钼圆片电镀钌挂具的设计

张一雯*，郭昭华，王永旺，陈东

（神华准能资源综合开发有限公司研发中心，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

【经验交流】

钼圆片电镀钌挂具的设计

张一雯*，郭昭华，王永旺，陈东

（神华准能资源综合开发有限公司研发中心，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

针对钼圆片镀钌挂具不合理设计所产生的挂点、对电流产生遮挡以及边缘效应明显等问题，采用辅助阴极的方法加以改进，从而改善了镀层的均匀性，并通过一具多挂提高了生产效率。

钼圆片；镀钌；挂具；设计；镀层均匀性

钼具有优良的性质，如耐热、耐磨、抗腐蚀，高硬度。钼圆片一般在电气设备中电子元器件中被用作基片材料，要求有较高的导电、导热性能，较强的抗腐蚀性，以及较低的接触电阻。但是钼在空气中容易生成氧化膜，这层氧化膜阻止了钼片发挥其优良的特性。在钼圆片上通常是电镀一层与之具有相同特性的钌作为保护膜。

笔者之前报道过一种采用铬和镍作为预镀层的钼片镀钌工艺[1]。而挂具是电镀过程必不可少，挂具的结构形式直接关系到镀层厚度的均匀性以及镀槽设备的利用率，在提高生产效率、降低生产成本等方面都能起到积极的作用。目前关于钼圆片镀钌用挂具尚无公开的报道。本文总结了多次实验的经验，确定了较为合理的钼圆片镀钌用挂具的结构设计。

1 挂具材料的选择

夹钼片的导电部分采用钛合金制作，其他部位采用铝合金。挂具在槽液面以下的部位及交界面涂上绝缘胶，以减少电力的消耗及避免挂具在空气与液面交界处溶断。

2 夹具的设计

2. 1 方案一

在实验之初，由于实验的钼片规格为直径52 mm、厚3.5 mm，且镀钌工艺流程还处于探索阶段，因此设计了一种便于手动操作的简易式挂具进行试验，其结构如图1所示。

这种挂具的3个夹装部分的触点对电场线有遮挡，导致钼片镀钌后出现镀层不均匀的现象，而且挂点明显，钼片上3个触点部位都出现明显挂痕，如图图2所示。另外，这种挂具每次只能挂一个钼片，生产效率很低。

2. 2 方案二

鉴于以上的缺点，必须对挂具进行改进，而且随着镀钌工艺研究的推进，用到了更大规格的钼圆片(直径108 mm，厚度5 mm)。于是设计了第二种挂具方案，如图3所示。

图1 方案一的挂具结构Figure1 Structure of the #1 jig

图2 采用方案一的挂具镀钌后的钼圆片Figure2 Molybdenum disc electroplated with ruthenium by using the #1 jig

方案二的挂具可增挂一个钼圆片，提高了效率，并对夹装部分的位置及夹装方式进行了调整。

虽然该挂具的使用效果与方案一相比有了改善，但是夹装部分的触点部分对钼片仍然存在遮挡，还是能看到明显的挂点。尽管镀层不均匀的现象没有图2那样明显，肉眼不易观察出来，但是通过镀层厚度测试还是发现中间部位的镀层厚度明显小于边缘部位的镀层厚度。换言之，镀层仍然是不均匀。

2. 3 方案三

由于所镀的工件是平板状，阴极与两端阳极之间的距离相等，理论上电流是完全均匀分布的。但是，由于边缘效应的影响，实际的电流分布并不均匀，平板阴极边缘的电流分布比中间部分的电流密集，导致镀层边缘厚、中间薄(见图2)，厚度均匀性差，影响产品质量。

消除边缘效应的方法主要有以下几种[2]：

(1) 对电镀阳极采用边缘屏蔽，避免电场线往边缘聚集；

(2) 对被镀件边缘采用边缘屏蔽；

(3) 减小电镀阳极面积；

(4) 在被镀件边缘增加辅助阴极。

其中第四种措施比较常用。所谓增加辅助阴极，就是让辅助阴极来分担多余的电场线，使得电场线重新分布[3]。按此思路，针对直径52 mm、厚3.5 mm的小钼圆片，设计了如图4所示的第三种挂具。

图3 方案二的挂具照片Figure3 Photo of the #2 jig

图4 带辅助阴极的方案三挂具Figure4 #3 Jig with auxiliary cathodes

辅助阴极的材质是铝合金，挂钩及夹钼片的导电部分用钛合金。除了挂钩及夹钼片的触点部位，其余部分都涂有绝缘胶。图4所示的辅助阴极长100 mm、厚4 mm，夹装钼片的部分长1 mm。图3所示挂具的夹装钼片部分是弯勾状，而图4所示挂具的夹装部分被设计成直线型，与钼片针状接触，大大减小了触点面积，也不会像弯钩那样遮挡电场线。辅助阴极能够很好地将边缘密集的电场线分担一部分，使得电场线分布均匀，从而形成均匀的镀层。采用方案三的挂具施镀，冲镍后的钼片上可以明显看到黄色的晕圈，可见均匀性已经有了很好的改善。镀钌后的钼片肉眼看上去很均匀。另外，此种挂具还可一次性挂6个钼片，大大提高了生产效率。

3 镀层均匀性的评价

如图5所示，在钼圆片的直径上从圆心两侧对称地选取4个点，再加上圆心在内，总共5个点，测镀层厚度。

在相同的实验条件下，分别采用方案二和方案三的挂具对钼片进行电镀，用镀层测厚仪测镀钌层的厚度，结果见图6。

图5 钼片上钌镀层厚度测量的样本点Figure5 Sampling points for testing the thickness of ruthenium coating on molybdenum disc

图6 采用两种不同挂具电镀钼片时钌镀层的厚度测量结果Figure6 Result of thickness measurement for the ruthenium coatings prepared by using different jigs on molybdenum disc

根据COV值来判定镀层的均匀性[4]，计算公式如下：

经计算，方案二和方案三所得镀层厚度的COV值分别为0.128和0.111。COV值越小，说明镀层越均匀。由此可见，采用方案三的挂具更能获得厚度均匀的镀层。

4 应用效果

通过对挂具的多次改进，改善了挂点明显、镀层不均匀、对电场线有遮挡等问题，而且采用一具多挂，提高了生产效率。在使用中，挂具夹装钼片牢固，未出现导电不良、拆装困难、工件灼伤等问题。

[1] 张一雯, 郭昭华, 王永旺, 等. 改善钼片镀钌结合力的新工艺[J]. 电镀与涂饰, 2017, 36 (7): 361-363.

[2] 张三元, 张磊. 电镀层均匀性和镀液稳定性——问题与对策[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010: 16-17.

[3] 张允诚, 胡如南, 向荣. 电镀手册[M]. 3版. 北京: 国防工业出版社, 2007: 20-23.

[4] 杨磊, 阚云辉. 金属封装外壳电镀层均匀性研究[J]. 混合微电子技术, 2009, 20 (1): 27-32.

[ 编辑：温靖邦 ]

Design of jig for electroplating ruthenium on molybdenum disc

ZHANG Yi-wen*, GUO Shao-hua,WANG Yong-wang, CHEN Dong

Aiming at some problems such as contact point, current block and edge effect caused by unreasonable design of jig in ruthenium electroplating of molybdenum disc, auxiliary cathodes were used to improve the uniformity of ruthenium coating. The production efficiency was improved by hanging several molybdenum discs on one jig.

molybdenum disc; ruthenium electroplating; jig; design; coating uniformity

TQ153.19

B

1004 – 227X (2017) 08 – 0419 – 03

10.19289/j.1004-227x.2017.08.007

2017–04–07

2017–04–16

张一雯（1984–），女，内蒙古赤峰人，硕士，中级工程师，研究方向为金属材料腐蚀与防护。

作者联系方式：(E-mail) hyzyw920@163.com。

First-author’s address:Research and Development Center, Shenhua Zhunneng Resources Comprehensive Development Company Limited, Erdos 010300, China