微波器件化學鍍金研究

　　1、概述

　　本研究是在形狀復雜的微波器件內(nèi)外表面制備導電性好、能有效保護器件基體不受腐蝕，且一定厚度的涂覆層，要求涂覆后微波損耗比涂覆前小。基于以上要求在形狀復雜的器件表面上制備符合要求的涂層只能采用特殊工藝的化學鍍。綜合考察各種貴金屬及其合金材料，能有效抗鹽霧腐蝕，不易發(fā)霉，具有高頻特性，又有僅次于銅好的導電性材料，純金成為首選材料。

　　普通的化學鍍金技術(shù)一般用在半導體的管芯、管座和其它電子元器件上，厚度較薄，一般不超過1.5微米。近期雖有國外資料介紹沉積速率可達4~8微米的化學鍍液，但因技術(shù)保密或其它原因按其所示配方并不能得到預期結(jié)果。有的配方不適合微波器件，如鍍層中含微量其它金屬或有機衍生物等。本研究立足于微波器件，研制了特殊工藝用的化學鍍金溶液。

　　2、實驗部分及結(jié)果討論

　　本研究實驗通過懸掛平行試片進行鍍覆模擬實驗，以考查各因素的影響。試片是表面積為10cm2的紫銅片，放在100ml的小燒杯中進行鍍覆，溶液配制80ml。溶液放于恒溫槽中反應。

　　3、還原劑的的影響

　　還原劑種類決定化學鍍金液的鍍覆速度及鍍層質(zhì)量。能將一價金化合物中的金較均勻還原出來，并在金作催化劑時能使金層不斷沉積的還原劑有次磷酸鹽、二甲及三甲胺硼烷、羥胺類、硼氫化物類、N-N-二乙氨基乙酸等。其還原通式如下：

　　Aut+Red→Aup+OX

　　金可自催化此類反應，使反應得以不斷進行，使金層相對較厚。經(jīng)初期實驗，幾種還原劑在較好配方下的還原能力大致如下：以次磷酸鹽體系的反應速率為1的話，硼氫化物體系的還原速率約為11，二甲胺硼烷約為6。本實驗以一種還原劑為代表進行研究。

　　此還原劑的濃度對沉積速率的影響如圖2：

由圖1曲線可見，鍍層的沉積速率隨還原劑濃度的增加而增加。曲線是KOH在22.4gL時的變化。實驗發(fā)現(xiàn)，隨還原劑濃度的增加，雖然鍍覆速率不斷增加，但溶液的穩(wěn)定性卻不斷降低，當還原劑濃度很高時（不同的配方下不同），溶液趨于分解，此時會有棕色的沉淀即金粉被還原出來。

4、KOH的影響

所用配方見表1，KOH的濃度影響見圖2：

　　由圖2曲線可知，鍍層的沉積速率隨KOH濃度的增加而下降，KOH的增高降低了還原劑的還原速率，同時它也阻礙了還原劑的分解，使還原劑避免了更多的無謂消耗，減少了副反應。證實這一結(jié)論的也是上面提到的簡單現(xiàn)象：當加了堿的還原劑溶液即使是稍稍加熱，也不會或很少出現(xiàn)分解的氣泡。如果說KCN是金有效的穩(wěn)定劑，KOH就是還原劑有效的穩(wěn)定劑。雖然KOH的加入一定程度上降低了沉積速率，但從總體上看，它卻延緩了鍍液的壽命，增加了鍍液的使用周期。由兩條曲線看出，KOH含量相同變化時，還原劑含量高的曲線沉積速率降低的趨勢較為平緩，即在不同配方下KOH的影響大小不一。由實驗曲線可找到較合適的KOH/還原劑比例。

　　5、KCN的影響

　　KCN是控制金析出速率及表面狀態(tài)的重要組份，是化學鍍金液中重要的穩(wěn)定劑。KCN是金最好的絡合劑是眾所周知的。它對金沉積速率的影響如圖3所示：(所用配方見表1)圖3所示的結(jié)果并未出乎我們的意料之外，KCN作為金的穩(wěn)定劑及絡合劑，其濃度的增加必然降低金的還原速率。KCN濃度太低時，保證不了溶液的穩(wěn)定性，即使在較高的KOH濃度下，金也會析出，鍍液因此報廢。KCN的濃度與KOH及還原劑之間也有

　　較合適的配比。在合適配比下，鍍液相對穩(wěn)定，鍍覆速率較快。實驗表明，KCN濃度大于5g1時，析出的金有較好的表面及色澤;而當KCN濃度較低時，金鍍層表面粗糙，色澤較暗，鍍液在鍍覆過程中甚至會分解。

　　6、溫度的影響

　　很顯然，溫度直接影響鍍覆速度，鍍覆速度隨溫度的升高而增加。當溫度低于60℃時，沉積反應幾乎不進行，鍍覆速度很低;而當溫度高于65℃時，反應的氣泡較多，沉積開始進行，鍍片開始變得金黃。

　　在70~85℃時鍍覆速度最高，當溫度高于85℃時，溶液趨于分解。溫度范圍一般控制在70~80℃間較為合適。

　　7、超聲攪拌的影響

　　在前面實驗的基礎上，可找到較好的配方，但對于形狀復雜的微波器件來說，僅有較好的配方是不夠的。微波器件內(nèi)表面復雜，化學鍍液雖然能夠到達內(nèi)面，但因循環(huán)不夠，內(nèi)表面鍍覆的金鍍層厚度很薄，與外面的金層厚度相差較遠。造成在一定時間內(nèi)，內(nèi)外厚度不勻，內(nèi)層厚度達不到使用要求。當進行鹽霧試驗時，里面基體先腐蝕，外表面保護層即使很厚也起不到保護作用。由此看來，使內(nèi)外金層厚度相對較均勻、致密是保護基體的關(guān)鍵之一。由各種配方得到的攪拌與不攪拌對比曲線如下圖4：

　　由圖4實驗結(jié)果可看出相同配方下超聲攪拌的影響。該工藝的使用增加了鍍液的鍍覆速度。當超聲波中交變壓力的峰值大于氣壓力時，所產(chǎn)生的“空化”現(xiàn)象使溶液可深入到鍍件的深孔處，使新鮮溶液得以不斷循環(huán)到鍍件內(nèi)表面，使內(nèi)外鍍層厚度相對較均勻。實驗發(fā)現(xiàn)，超聲波頻率的大小影響很大。

　　當頻率過大時，“空化”現(xiàn)象引起的是負面效果，它會直接影響金層表面質(zhì)量，在金層表面留下“斑點”樣的腐蝕點。顯然，此種鍍層致密性達不到要求。當頻率再大時，鍍液還會分解。本研究認為，超聲頻率較小較為合適。目前此項技術(shù)的機理尚不清楚，還在研究當中。而超聲波的“空化”現(xiàn)象無疑使造成化學鍍覆特殊效果的原因。

　　鍍液的維護

　　化學鍍液中因還原劑的不斷消耗，一般用上幾個周期后就需適當添加以保證溶液的鍍覆速度。沉積速率每2周期降低較多，當發(fā)現(xiàn)試片放入鍍液中后反應的氣泡較少時，就需要添加一定量的還原劑。當金沉積出較多時，可適量添加金鹽，但一般情況下，需要添加金之前，鍍液已需要回收?；瘜W鍍金液普遍壽命較短，造成成本相對較高，一般現(xiàn)用現(xiàn)配。

　　鹽霧腐蝕試驗

　　試驗按GB/T10125-1997進行。

　　2.7.1儀器：FQYO10鹽霧腐蝕試驗箱(上海實驗儀器總廠生產(chǎn))

　　2.7.2試驗條件：鹽溶液組成NaCI(AR)50±5g1，pH(25℃)6.6~7.2，35±2℃，1~2ml/h.80cm2。

　　通過表2可看出，鍍層沉積的狀態(tài)直接影響鍍層抗鹽霧腐蝕的能力。超聲攪拌工藝的使用，能在較好的沉積參數(shù)下得到更致密的鍍層。

　　鍍層結(jié)合力

　　用傳統(tǒng)的彎曲試驗、鏈刀試驗和劃痕試驗檢驗鍍層結(jié)合力表明用該法制備的金鍍層與基體金屬的結(jié)合力優(yōu)良。符合使用要求。

　　結(jié)論

　　(1)化學鍍金沉積速率一般較低，但可通過合適的KCN/KOH/還原劑配比來控制，在較佳配方下獲得較高的沉積速率。

　　(2)采用特殊工藝，如采用超聲波攪拌進行鍍覆，可達到在微波器件復雜表面制備相對均勻涂層的目的。該方法的使用提高了鍍層的沉積速度，縮短了鍍覆周期。通過平行鍍覆的解剖樣件分析，用該技術(shù)鍍覆的微波器件的最深、最長的套管內(nèi)壁上已均勻沉積上一層金層。

　　(3)鹽霧試驗結(jié)果表明，在配方較佳的情況下，合理控制工藝參數(shù)是獲得優(yōu)良鍍層的關(guān)鍵。在控制好各個參數(shù)下可得到結(jié)合力優(yōu)良、表面致密的鍍層，可以耐受長時間的鹽霧腐蝕。

　　(4)對該技術(shù)及其它特殊工藝的化學鍍金研究還有待繼續(xù)深入進行。