贴片式铂薄膜电阻器电镀工艺研究

王 震 张维维 史 鑫

（中国电子科技集团第49研究所，黑龙江 哈尔滨150000）

1 设计原理

电镀是指借助外界直流电的作用，在溶液中进行电解反应，使导电体，如金属的表面沉积单金属或合金层。在电镀时，阴极上不仅有金属离子与电子结合生成金属原子的过程，而且还有一个由金属原子结晶生成金属晶体的过程。因此电镀实质上是金属的电结晶过程。金属的结晶过程大致分为以下步骤：金属离子向阴极扩散和迁移并吸附在阴极的活性部分；金属离子还原成金属原子并排列组成一定晶格的金属晶体[1]。

2 常规电镀工艺存在的问题和分析

采用常规电镀工艺进行电镀，电镀后芯片分离时，镀层和基片脱落。这表明镀层和基片结合强度差，分析原因有以下3种：

2.1 镀前处理不良，基片表面油脂或氧化层未完全去除干净。使镀层和基体结合不牢固，产生起皮或剥落等现象。

2.2 溶液中硼酸含量不足，在使用较大的电流时，阴极上析氢造成局部PH升高，从而形成碱式碳酸镍和镍共沉淀，造成镀层起皮。

2.3 芯片分离时，金刚刀将镀层和基片划开至分离时产生了较大的内应力，以致镀层脱落。

3 贴片式铂薄膜电阻器电镀工艺设计

3.1 芯片预分离

将电阻器芯片进行预分离，即在500微米厚的电阻器芯片上按照划片槽先切割300微米深划痕，使电极处的合金材料由于划痕而不连续。目的使电镀后镀层在划片槽处也不连续，从而在芯片分离时不产生内应力。

3.2 镀前处理

镀前处理分为除油和酸洗。⑴除油：a）有机溶剂除油：将贴片电阻放在四氯化碳中超声清洗；b）化学除油：将超声清洗过的电阻放在氢氧化钠（g/L）：碳酸钠（g/L）：磷酸三钠（g/L）=30：50：70的溶液中浸泡10min。温度：70℃～100℃。⑵酸洗：贴片电阻表面由于裸露在空气中，其表面很容易形成一层氧化膜，造成镀不上、镀层疏松、多孔、抗蚀性能差等问题。酸洗目的是去除贴片电阻表面的氧化层，工艺过程：将贴片电阻放在硫酸10 ml/L～20ml/L中漂洗2min，温度50℃。

3.3 电镀镍镀液的组成

该硫酸盐镀液具有镀层结晶细致、耐腐蚀、镀液操作简便、容易维护、沉积速度快、腐蚀性小、镀层的脆性好等优点。硫酸盐镀镍体系电镀机理[2]

阴极反应：Ni2++2e=Ni

阴极析氢副反应：2H++2e=H2↑

阳极反应：Ni-2e=Ni2+

溶液组成及工艺条件如表1所示：

3.4 电镀锡镀液的组成

镀锡液为一种强酸性镀液，基本上由3种成分组成：亚锡盐、强酸性溶液和添加剂。溶液组成及操作条件如表2所示：

3.5 镀后处理

镀锡层表面在空气中容易形成了一层SnO和SnO2膜,由于SnO是不稳定的氧化物,不具耐腐蚀性，需要进行钝化处理。钝化的目的一方面使氧化膜中的SnO转化为性质稳定的SnO2，另一方面也使锡层表面形成一层含铬水合氧化物的钝化膜，钝化膜不仅能有效地控制SnO的生成，而且还能提高镀锡层的抗硫性能和防止加热变色。镀锡层钝化处理有两种方法，一种是重铬酸钠浸渍处理法，另一种方法是重铬酸钠阴极处理法[3]。本实验方案采用重铬酸钾浸泡处理法。

钝化工艺：将电镀的贴片电阻放在重铬酸钾20g/L的溶液中，30℃～40℃浸泡30s。将经过钝化处理的贴片铂电阻进行国军标150盐雾实验。经盐雾实验后贴片电阻的焊接性能和导电性能良好。

3.6 芯片分离

采用砂轮划片机按划片槽将电镀后的芯片分离成独立单元。分离后镀层和基片结合强度良好无脱落现象。

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4 实验结果与分析

4.1 电流强度和电镀时间对镀层厚度的影响

在1cm2的镀层面积上测得镀层厚度与电流强度和电镀时间的关系如表3、表4所示：

在其它条件不变的情况下，随着电流强度增大和电镀时间加长，镀层厚度逐渐增厚。

4.2 电流密度对镀层表面状态的影响

阴极电流密度较低时,金属镍离子在基体表面的晶核生成速度较慢,阴极的极化作用小,镍层沉积速度缓慢甚至沉积不上镀层,镀层不连续,导电能力和焊接能力差，不能起到过度层的作用。如图1所示：镀镍阴极电流密度0.01A/cm2，电镀时间30nim。

阴极电流密度太大将会导致析氢现象严重。同时，在阴极的尖端处会出现树枝状的金属层，在边缘处会还会出现烧焦现象。镀层表面不平整、粗糙、晶粒大、镀层不连续，严重影响镀层表面状态。如图2 所示：

不同的电流密度将会在金属表面形成不同的晶粒大小和分布。电流密度过大或过小都会造成镀层表面状态差，镀层不连续，焊接能力和导电能力差。因此，电流密度是影响镀层表面状态的主要原因之一。

4.3 镀层厚度对可焊性能和焊接强度的影响

实验1：可焊性能检测

将镍层厚度5μm～30μm，锡层厚度5μm～30μm的贴片式铂薄膜电阻器进行唐锡实验。如果焊锡在铂薄膜电阻器电极上的面积能够达到要求焊接总面积的95%，则证明其可焊性能良好。实验结果表明厚度在15μm～20μm的铂薄膜电阻器能够满足可焊性能要求。

实验2：结合强度性能检测

将镍层厚度5μm～30μm，锡层厚度5μm～30μm的贴片式铂薄膜电阻器进行相互焊接实验。如果其中任意一个铂薄膜电阻器的下方能够悬挂10g砝码，则证明其结合强度良好。实验结果表明厚度在15μm～20μm的铂薄膜电阻器能够满足结合强度性能要求。

通过以上实验可以证明：镍、锡镀层厚度对铂薄膜电阻器的可焊性和结合强度起着关键作用。镀层厚度越薄，焊接能力和导电能力相对较差；镀层厚度增大，焊接能力导电能力增强。因此，镍、锡镀层厚度必须严格控制在15μm～20μm，才能满足贴片式

铂薄膜电阻器焊接性能和导电能力的要求。

4.4 镀层厚度对铂薄膜电阻器阻值的影响

由于贴片式铂薄膜电阻器对于阻值的精度要求极高，因此电镀后镀层带来的阻值对铂薄膜电阻器至关重要。

电极之间的镀层金属膜电阻可由方程：

金属薄膜的电阻率通常比相同材料的大块体金属的要高。这源于薄膜通常比大块体材料包含更多的缺陷和晶粒边界。因此电镀层厚度要足够大且达到微米级才能使电阻率下降到体金属电阻率，从而减小阻值。镀前测试10cm合金材料的阻值0.2Ω；电镀15μm～20μm的镍层后阻值0.05Ω；电镀15μm～20μm的锡层后阻值0.02Ω。当长度L一定时，镀层越厚镀层阻值越小。且合金材料、镀镍层、镀锡层三层电阻并联。只有在满足焊接性能和导电性能的前提下，增加镀层厚度，镀层对铂薄膜电阻器的阻值影响才可以忽略不计。

5 结论

贴片式铂薄膜电阻器电镀质量对其焊接能力和导电能力是至关重要的，通过考核可焊性能、结合强度、阻值等指标证明镀层厚度、镀层表面状态、电流密度是电镀过程中最重要的因素。镀层厚度不足，镀层表面状态差，电流密度较小或太大都会导致较差的焊接能力、导电能力和阻值。使用适当的电镀电流密度并且电镀适当的时间将会形成小颗粒、连续型晶体的镀层，镀层表面均匀、完整。镀层厚度达到15μm～20μm时对阻值无较大的影响，且能够满足贴片式铂薄膜电阻器的实际工作环境需要。

[1]王延相编.新编实用电镀手册.北京:人民邮电出版社,2007.11

[2]任鑫主编.电镀入门600问.北京:中国纺织出版社,2008.9

[3]周其良镀锡板指南[M].北京:冶金工业出版,1989.92.