黑孔电镀技术在连接器中的应用

李翰文，张 蕾，李五朋，鲍小会

(中航光电科技股份有限公司，河南洛阳，471000)

1 引言

随着电子信息技术的飞速发展以及军用装备上的应用需求，电连接器正朝着高密度、微型化、模块化等方向发展[1]，目前常见的连接器多采用过盈装配实现接触件在绝缘体中的安装，强装结构是一种有应力的装配形式，具有结构简单、效果可靠的优点，但出于接触件固定性和绝缘体强度需要，对接触件尺寸、密度和绝缘体强度、高度都有一定要求，例如对于LCP材料的绝缘体，过盈处壁厚一般要求大于0.6mm，接触件密度过高可能会导致卡点位置绝缘体厚度太薄产生裂纹，绝缘体高度过低可能会导致接触件退出距离过短。目前，强装结构的存在已经成为了阻碍连接器体积缩小的一个重要原因，如果取消强装结构，采用传导性镀层辅助接触件装配并承担信号传输作用，则可以突破连接器尺寸限制，进一步提高产品体积效率。

目前对于传导性镀层的制备工艺已有较多的研究成果。2014年任春春等[2]通过酸性化学镀镍和二硫酸钾蚀刻的方法在掺锡氧化铟薄膜上制备了选择性的导电镀层。2013年卢海波等[3]通过丝网印刷在陶瓷表面选择性的制备出催化活化层，以此实现了陶瓷表面的选择性化学镀铜。2018年李玖娟等[4]采用化学聚合方法，在高锰酸钾处理过的环氧树脂表面生成一层聚噻吩，应用聚噻吩作为导电载体实现环氧树脂表面的直接电镀铜。但是这些方法在材料或工艺上不适用于连接器上传导性镀层的构建，适用于连接器领域的传导性镀层工艺仍需要研究。

2 研究内容及黑孔电镀技术原理

为此提出一种解决方案，将接触件附着到绝缘体表面，通过在接触件、绝缘体之间构建出传导性镀层实现信号导通，如图1所示。该方案的主要难点在于传导性镀层需要跨越多种基体材料，且需要覆盖孔壁等立体表面，为此选用黑孔电镀工艺作为进行传导性镀层制备方案。

图1 传导性镀层示意图

黑孔电镀工艺多用于印制板电镀领域，最早始于1986年美国Hunt公司公开的专利，其原理是利用分散的碳黑粉末悬浊液对孔壁进行处理，使之导电随后进行电镀[5]。为确保炭黑的结合强度，需对产品进行电荷调整，即在前处理的清洁剂中加入阳离子聚合物，将产品调整为带正电荷，提高与带负电荷的炭黑胶团的吸附效果。经过炭黑吸附处理的样品还需要经过一道微蚀工艺去除铜表面吸附的炭黑，随后经过水洗、抗氧化、烘干等工序即可进行电镀。

本文通过开发出一种连接器领域使用的黑孔电镀工艺在连接器上镀覆传导性镀层，并对其电镀工艺进行研究，从而确定了黑孔电镀的最佳工艺参数，通过接触电阻、插入损耗、回波损耗、近端串扰、远端串扰等测试项目验证了镀层性能。

3 实验

3.1 实验流程

选用某型产品进行黑孔电镀试验，产品接触件材料为铜合金，连接器基体材料主要为FR4，通过实验验证黑孔电镀是否可以在接触件与连接器基体之间构建出具有传导性的镀层。

3.2 实验方法

对准备好的连接器样品进行黑孔电镀处理，其工艺流程为：清洁→调整1→水洗→炭黑导电液1→热风烘干→调整2→水洗→炭黑导电液2→热风烘干→微蚀→水洗→抗氧化→水洗→热风烘干。完成黑孔处理的连接器样品进行电镀铜，电镀方案分别采用氰化物体系镀铜和焦磷酸体系镀铜。完成黑孔电镀的产品在显微镜下观察镀层形貌，并切片观察镀层厚度。完成电镀后的产品经过进一步加工，将接触件之间多余镀层去除防止短路，并保留接触件与基体之间的镀层以实现信号的传输。具备信号传输能力的接触件样品通过接触电阻测试、高速性能(插入损耗、回波损耗、近端串扰、远端串扰)测试来验证镀层的传输性能。

3.3 性能表征

样品的接触电阻、插入损耗、回波损耗、近端串扰、远端串扰等测试均按照行业标准进行。其中，接触电阻采用TZ-10型接触电阻测试仪进行测试；插入损耗、回波损耗、近端串扰、远端串扰采用矢量网络分析仪进行测试；黑孔镀层形貌及切面形貌采用金相显微镜进行观察。

4 结果与分析

4.1 镀层外观

完成黑孔加工的连接器样件如图2所示，可见印制板表面已经覆盖有一层黑色的碳粉层。

图2 黑孔效果

对完成黑孔工序的样品分别采用三种电镀铜条件进行电镀：氰化物体系镀铜：电流密度组合8A/dm2(1min)+4A/dm2(5min)、焦磷酸铜体系镀铜：电流密度组合8A/dm2(1min)+4A/dm2(5min)、焦磷酸铜体系镀铜：电流密度组合8A/dm2(1min)+4A/dm2(3min)+2A/dm2(4min)。显微镜下观察三种条件下样品镀层形貌如图3所示。

(a)氰铜8A/dm2(1min)+4A/dm2(5min)

从电镀铜后的外观可以看出，采用氰化物体系镀铜后的外观光亮度比焦磷酸铜体系要暗，印制板孔边缘局部有漏镀现象，而采用焦磷酸铜体系镀铜的镀层外观均匀连续，且镀层表面光亮度明显优于氰化物体系镀铜层的效果。此外，通过后期逐步减小电镀焦磷酸铜的电流密度可以进一步改善镀层表面光亮度。由此说明，焦磷酸体系镀铜更适用于黑孔处理后的组合件表面电镀，且适当降低最后镀层的电流密度可以获得外观更佳的镀层。对焦铜8A/ dm2(1min)+4A/ dm2(3min)+2A/ dm2(4min)方案制备的样品进行切片观察，效果如图4所示。可见，在印制板及夹层表面形成了一层完整的铜镀层，镀层厚度2～4μm。

图4 电镀样品剖面

4.2 接触电阻

对完成电镀的样品随机抽取7只接触件进行接触电阻测试，表1为接触电阻测试结果，抽测的孔位接触电阻全部低于15mΩ。由此可知，黑孔电镀制备的传导性镀层的导电性能优良，可以满足连接器的使用要求。

表1 黑孔电镀样品接触电阻测试结果

4.3 产品高速性能

对样品随机抽取1对差分接触件进行插损、回损、近端串扰、远端串扰等高速性能测试，图5为高速性能测试结果。由图中测试结果可知，黑孔电镀制备的传导性镀层的高速性能可以满足连接器的指标要求。

(a)插损 (b)回损

5 结语

(1)通过对黑孔电镀工艺在连接器的工艺研究和试制，验证了黑孔电镀工艺在连接器传导性镀层制备中的可行性，优化了连接器组件黑孔电镀工艺参数。

(2)验证了连接器传导性镀层的性能参数，证明了镀层可以满足接触电阻小于15mΩ，高速性能满足产品指标要求。