铜波导镀银层厚度的分析与研究

张舒，叶正浩，王烨

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101）

铜波导是微波传输中的常用器件，其导通性能直接影响电子产品的通讯效果。微波传输有一个明显的特点，微波是沿波导的表面传输的。银有良好的导电性能，银镀层常作为电子、电器工业产品零部件的功能性镀层。因此，一般铜波导都需要进行镀银处理。

设计要求在铜波导内表面进行镀银处理,本文采用氰化镀银制备镀银层，研究了镀层厚度对电性能和耐蚀性的影响，介绍了改善铜波导内表面镀银质量的工艺方案，可在一定程度上满足铜波导的电性能和耐蚀性需求。

1 镀银层厚度的分析

GJB/Z 594A-2000《金属镀覆层和化学覆盖层选择原则与厚度系列》规定，军工产品零（部）件的使用环境条件是选择镀覆层种类及其厚度的主要依据。SJ 20818-2002《电子设备的金属镀覆与化学处理》对铜上镀银的厚度要求分为室内、室外两种，室内规定为8μm，室外规定为15μm。通过控制电镀时间，可以得到厚度不同的镀层，我们选取镀银层厚度5μm、8μm、12μm和15μm进行试验。

2 试验方案

2.1 试验材料

试验材料为铜波导，在矩形波导管两端焊接法兰盘，矩形波导管采用GB/T 8894-2014规定的黄铜波导管型材，牌号H96，法兰盘设计参照GB/T 11449.2-89规定的黄铜法兰盘，牌号H62。

铜波导管内腔表面处理选用的是镀银发黑，外表面涂覆海灰色氟碳漆。检测镀银层厚度时，还需要从铜波导上切取试片，试片厚度为波导管壁厚，大小按照长20mm和波导管宽度切取。

2.2 试验方法

采用X荧光光谱仪（Thick 800A）检测镀银层厚度，采用GJB 150.9A-2009规定的湿热试验和GJB 150.11A-2009规定的盐雾试验检测镀银层的耐蚀性，试验装置采用型号为KHL-KWGDS605的高低温交变湿热试验箱和FQY-160F的盐雾腐蚀试验箱。试验后试样的腐蚀评级按照GB/T 6461-2002的规定进行。

3 试验研究

3.1 镀银层厚度检测

在铜波导的两端及中间部位各截取一块试片，采用X荧光光谱仪（Thick 800A）检测镀银层厚度，测量数值单位为μm，检测日期为2021年6月，检测结果见表1。

表1 铜波导镀银层厚度的检测结果

从检测结果可以看出，镀银层厚度符合试验要求。从检测的镀层厚度来看，镀银层是不均匀的，由于铜波导结构形状的原因，镀银层在铜波导边缘较厚，中间部位最薄。

微波在波导中的传输不同于一般电流或波的传递，而是遵循趋肤效应。由于导体中由微波诱导产生的电流都集中在导体的表面，微波场对导体的穿透程度可用趋肤深度δ（单位为m）表示，趋肤深度计算公式如式（1）。

式中，ω为微波场振动的角频率（弧度/s）；σ是金属的电导率(S/m)；μ0是真空中的磁导率，其值为4π×10-7H/m；K是衰减系数。

为了简化计算，可以将求趋肤深度δ的公式进行处理，即将相关常数带入公式，微波在镀银层中传导时的趋肤深度简化计算公式如式（2）。

式中，f为微波频率(Hz)。

根据产品性能指标中铜波导的使用频率计算，在理想状态下，1μm～2μm的镀银层厚度即可满足要求。试验样品经调试人员测试，电性能均达到指标要求。

3.2 镀银层环境试验

通过环境试验检测铜波导镀银层的耐蚀性，试验结果如表2所示。

表2 环境试验结果

从试验结果可以看出，镀层厚度较薄的试样均发生了腐蚀，镀层厚度达到15μm的试样未发生腐蚀，试验结果证明，镀层厚度达到15μm的试样耐蚀性更好。

金属铜比金属银活泼，镀银层属于阴极性镀层。湿气或盐雾吸附到铜波导内腔则会形成水溶液。镀银层厚度不够，外界空气容易通过孔隙穿透镀银层达到基材铜合金。基材金属外露，在水溶液里又将产生原电池效应，发生更剧烈的电化学腐蚀。

3.3 研究总结

综上所述，作为功能性镀层的镀银层，比镀银标准少得多的镀层厚度即可满足电性能指标要求，镀层厚度5～8μm，甚至更小时，容易存在孔隙，在通电情况下，孔隙内的铜合金会加速腐蚀，镀银层的孔隙率随着镀层厚度的增加而降低，当厚度达到15μm时，耐蚀性较好。高频铜波导内腔尺寸小于20mm，如采用普通的镀银方式，内表面镀银层厚度不均匀，局部镀层很薄或几乎没有，无法满足要求。因此，我们需要采取改进措施，保证铜波导镀银能够达到所需的镀层厚度。

4 改进措施

4.1 加强过程控制

我们对现有镀银工艺进行改进，修订镀银工艺规范，组织并通过了工艺评审。工艺规范对适用范围、辅助工艺装备、工艺过程参数、溶液的维护与调整、检验要求、常见缺陷产生原因和生产过程操作记录卡等方面进行了更新。同时，我们制定了镀银工艺管理办法，由专人负责生产过程控制，严格执行工艺规范，对产品质量负责。

4.2 分类控制电流密度

总结多年的工作经验，镀银操作人员反馈电流密度偏高时，镀层结晶变粗，孔隙率也增大，减小电流密度，镀层结晶致密，镀银层的电性能更好。查看以往记录，我们对电流密度进行分类要求。重要零部件要求为0.2～0.6A/dm2，铜波导管要求为0.3～0.8A/dm2，其他零部件要求为0.5～1.2A/dm2。通过严格控制工艺参数，提高镀银层的质量。

4.3 增加辅助阳极

铜波导内表面镀银要求使用银阳极作为辅助工艺装备，对保证镀层厚度起到关键作用。铜波导的轴向长度长，在电镀过程中，电力线分布不均。在波导内腔添加辅助阳极可改变电力线的分布，有助于提高波导内腔的镀层厚度和镀层均匀性。辅助阳极应具有一定的柔性，表面积满足以下要求：S1/S2≥0.4（S1为辅助阳极的有效表面积，S2为复杂铜波导内腔的表面积）。因为辅助阳极可能会与铜波导内腔接触造成短路，所以我们还用阳极保护套包裹辅助阳极，避免与铜波导内腔直接接触。

5 结语

经过分析与研究，铜波导镀银层的电性能要达到要求，可以通过计算趋肤深度确定镀层厚度，随着铜波导使用频率的提高，镀层厚度可以越薄。通过环境试验对比，可以看出，随着试样镀银层厚度的增加，耐腐蚀性也提高。为了铜波导镀银能达到所需的镀层厚度，我们改进镀银工艺，加强过程控制，兼顾了铜波导的电性能和耐蚀性，提高了产品的可靠性。镀银后处理或涂覆电接触保护剂等不属于本文的讨论范围，待以后进一步研究。