推广 热搜:   ipc  电镀厂  彩涂  电镀  化学镀  防腐  研讨会  镀镍  封闭 

论文·电镀金丨镀金接触件烘干后孔内发黑问题的分析

   2020-10-20 740
核心提示:镀金接触件烘干后孔内发黑问题的分析付定国,薛凤麟,罗华江,温海东(贵州航天电器股份有限公司;中国空间技术研究院物资部)作
 镀金接触件烘干后孔内发黑问题的分析

付定国,薛凤麟,罗华江,温海东(贵州航天电器股份有限公司;中国空间技术研究院物资部)

作者简介:付定国,硕士,工程师,主要从事电子电镀工作。

 

文章节选

1 接触孔内发黑原因分析

采用德国Zeiss Axio Vert.A1金相显微镜观察接触件的截面发现,孔内发黑区域铜层致密,但金层不完整,而外表面的铜层和金层都覆盖完整(见图2)。

 

采用德国Zeiss EVO MA10扫描电镜观察接触件孔内发黑部位,并采用英国Oxford X-MAX10能谱仪进行化学成分分析,结果见图3。可见发黑部位Cu的质量分数为88.02%,含少量C和O,未检测到Au,也没有检测到基材自带的Sn。

 

综合上述分析结果,推测接触件孔内发黑的可能原因是预镀金液的深镀能力不足,导致孔深部位没能镀上金层,在后续焙烘和存放过程中,孔内裸露的铜层在高温下氧化而生成黑色物质。

 

2 预镀金溶液的深镀能力分析

预镀金的工艺规范为:氰化金钾1.5 ~4.5 g/L,pH 3.5 ~ 4.0,密度1.06 ~ 1.09 g/cm3。取预镀金溶液进行分析可知,其中氰化金钾的质量浓度为2.8 g/L,pH为3.8,都在工艺范围内,但密度仅1.052 g/cm3,低于工艺下限。在预镀金溶液中,主盐的质量浓度远低于导电盐,缓冲剂的质量浓度则波动较小,因此预镀金溶液的密度与导电盐的质量浓度近似成线性关系,预镀金液密度偏低说明导电盐的质量浓度偏低,从而导致镀液电导率降低,深镀能力不足。

 

2. 1 预镀金溶液电导率测试

固定氰化金钾的质量浓度为2.8 g/L,开缸体积分数为900 mL/L,通过改变导电盐的用量得到不同密度的预镀金溶液各200 mL,再用柠檬酸将pH微调至3.8,最后采用上海三信MP515-05电导率仪测量电导率,每组样品测试5次,取平均值,结果见图4。可见预镀金溶液的密度为1.045 ~ 1.065 g/cm3时,电导率随密度增大而显著上升,当密度高于1.065 g/cm3时,电导率随密度上升的变化趋势减缓。密度为1.100 g/cm3时,镀液中的导电盐已饱和。

 

2. 2 预镀金过程仿真分析

2. 2. 1 模型理论

该模型主要模拟镀液密度分别为1.05g/cm3和1.07 g/cm3时的预镀金过程,考虑到预镀金过程存在二次电流分布,预镀电流密度又很低(仅0.2 A/dm2),因此在仿真过程中忽略析氢过程和其他副反应的影响。采用式(1)表示预镀金溶液中电解质的电流密度矢量( jl)与电位(φl)的关系。

式中,s1为电解质的电导率,为梯度算符。

零件表面主要发生金的沉积反应,而金在酸性镀液中主要以配合物的形式存在,因此阴极表面主要发生式(2)和式(3)的反应。

采用Butler–Volmer公式模拟这一电化学反应过程,则局部电流密度( jAu)可按式(4)计算。

式中,为金的交换电流密度,aa和ac为传递系数,hAu为金的电荷传递过电位,F为法拉第常数,R为气体常数,T为绝对温度。

金层的沉积速率()可以用式(5)计算。

式中,MAu为金的摩尔质量,rAu为金的密度,n为参与电化学反应的电子数。

 

2. 2. 2 建立模型

采用Comsol Multiphysics多物理场仿真软件,对接触件的预镀金过程进行仿真分析,通过建立三维几何模型选择电化学中的二次电流分布物理场模型,使用瞬态研究求解过程,模拟预镀金时间为5 min。接触件的结构如图5所示,长7 mm,孔径0.56 mm,几何建模时,将接触件近似为对称管状,并选取接触件的对称中心为坐标原点。

由于该接触件为滚动镀金,所用滚筒是直径140 mm、长160 mm的圆柱形结构,滚筒转速9 rad/min,装载量(指待镀接触件体积与滚筒容积的比值)1/3,可按式(6)计算滚筒中接触件的有效受镀面积(A)。

式中,a为复杂系数(取1.8),r为滚筒半径,l为滚筒长度,h为滚筒开孔率(为37.7%)。

 

根据滚筒的结构尺寸和转速对接触件滚镀过程中的电流密度和有效沉积时间进行修正。模拟仿真在对应工艺参数条件下镀金过程接触件孔内的电流密度分布,以及金层的厚度分布。

 

2. 2. 3 仿真结果

通过模拟仿真可知,预镀金5 min后接触件孔内的金层厚度分布见图6(图中横坐标为0对应接触件的对称中心,正、负值表示与接触件对称中心的距离d)。当预镀金溶液的密度为1.05 g/cm3时,接触件仅在距离孔口1.3 mm处有金层沉积,其余部位无金层。

 

进入孔内的电力线比较少,导致孔内中间部位的电位低于金的沉积电位而无法镀上金层。当预镀金溶液的密度为1.07 g/cm3时,镀液的电导率较高,进入孔内的电力线增加,孔内电流密度分布也比较均匀,孔内壁的电位高于金的沉积电位,令金离子被还原而沉积。预镀金5 min后接触件孔内壁均沉积得到金层。

 

2. 3 正交试验验证

为了进一步考察镀液主盐质量浓度、镀液密度、电流密度和装载量(滚筒容积2.4 L)对预镀金深镀能力的影响,以它们为因素,按L9(34)正交表对预镀金的工艺参数进行正交优化。完成预镀金后,按正常工序进行,即“镀金→金回收→纯水洗→热纯水洗→干燥”。然后每组接触件随机抽样1 000件,查看是否有孔内发黑现象,统计每组试验的孔内发黑件占比(指孔内发黑的接触件数量占总抽样数量的百分比),结果见表1。

 

从表1可知,主盐质量浓度和镀液密度是预镀金的主要影响因素,当它们其中之一或都接近工艺下限时,均存在孔内发黑现象(见图7)。对接触件孔内发黑的区域进行能谱分析可知,发黑区域各元素的质量分数为:Cu84.92%,C 8.71%,O 6.37%,同样没有检测到Au和Sn(见图8),与电镀生产中反馈的接触件孔内发黑现象一致。

 

3 解决措施

综上可知,接触件孔内发黑的主要原因是预镀金溶液的主盐浓度和密度偏低,令预镀金溶液的深镀能力不足,导致该接触件孔深超出1.5 mm的范围内都无法沉积上金层,在后续烘干和存放过程中,裸露的铜层在高温下氧化而发黑。将预镀金槽液主盐的质量浓度调整至规定的工艺中线,即在主盐质量浓度为3.0 g/L,镀液密度为1.06 g/cm3的条件下选择相同型号的接触件进行电镀,结果孔内全部镀上光亮的金层。

 

为了进一步验证工艺规定的主盐质量浓度和密度下限是否能保证接触件孔内镀上完整的金层,选取相同型号的接触件,将主盐浓度调整至2.0 g/L,镀液密度调整至1.07 g/cm3,并考虑装载量、电流密度、pH和温度的影响,分3组进行镀金生产验证,结果见表2。

 

可见当预镀金主盐质量浓度、密度等参数都在规定的范围内时,镀液的深镀能力都较好。适当提高主盐和导电盐用量可以有效提高预镀金的深镀能力。但主盐浓度较高可能导致接触件表面发生置换金,影响金层的结合力。同样,导电盐浓度过高时,镀液深镀能力的提高也不显著。因此,应将预镀金主盐和导电盐浓度控制在合适的范围内。

 

 
反对 0举报 0 收藏 0 打赏 0评论 0
 
更多>同类镀涂快报
推荐图文
推荐镀涂快报
点击排行
网站首页  |  会员升级  |  关于我们  |  联系方式  |  使用协议  |  版权隐私  |  网站地图  |  排名推广  |  积分换礼  |  网站留言  |  RSS订阅  |  违规举报  |  粤ICP备05085172号-4