結(jié)晶顆粒不再明顯，但是晶界卻更為明顯，這是由于鎳層在高溫下進(jìn)行了重結(jié)晶，燒鎳以后鍍層表面顯得更為平滑，并且所有樣品表面在燒鎳以后都不存在起泡現(xiàn)象。這表明采用振動(dòng)鍍方式獲得的鍍層結(jié)合力足夠大，可以滿足陶瓷金屬化層的要求。3.5焊料在鍍層上的流散性能陶瓷與金屬封接時(shí)除了需要對(duì)陶瓷進(jìn)行金屬化以外還需要利用焊料進(jìn)行連接，因此焊料在鍍層表面的流

21、散性能也是影響陶瓷與金屬封接可靠性的重要因素。陶瓷與金屬封接時(shí)常用的焊料包括Ag、Ag-Cu以及Cu，本試驗(yàn)采用Ag焊料。將0.02g重的Ag放置在鍍層表面，在氫氣爐中加熱至1000左右，保溫10min，等樣品冷卻后觀察Ag焊料在鍍層表面的流散情況。試驗(yàn)結(jié)果表明Ag焊料已經(jīng)鋪滿了整個(gè)鍍層表面，由于整個(gè)鍍層面積約為8cm2，而焊料的質(zhì)量只有0.02g，這說明利用振動(dòng)鍍獲得的金屬化鍍層具有良好的焊料浸潤(rùn)性。圖5為焊料在鍍層表面的微觀形貌。圖5 Ag焊料覆蓋后鍍層表面的微觀形貌圖Figure 6 Micro-morphology of Ni coatings cover with Ag solder由圖5可知，Ag焊料將鍍層表面完全覆蓋了，沒有鍍層明顯裸露在外的區(qū)域，這表明焊料在鍍層表面的流散性非常好。這種沒有微觀缺陷的焊料層對(duì)提高陶瓷-金屬封接的質(zhì)量具有重要意義。從圖5還可以看到焊料層表面有一些明顯的裂縫，這可能是因?yàn)樵诶鋮s過程中焊料和鍍層的熱膨脹系數(shù)不同，使得表面的銀焊料被拉伸而形成了裂縫，在焊接過程中這是非