浅谈电镀技术的发展及应用

高海桓，卜路霞，王　为

(1.天津市第四中学，天津 300211；　2.天津农学院 基础科学学院，天津 300384；　3.天津大学 化工学院，天津 300072)



浅谈电镀技术的发展及应用

高海桓1，卜路霞2，王为3

(1.天津市第四中学，天津 300211；2.天津农学院 基础科学学院，天津 300384；3.天津大学 化工学院，天津 300072)

摘要：随着现代科技的发展，电镀技术也在不断地发展，从最初的防护装饰性镀层，逐渐发展出各种功能镀层。进入21世纪，电镀技术的应用已经拓展到微电子、微电机系统(MEMS)、再制造等高技术领域，并发展成为这类高技术领域的关键技术。

关键词:电镀技术;发展;应用；复合镀层；微电子；再制造

引言

电镀技术于20世纪开始兴起，在材料的防护及装饰等领域应用广泛[1-6]。进入21世纪，科学技术突飞猛进，学科间相互渗透，交叉学科快速发展。电镀技术在这场科技发展的大浪潮中也实现了自身的突破，逐渐从防护装饰性电镀发展为功能电镀，其应用领域已经拓展到微电子、微电机系统(MEMS)和再制造等高技术领域，并发展成为这类高技术领域的关键技术。在此，介绍相关的研究进展。

1电镀技术的发展

1.1Ni-Co合金镀层

Ni-Co合金镀层具有优异的高温耐磨性能，已经成功应用到钢厂连铸连轧机的关键部件结晶器表层，大幅度提高了结晶器的使用寿命[7-10]。

连铸结晶器的工作θ在350℃左右。连铸结晶器应具有良好的导热性，同时还需承受与钢坯之间的摩擦。为此，连铸结晶器通体采用铜合金制造，并在结晶器与钢坯相接触的表面制备一层厚度在数毫米的高温耐磨材料层。Ni-Co合金镀层优异的高温耐磨性能正适应了结晶器对与钢坯相接触表面的高温耐磨性要求。目前，Ni-Co合金镀层已经大量应用在连铸结晶器表层镀层材料(图1)。

图1　铜板结晶器表面的Ni-Co合金镀层

1.2电镀纳米金属多层膜

纳米金属多层膜是一种由厚度在纳米尺度的不同金属层交替叠加形成的金属多层膜。由于构成纳米金属多层膜的各金属材料层的厚度在纳米尺度，这类薄膜材料往往表现出纳米材料独特的力学性能、电磁学性能和光学性能。天津大学姚素薇等[11-13]采用电镀技术制备了Ni80Fe20/Cu纳米多层膜(图2)。当多层膜结构[NiFe(16nm)/Cu(26nm)]为80层时，巨磁电阻GMR值可达64%。

图2　电镀[Ni80Fe20/Cu]纳米多层膜

1.3复合镀技术

复合镀技术通过将无机材料以及高分子材料的粉体加入镀液中，搅拌使之在镀液中均匀分散，伴随着电镀或化学镀过程的进行将这类粉体包埋进镀层，形成复合镀层材料。这类复合镀层材料兼具基体金属材料及弥散分布于基体金属中的无机或高分子材料的优势，表现出优异的综合性能[15,17]。

采用化学复合镀的方法制备(Ni-P)-ZrO2复合镀层的成分及镀层断面的扫描电镜照片如图3所示[14]。由图3可以看出，ZrO2颗粒在Ni-P合金基体中均匀分布。这种(Ni-P)-ZrO2复合镀层的硬度超过600HV(图4)，热处理后的硬度更超过900HV。

图3　(Ni-P)-ZrO2复合镀层的成分及断面扫描电镜照片

图4　(Ni-P)-ZrO2复合镀层的硬度

改变复合镀层中基体金属或复合颗粒，可以得到不同性能的复合镀层。

将图4中的ZrO2颗粒换成SiC颗粒，同样采用化学复合镀的方法制备的(Ni-P)-SiC化学复合材料镀层，热处理后的硬度可达1200HV[16](图5)。

图5　(Ni-P)-SiC化学复合镀层的硬度

为了改善纯Ni镀层的摩擦学性能，将具有自润滑性能的聚四氟乙烯(PTFE)颗粒与Ni复合，可以制备出具有良好自润滑特性的Ni-PTFE复合镀层。图6为Ni-PTFE复合镀层中PTFE质量分数对摩擦系数的影响。由图6可以看出，随着镀液中PTFE颗粒浓度的增加，Ni-PTFE复合镀层的摩擦系数不断降低，最低接近0.06[18]。

图6　PTFE含量对摩擦系数的影响

目前，应用于复合电镀的基质金属以及复合微粒的种类还非常有限。将更多种类的基质金属与更大范围的微粒进行复合镀，相信会有性能更多样化也更优异的复合镀层出现。

2印制板及电子封装中电镀技术的应用

电镀技术的最大特点，在于其制造过程是从原子、离子尺度开始，而且无需高温高压等苛刻条件，易于实现定点定位生长。电镀技术的这一特点，使其在印制板及电子封装领域成为不可替代的关键技术[19-23]。

2.1芯片中的电镀金属互联技术

摩尔预测,每隔24个月单位面积上集成晶体管的数量将翻倍。目前的集成电路技术处在22/20纳米技术节点。未来硅基晶体管还将继续缩小,从现有的22纳米技术代一路发展到4纳米技术代。目前，集成电路中接触孔工艺已经被局域互连技术替换。局域互连技术的关键在于第一层金属图形形成之前先形成通孔,再采用基于电镀技术的双大马士革工艺同时填充金属Cu(图7、图8)。

图7　芯片中的金属互连线结构示意图

图8　集成电路中的金属层间互连照片

2.2三维电子封装技术

随着集成电路中晶体管数量的逐年成倍增加，三维集成与封装技术越来越显示出其重要性。目前，三维集成与封装技术发展的重点在于三维叠层封装以及封装体的三维叠层，而键合技术则是实现三维叠层的关键。由于金属/焊料微凸点键合在电气互连、散热以及结构支撑等方面具有的优势,已经成为键合技术中的关键技术。高密度的微凸点是实现金属/焊料微凸点键合的基础。将光刻掩膜技术与金属电镀技术相结合制备出的尺寸精确的凸点，完全能够达到三维叠层对微凸点键合的要求(图9)。

图9　3D系统芯片及封装

将集成电路晶片上的铜配线技术与多层聚酰亚胺印制板技术相结合形成的在多层印制板内的IC封装技术(Wafer And Board level Embedded Technology,WABE Technology®)，可以制备出集成电路内藏基板(图10)。这一技术已经开始应用于新一代系统封装以及手机基板。

图10　集成电路内藏基板

2.3超高密度印制板及层间互联技术

近年市场上出现的各种新型便携式电子产品已经普遍采用超高密度印制电路板。这类产品中的超高密度印制电路板不仅是各种组件的承载平台，更借助于立体封装技术实现了系统整合(图11)。由印制线路的高密度化以及更高的接点密度形成的超高密度印制线路板已经成为未来印制板技术的发展方向。超高密度印制板技术的关键在于任意层间的金属互连技术。任意层间的金属互连技术可实现超高密度印制板内所有相邻两层之间的电气连接。通过电镀铜技术实现超高密度印制板内任意相邻两层之间的盲孔连接，是目前应用最为广泛的任意层间金属互连技术(图12)。

图11　超高密度印制板封装结构示意图

图12　超高密度印制线路板内由电镀金属铜实现的任意层间金属互连

3微电机系统中电镀技术的应用

微电子系统与微机械系统相结合形成的微电机系统(MEMS)，其特点是尺寸微小，功能强大。近年，随着人工智能技术的高速发展，MEMS产业已经全方位快速渗透到军事、医疗、生物、仿生学及航空航天等领域。构成微电机系统的零部件尺度都在微米甚至纳米。电镀技术是一个从原子、离子尺度开始的材料制造以及零部件制造技术。电镀技术与光刻蚀技术相结合发展而成的MEMS技术，已经成为MEMS领域的尖端技术[24-26]。图13为采用电镀MEMS技术制造的金属部件照片，图14为MEMS模块中微小的机械部件照片，图15为采用MEMS技术制造的纳米泵技术，图16为EPSON公司采用MEMS技术制造的微型飞行器，图17为采用MEMS技术制造的可移动微型机器人。

图13　MEMS技术制造的金属部件

图14　MEMS模块中微小的机械部件

图15　MEMS技术制造的纳米泵

图16　MEMS技术制造的微型飞行器

图17　MEMS技术制造的微型机器人

4零部件及设备再制造中电镀技术的应用

零部件的失效表现在其尺寸偏离设计值。零部件失效导致设备不能正常运行，甚至报废。再制造的意义，在于对零部件实施再制造后，不仅零部件的尺寸恢复到最初设计值，而且失效设备的寿命超过新品。再制造技术是实现节约型社会、循环经济的需要。

由于电镀技术易于实现材料的定点、定位生长，制造过程也无需高温、高压。此外，现有的各种高性能镀层制造技术(例如高温抗氧化镀层、耐磨镀层及耐腐蚀镀层等)也使得失效零部件的再制造成为可能。电镀技术的上述特点使其成为零部件及设备再制造中的关键技术[27-30]。

采用电镀技术对失效泵的泵体、齿轮箱和盖子等部件进行再制造，再更换新的齿轮、轴、轴承、密封件、转子和转子螺母，就完成了泵的再制造过程(图18、图19)。

图18　失效泵的再制造部位示意图

图19　失效泵及经过再制造的泵

采用电镀技术对失效中央空调压缩机[图20(a)]的失效部件进行再制造后[图20(b)]，重新组装的中央空调压缩机[图20(c)]的性能及寿命均超过新品。

图20　再制造中央空调压缩机

5结束语

伴随着21世纪高科技的大量涌现，电子零部件的微型化趋势，以及国家可持续发展战略的实施，为电镀技术的应用提供了前所未有的大量机遇，同时也给电镀技术的发展提出了方方面面的挑战。电镀工作者需要不断拓展思路，大胆创新。可以相信，未来的电镀技术将成为更多高技术领域的尖端技术。

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Future Development and Application of Plating Technology

GAO Haihuan1,BU Luxia2,WANG Wei3

(1.No.4 Middle School of Tianjin,Tianjin 300211,China;2.School of Basic Science,Tianjin Agricultural University,Tianjin 300384,China;3.School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Abstract:With the development of mordern sicence and technology，traditional plating technology is gradually developed from the initial protective and decorative coating to a variety of functional coatings.In this paper，the development of plating technology and its applications in high-tech fields，such as PCB，electronic packaging，MEMS，components and equipments，were introduced.Plating technology would becoming the sophisticated technology in more and more high-tech fields.

Keyword:plating technology;development;application;composite coating;microelectronics;remanufacture

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.05.006

收稿日期：2016-03-11修回日期：2016-03-18

中图分类号：TQ153.2

文献标识码：A