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影响接插件电镀金层分布的主要因素有哪些?

阴极上金属镀层分布的均匀性是决定镀层质量的重要因素。在电镀生产中,人们总是希望在镀件表面获得均匀的镀层。

接插件,由于功能件是插孔的内表面,如果被镀件的内外表面镀层能够均匀分布,就可以最大程度地降低生产成本。但实际上,无论用什么样的电镀液,总有镀层厚度不均匀的现象。

根据法拉第定律,在电镀过程中,当电流通过电镀液(电解质溶液)时,阴极上析出的物质的量与通过的电量成正比。从这个角度来看,零件表面涂层的分布取决于阴极表面电流的分布,所以所有影响阴极表面电流分布的因素都会影响阴极表面涂层的分布

此外,在电镀过程中,阴极上的反应往往不是简单的金属沉淀,而是经常伴随着金属沉淀发生析氢或其他副反应,这说明镀层分布也受到溶液性能的影响,还涉及到电流效率。笔者在日常接触镀金生产中发现,镀层在阴极上的均匀分布能力除了与溶液的性质有关外,还与被镀件的形状、电镀方法的选择、电镀电源的选择、电流密度范围的选择、被镀件的负载能力等密切相关。


影响阴极表面涂层分布的因素

1、电流密度

任何镀液都有获得良好镀层的电流密度范围,镀金液也不例外。电镀过程中电流密度超过工艺范围上限时,往往会形成粗大的晶粒,在此基础上得到的镀层粗糙;然而,在低电流密度下操作时获得的涂层更细。对于滚镀金或振动镀金,由于镀金液中金的质量浓度较低(一般为2 ~ 6 g/L),当电流密度在0.1 ~ 0.4a/dm2之间时,可以获得良好的镀层。然而,当使用较高的电流密度时,阴极附近的[Au(CN)2]–会不足,导致阴极上的析氢反应加剧,电流效率降低。所以电流密度为0.2 A/dm2的电镀和电流密度为0.1 A/dm2的电镀在生产时间上不是简单的倍数关系。

在滚镀和振动镀低速镀金过程中,如果电流密度较高,尖端效应的可能性会增加。特别是在振动电镀中,由于整个镀金过程中被镀件的尖端始终朝向阳极(阳极环在振动筛外),尖端效应更加明显,镀件边缘或插脚或插座尖端的镀层较厚而低端的镀层相对较薄,导致零件表面镀层厚度分布不均匀。因此,在应用低速镀金工艺时,针对细长的针孔触点,一般采用工艺中电流密度范围的下限进行操作,通过小电流、长时间的电镀获得较为均匀的镀层厚度。


2、电镀电源

在目前的接插件电镀行业中,常用的电镀电源有三种:DC电源、脉冲电源和双向脉冲电源。目前,DC电源应用最为广泛。为了使孔内镀金层的厚度满足图纸要求,如果使用传统的DC电源,孔外镀金层的厚度会比孔内镀金层的厚度厚,特别是对于接触体中的许多小孔部分,孔内外镀金层厚度的差异更加明显。但使用周期换向脉冲电源时,在电镀金的过程中,施加正向电流时,金作为阴极沉积在被镀件表面,被镀件的凸起部分是高电流密度区,使镀层快速沉积;当施加反向电流时,被镀零件表面的涂层溶解,原来的高电流密度区域溶解更快,从而可以在零件凸起处去除更多的涂层,涂层厚度均匀。

生产实践证明,周期性换向脉冲电源不仅可以改善触点体孔内外表面镀金层的分布,而且可以提高电镀时整个镀液中镀层的均匀性。表1显示了在使用两种不同的电镀电源振动镀金之后,根据1.3μm厚度(图中指定的1.27μm)的要求,使用孔径为1 mm且孔深度大于3 mm的接触件(称为布线导管),以0.1 A/dm2的阴极电流密度检测的电镀厚度数据。


3、电镀零件的负载能力

电镀负荷是否合适对于镀金层在被镀零件上的均匀分布也非常重要。无论采用振动电镀还是滚镀,如果被镀件数小于装载量的下限,在电镀过程中被镀件容易受到导电性差的影响,镀层的均匀性也会受到明显的影响。必须增加一些伴随的镀件,保证镀件不会中途被切掉,同时镀件也要统一翻转。当被镀零件的负载较大时,被镀零件在滚筒或振动筛中的位置没有完全交换,一些被镀零件总是处于高电流密度状态,而另一些被镀零件总是处于低电流密度状态,导致被镀零件之间的涂层分布不均匀。所以一般电镀厂都规定了工艺中每个镀件的加载范围。一般来说,电镀零件的负载根据以下原则选择:

(1)被镀零件在滚筒或振动筛内完全可以连续导电,不会因负荷过小而导致导电不良。

2)在滚筒或振动筛中,电镀零件的位置在良好状态下相互交换。

3)被镀零件的负荷一般为滚筒或振动筛容积的1/3,不超过1/2。


4、电镀方法和电镀设备的选择

根据被镀零件的形状不同,在选择电镀方法时应该会有所区别。例如,对于直径大于1 mm的非盲孔的异形镀件和细长接触体,一般宜采用滚镀的方法。对于孔径小于1 mm的小型插脚和插座,尤其是带有盲孔的触点,一般适合采用振动电镀[2]。总之,对于不同形状的零件采用合理的电镀方法,对于镀金层分布的均匀性至关重要。此外,为了减少镀液的浓差极化,应注意镀液的搅拌。镀金液一般采用循环过滤。在传统滚镀工艺中,为了防止针尖插入桶壁,桶壁上的滤液孔往往设计得很小,桶内外的溶液不能快速交换(见图1)。电镀过程中,由于阴极附近的[Au(CN)2]–不能快速补充,镀液容易发生浓差极化,影响分散能力,最终影响镀层的均匀性。

近年来,针对传统滚镀生产线的缺点,开发了一种新型滚镀生产线。除了将导电编织物改为阴极接触方式的导电钉外,新滚筒与旧滚筒最大的区别在于新滚筒设计有喇叭形的进液口,使用时可与镀液循环过滤泵的出液口相连,以加速滚筒内外溶液的循环,减少电镀过程中镀液的浓差极化。

对于用旧鼓电镀的样品,镀件的前端和后端之间的涂层厚度差超过0.2微米;而新滚筒电镀的样品前后端厚度差只有0.07 μ m左右,我公司某型号高频连接器的外壳A和外壳B在用传统滚镀生产线用旧滚筒电镀时,要求内孔4 ~ 6 mm处有0.38μm厚的深孔镀金件, 如果镀件孔内金属的厚度满足上述要求,外表面金层的厚度将分别达到0.5 ~ 0.9μm和1.5 ~ 2.0μm左右,造成金材料的极大浪费。 当孔内金层厚度达到0.38μm时,在新的滚镀生产线上用新的辊子进行电镀后,被镀零件的外表面厚度可降至0.6 ~ 0.7μm。这说明改进后的新型辊镀制的镀件镀层厚度分布比较均匀,也说明镀制设备的改进可以改善镀件表面金镀层的分布,使镀层更加均匀。


5、矩阵形状

涂层的均匀性随着基底的形状而变化。接触越薄或孔越深,涂层的均匀性越差。另外,在触头本体的一些插座部分中,插座开口处的间隙宽度大于孔壁的厚度。由于电镀过程中被镀件不断翻转,不可避免地会有一些被镀件相互插入(见图3),对电镀质量影响很大。因为插件电镀后容易造成孔内“黑洞”,镀层厚度分布不均匀,相互插接处镀层薄甚至无镀层。为了满足用户的要求,操作人员在生产过程中不得不拔掉插入的零件,然后反复加镀,造成人力物力的浪费,还可能因为厚度不够的问题导致用户退货,造成更大的损失。

插入样品的镀层厚度明显受到影响。为了减少上述情况,可以重新调整这类电镀件的生产工艺。这种插孔在电镀前应封闭,以防止电镀时在开口处出现插对现象。以一个插孔为例,镀金后孔的厚度要达到0.1 μ m。

之前的生产工艺流程是:电镀工序脱脂-酸洗-钝化-电镀-成品工序封闭后组装。电镀过程中,被镀件相互插入,导致部分被镀件孔内金层厚度达到0.2μm以上,部分被镀件孔内无金层。生产工序改为:电镀工序脱脂-酸洗-钝化-成品工序封闭-电镀工序-成品工序组装后,解决了镀件对接问题。表4是工艺改进前后镀金后插座的镀层分布对比。

按原生产工艺进行镀金时,由于电镀时考虑到被镀零件对插入的影响,为了保证镀金后孔的厚度达到要求的0.1μm,大部分被镀零件的金层超厚,造成生产成本的浪费;改进生产工艺后,涂层平均厚度明显降低。可以看出,当被镀零件的基体形状影响镀层的分布时,如果不能及时改变被镀零件的设计尺寸,则可以改善零件表面的镀层分布,并且可以节约生产成本。

3结论

(1)镀件表面镀层分布的均匀性与镀液的性能和镀件表面的电流密度分布有一定的关系。此外,镀层的均匀性还受到电镀方法、电镀设备性能、被镀零件的负载能力和被镀零件的生产工艺的影响。

(2)选择分散能力好的镀液,采用性能优良的电镀设备,选择适合被镀件形状的电镀方法和电镀生产工艺,可以用较低的电流密度获得较均匀的镀层。

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