微型陶瓷封装体电阻器电镀工艺

2014-11-25任雅勋张春雷

电镀与涂饰 2014年24期

任雅勋，张春雷 *

（1.武汉晶泰电子有限公司，湖北鄂州 436000；2.天津华创嘉信科技有限公司，天津 300000）

微型陶瓷封装体电阻器在电子电器行业应用极为广泛，它是将微型电路印刷在经烧结的瓷料上，通过印刷涂覆电极浆料──银浆，与电路管脚相连，并通过烧结固化完成，再在瓷料表面的电路表面涂覆印刷绝缘层将其封装，干燥后在底端面印字(相应型号、制造商、生产日期等标示信息)，再干燥，便完成了整个制造过程。其最后工序是电镀，通过获得电镀层来防止和避免银电极在焊接时被熔失而导致电阻器失效，提高银的抗变色氧化性能，以免影响电阻器的导电性、可焊性和耐焊接热性能。电镀中间层还可避免银向锡层迁移而导致脱焊。因此，电镀对微型陶瓷封装体电阻器的质量起着决定性的作用。

但是，一方面电阻器的组成材料复杂，制造工艺特殊，如银层(相当于外露的电路管脚引线)是印刷涂覆后烧结固化在陶瓷上的，印刷烧结在陶瓷上的微型电路表面涂覆有覆盖层，电阻器底端面有油墨印字；另一方面，电阻器组成材料理化性质各异，既有易氧化的银合金层，又有化学性质较强，易被酸、碱腐蚀或发生化学反应的陶瓷材料，还有不耐碱蚀的绝缘覆盖层和印字，同时陶瓷基体上管脚棱的银层以及侧断面的绝缘膜层和底端的印字均是采用印刷后烧结或干燥所得，其与基体的附着力有限。这两方面因素又给电镀工艺的选择带来极大的困难：

(1)由于银层和陶瓷这两种性质截然不同的材料组合在一起，在整个制程中通过多次烧结、干燥，两者的结合面必然存在应力问题(具体表现为何种应力尚不清楚)。为保证银层与陶瓷的结合力在电镀过程中不受影响，必须选择与之匹配的低应力镀层和操作温度落差小的工艺。

(2)由于微型陶瓷封装体电阻器形体小，只能采用滚镀或振镀的方式，并要防止银管脚在滚镀过程中不被摩擦、撞击而松动、脱落，保证其有限的附着力不受太大影响和印字不受损伤。

(3)电阻器基体材料的复杂性(银料、陶瓷、油墨、绝缘覆盖膜)要求选择一种合适的电镀溶液，以保证基体材料不被腐蚀。

(4)选择一种合适的拌料以保证只占电阻器表面积极少(见图1)的银管脚能充分得到电流而上镀，同时绝缘膜和油墨印字不会受损，银管脚被摩擦、撞击的阻力最小。

图1 陶瓷封装体电阻器Figure 1 Ceramic packaging resistor

(5)不同型号电阻器的电性特点差异极大，阻值大小和有无公共基、公共基分布状态及数量对电镀的影响很大，特别是大阻值(≥1 000 Ω)且有公共基的电阻器，镀层沉积困难，要选择与之匹配的工艺参数，确保电镀质量。

1 实验

1.1 试验材料

陶瓷电阻器管脚的主要成分为银和玻璃纤维，基体部分则主要由Al2O3、SiO2等组成。

1.2 工艺流程

除油─水洗─酸蚀─水洗─预镀镍─水洗─活化─镀锡─后处理。

1.3 性能测试

1.3.1 厚度

采用韩国Micro Pioneer 产XRF-2000 型X 射线荧光测厚仪和飞纳G2 Pure 台式扫描电镜(SEM)测定镀层厚度。

1.3.2 附着力

参照GB/T 5210–1985《涂层附着力的测定法拉开法》，采用树脂胶黏剂粘接后测试，设备为东莞众志检测仪器有限公司的CZ-8007 微控型拉力试验机。

1.3.3 焊接性能

参照美国军标MIL-STD-202G，用无铅焊锡做可焊性试验，(260 ± 5)°C 焊接5～6 s。放大10 倍观察，每个管脚上至少覆盖有95%的锡，说明焊接性能合格。

1.3.4 耐焊接热性能

参照美国军标MIL-STD-202G，用无铅焊锡做可焊性试验，(260 ± 5)°C 焊接(20 ± 1)s。放大10 倍观察，每个管脚棱上镀层消失后露出的陶瓷最长为管脚棱长的一半，说明耐焊接热性能合格。

2 结果与讨论

2.1 前处理对基体材料和镀层性能的影响

2.1.1 除油

实验发现，采用普通强碱性除油溶液(温度50～60°C)处理时，绝缘膜会逐渐软化，强度和附着力降低，油墨印字被浸蚀而逐渐变模糊甚至脱落。若长时间处理，银管脚和陶瓷的结合力会降低。而选用弱碱性常温除油工艺后，以上不良影响均可消除，故选择弱碱性的常温除油工艺很重要，时间控制在5～8 min。由于银管脚和陶瓷基体是机械式地印刷后烧结在一起的，故不宜用超声波除油，以免影响两者的附着力。本实验采用E-Kleen163 碱性除油剂(EPI 美国电化学产品公司出品)，体积分数为0.5%～1.0%，室温操作。

除油工序对电镀层的影响是大家所熟知的，在此不再赘述。

2.1.2 酸蚀

由于陶瓷基体不耐强酸浸蚀，而银管脚在电阻器制造过程中历经多次的烧结或干燥烘烤，表面形成了厚而致密的氧化膜层，因此需要采用对银氧化膜具有较强浸蚀能力的酸。经试验，选取以10%(体积分数)硫酸为主要组分，辅以适量氟化钠的混合型腐蚀液，在室温下浸蚀30～50 s 的浸蚀工艺。

2.2 镀镍对电阻器性能的影响

电阻器的银管脚虽然导电性、可焊性及与陶瓷基体的附着力较好，但焊接时银会受到高温焊料的热浸蚀而熔失，这对电阻器而言是致命的。另外，银管脚上若直接镀锡，银会向锡层迁移而将其腐蚀，导致焊接失效(脱焊)，使电阻器功能失效，因此也是致命的。通常电镀层的设计上，镍镀层是理想的中间层，因为镍的熔点高、稳定性好，不仅可避免银向锡镀层迁移，阻挡焊接时焊接热使银管脚遭受熔失，而且可防止热老化过程中锡焊料向银层扩散，保护银管脚，增强银管脚的热附着力，提高银管脚耐焊接热和产品的可靠性等[1-2]。

2.2.1 镀镍工艺的影响

在烧结银电极上电镀镍，既要求电镀镍溶液对瓷质基体材料的浸蚀影响小，又要求镀层结晶均匀细致、均镀能力好、内应力小，能将银管脚完整、均匀地覆盖，并保证镍层及银层的附着力良好，还要使镍沉积时不在银管脚之外的基体上超量扩散而导致管脚间距变小甚至管脚间粘联而直接短路。针对此，选择能够满足要求的低应力电镀镍工艺很关键，其具体工艺参数见表1。

生产实践表明，在严格控制工艺参数的同时，电镀溶液的维护也不能忽略：

表1 电镀镍工艺参数Table 1 Process parameters of nickel plating

(1)控制好原材料的质量，避免因原材料质量不佳而带入对溶液有害的杂质。

(2)电镀溶液每工作40～50 h 采用瓦楞板弱电解处理4～6 h，同时配合活性炭过滤。

(3)pH 低时，尽可能不用氢氧化钠调整，避免带入钠离子，应采用新配制的碳酸镍或氢氧化镍溶液来调高pH。遵照此原则，该工艺可稳定地保持良好的性能，满足陶瓷封装体电阻器的生产。

2.2.2 镍层厚度的影响

由于陶瓷封装体电阻器特殊的材料组成，陶瓷基体、烧结银层、镍等的膨胀系数差异较大，层间会形成较大的应力，同时镍镀层越厚，此现象越明显。因此要选择适当的镍层厚度，既可对银管脚起到保护作用，又可减弱镍层应力及膨胀系数不匹配造成的影响。通过实验对比发现，镍镀层厚度控制在1.8 μm 以上时便可完全满足要求，具体见表2。

表2 不同厚度镍镀层的焊接试验和耐焊接热试验结果Table 2 Results of welding test and welding heat resistance test for nickel coatings with different thicknesses

实验发现5～10 μm 的镀层厚度也可以，但这不仅会提高生产成本，而且无形中延长了电镀时间(下文会针对电镀时间长给电阻器带来的不良影响进行说明)，而且会使管脚间距变小，造成隐患。故镍层厚度宜控制在2～5 μm 之间。

2.3 镀锡对电阻器性能的影响

锡层是改善和保证电阻器管脚焊接性能的关键，要求镀层结晶均匀细致、与镍层附着力好、可焊性良好、符合环保要求，而陶瓷电阻器的固瓷介质特性要求电镀溶液不得呈强酸或强碱性。通过实验，选择了无铅甲基磺酸体系的哑光锡电镀工艺，具体工艺参数见表3。

表3 镀锡工艺参数Table 3 Process parameters of tin plating

镀锡层厚度控制也是关键。实验发现锡层厚度在4 μm 左右时基本满足焊接要求，但耐焊接热熔失尚有不足，在5 μm 以上时才具有良好的耐焊接热能力，具体见表4。当锡层厚度超过14 μm时，部分型号电阻器的管脚间距要求尺寸已受影响。故为安全起见，控制锡层厚度在5～12 μm 范围内，可完全满足电阻器的焊接和使用要求。

表4 不同厚度锡镀层耐焊接热试验结果Table 4 Results of welding heat resistance test for tin coatings with different thicknesses

测量镀层厚度时发现，采用X 射线荧光测厚仪测出的多层镀层的结果与SEM 测量结果偏差较大，特别是位于底层的镀层厚度结果误差更大，这可能主要受限于X 射线荧光测厚仪的测厚原理。故应以扫描电镜的测试结果为准，当然生产中不可能频繁使用SEM 测量镀层厚度，在使用X 射线荧光测厚仪测试时，必须考虑到X 射线荧光测厚仪所得多层镀层的测量结果存在误差，应采用SEM 测量结果予以校正。

2.4 其他条件对电阻器性能的影响

除前面提及的前处理工艺、镀镍、镀锡工艺对电阻器性能的影响之外，电镀时的温度、电镀时间、滚筒的尺寸、转速、装载量以及导电介质的形状、大小等因素均会对其性能产生影响。

2.4.1 电镀温度和时间的影响

施镀温度对镀层的影响是众所周知的，但在陶瓷封装体电阻器上的表现比普通零件更为特殊。无论是镀镍还是镀锡，温度低于工艺范围都会导致上镀缓慢，达到所需镀层厚度的时间延长，这就意味着电阻器在滚筒内接受机械碰撞、磨削的时间延长，会明显影响银管脚和陶瓷基体的附着力，严重时银管脚会在施镀过程中脱落；温度太高时，尽管电镀时间缩短，但镀层结晶粗大，影响镀层结合力和焊接性能，严重时银管脚端部(与绝缘封装膜的交界处)镀层因结晶粗大而向管脚外扩散，导致管脚间距变小甚至粘联。因此温度过高或过低都会导致零件报废。实践证明，总体电镀时间超过3 h，镀层与陶瓷基体的附着力就会明显受到影响。

2.4.2 导电介质的影响

由于陶瓷电阻器本身的特点所限，对其电镀时需要选择合适的导电介质混入其中，以保证陶瓷封装体上有限的导电点(银管脚)获得电流而有镀层沉积。为同时满足陶瓷封装体电阻器的结构特点和基体材料的特点，导电介质必须符合以下要求：

(1)具有良好的导电性。

(2)必须圆滑、无棱角，以最大限度地减少滚镀过程中对电阻器的磨削损伤，以及对管脚与陶瓷基体之间附着力的影响。

(3)其尺寸和加入比例应合理，以保证电阻器的受镀管脚与之能有最大的接触几率和接触面积。滚镀过程中，一方面要避免导电介质卡在管脚之间造成管脚粘联，另一方面要防止其卡在滚筒孔内或掉出滚筒。

由此可见，选择合适的导电介质(如大小规则的钢珠、铜珠)，镀层沉积速率、电阻器受镀管脚镀层的均匀性、电阻器表面磨削损伤程度以及银管脚与陶瓷基体之间的附着力才能得到保证。

2.4.3 滚筒及装载量的影响

滚筒的选择和装载量的合理控制，能最大限度地减小电阻器施镀的混合周期[2]，从而有效保证电阻器银管脚均匀、快速上镀，获得附着力良好、厚度和可焊性符合要求的镀层。文献[2]已有详尽的论述，这里不再重复。通过实验，选择设计载量为5 kg 的细长型小滚筒，开孔尺寸为0.7 mm×5.5 mm，载量控制在滚筒容积的2/5～1/2，可完全满足生产需求，获得所需镀层。

2.4.4 电流密度和时间的影响

由于陶瓷封装体电阻器的型号很多，根据银管脚的分布有单管脚、双管脚之分；根据公共基的分布可分为单边公共基和双边公共基；根据管脚数，单管脚常见的有8PIN、9PIN、10PIN、12PIN，双管脚常见的有16PIN、18PIN、24PIN；根据其实际阻值大小又可相应分为一系列型号等。管脚数量越多，相应待镀管脚的单位面积越小，导电介质与待镀面的接触频率和面积就越小，上镀速率就相应地变慢；电阻值愈大的型号导电性愈差，其沉积速率也相应愈慢。因此，不同型号应采取不同的电镀工艺参数。实验证明，同一管脚数的型号，阻值大的应采用较大的电流密度和较长的电镀时间；同一阻值的型号，管脚数多的须采用较大的电流密度和较长的电镀时间。若采用一成不变的电流密度和时间，则有可能导致单管脚小阻值的型号因电流密度大而使镀层结晶粗大，严重时管脚端部镀层会向银层之外延伸而导致管脚间距变小，甚至管脚间直接粘联，或因电镀时间长，导致镀层超厚而使管脚间距尺寸变小；而对于管脚数多(如24PIN)的大阻值型号，因电流密度太小而上镀缓慢，在有限的时间内其公共基更是难有镀层沉积。电流密度和电镀时间的影响在镀锡过程中的表现尤为突出。