微波器件化學(xué)鍍金研究

　　1、概述

　　本研究是在形狀復(fù)雜的微波器件內(nèi)外表面制備導(dǎo)電性好、能有效保護(hù)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(fù)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(xué)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(dǎo)電性材料，純金成為首選材料。

　　普通的化學(xué)鍍金技術(shù)一般用在半導(dǎo)體的管芯、管座和其它電子元器件上，厚度較薄，一般不超過(guò)1.5微米。近期雖有國(guó)外資料介紹沉積速率可達(dá)4~8微米的化學(xué)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(yù)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(jī)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(xué)鍍金溶液。

　　2、實(shí)驗(yàn)部分及結(jié)果討論

　　本研究實(shí)驗(yàn)通過(guò)懸掛平行試片進(jìn)行鍍覆模擬實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行鍍覆，溶液配制80ml。溶液放于恒溫槽中反應(yīng)。

　　3、還原劑的的影響

　　還原劑種類決定化學(xué)鍍金液的鍍覆速度及鍍層質(zhì)量。能將一價(jià)金化合物中的金較均勻還原出來(lái)，并在金作催化劑時(shí)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(yīng)，使反應(yīng)得以不斷進(jìn)行，使金層相對(duì)較厚。經(jīng)初期實(shí)驗(yàn)，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(yīng)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(shí)驗(yàn)以一種還原劑為代表進(jìn)行研究。

　　此還原劑的濃度對(duì)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(shí)的變化。實(shí)驗(yàn)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(dāng)還原劑濃度很高時(shí)（不同的配方下不同），溶液趨于分解，此時(shí)會(huì)有棕色的沉淀即金粉被還原出來(lái)。

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(shí)它也阻礙了還原劑的分解，使還原劑避免了更多的無(wú)謂消耗，減少了副反應(yīng)。證實(shí)這一結(jié)論的也是上面提到的簡(jiǎn)單現(xiàn)象：當(dāng)加了堿的還原劑溶液即使是稍稍加熱，也不會(huì)或很少出現(xiàn)分解的氣泡。如果說(shuō)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(shí)，還原劑含量高的曲線沉積速率降低的趨勢(shì)較為平緩，即在不同配方下KOH的影響大小不一。由實(shí)驗(yàn)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(xué)鍍金液中重要的穩(wěn)定劑。KCN是金最好的絡(luò)合劑是眾所周知的。它對(duì)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(luò)合劑，其濃度的增加必然降低金的還原速率。KCN濃度太低時(shí)，保證不了溶液的穩(wěn)定性，即使在較高的KOH濃度下，金也會(huì)析出，鍍液因此報(bào)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(duì)穩(wěn)定，鍍覆速率較快。實(shí)驗(yàn)表明，KCN濃度大于5g1時(shí)，析出的金有較好的表面及色澤;而當(dāng)KCN濃度較低時(shí)，金鍍層表面粗糙，色澤較暗，鍍液在鍍覆過(guò)程中甚至?xí)纸狻?/p>

　　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(dāng)溫度低于60℃時(shí)，沉積反應(yīng)幾乎不進(jìn)行，鍍覆速度很低;而當(dāng)溫度高于65℃時(shí)，反應(yīng)的氣泡較多，沉積開始進(jìn)行，鍍片開始變得金黃。

　　在70~85℃時(shí)鍍覆速度最高，當(dāng)溫度高于85℃時(shí)，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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可找到較好的配方，但對(duì)于形狀復(fù)雜的微波器件來(lái)說(shuō)，僅有較好的配方是不夠的。微波器件內(nèi)表面復(fù)雜，化學(xué)鍍液雖然能夠到達(dá)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(yuǎn)。造成在一定時(shí)間內(nèi)，內(nèi)外厚度不勻，內(nèi)層厚度達(dá)不到使用要求。當(dāng)進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)時(shí)，里面基體先腐蝕，外表面保護(hù)層即使很厚也起不到保護(hù)作用。由此看來(lái)，使內(nèi)外金層厚度相對(duì)較均勻、致密是保護(hù)基體的關(guān)鍵之一。由各種配方得到的攪拌與不攪拌對(duì)比曲線如下圖4：

　　由圖4實(shí)驗(yàn)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(dāng)超聲波中交變壓力的峰值大于氣壓力時(shí)，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(duì)較均勻。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲波頻率的大小影響很大。

　　當(dāng)頻率過(guò)大時(shí)，“空化”現(xiàn)象引起的是負(fù)面效果，它會(huì)直接影響金層表面質(zhì)量，在金層表面留下“斑點(diǎn)”樣的腐蝕點(diǎn)。顯然，此種鍍層致密性達(dá)不到要求。當(dāng)頻率再大時(shí)，鍍液還會(huì)分解。本研究認(rèn)為，超聲頻率較小較為合適。目前此項(xiàng)技術(shù)的機(jī)理尚不清楚，還在研究當(dāng)中。而超聲波的“空化”現(xiàn)象無(wú)疑使造成化學(xué)鍍覆特殊效果的原因。

　　鍍液的維護(hù)

　　化學(xué)鍍液中因還原劑的不斷消耗，一般用上幾個(gè)周期后就需適當(dāng)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(dāng)發(fā)現(xiàn)試片放入鍍液中后反應(yīng)的氣泡較少時(shí)，就需要添加一定量的還原劑。當(dāng)金沉積出較多時(shí)，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(xué)鍍金液普遍壽命較短，造成成本相對(duì)較高，一般現(xiàn)用現(xiàn)配。

　　鹽霧腐蝕試驗(yàn)

　　試驗(yàn)按GB/T10125-1997進(jìn)行。

　　2.7.1儀器：FQYO10鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱(上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠生產(chǎn))

　　2.7.2試驗(yàn)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(guò)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(yàn)、鏈刀試驗(yàn)和劃痕試驗(yàn)檢驗(yàn)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(xué)鍍金沉積速率一般較低，但可通過(guò)合適的KCN/KOH/還原劑配比來(lái)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(jìn)行鍍覆，可達(dá)到在微波器件復(fù)雜表面制備相對(duì)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(guò)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(zhǎng)的套管內(nèi)壁上已均勻沉積上一層金層。

　　(3)鹽霧試驗(yàn)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(gè)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(zhǎng)時(shí)間的鹽霧腐蝕。

　　(4)對(duì)該技術(shù)及其它特殊工藝的化學(xué)鍍金研究還有待繼續(xù)深入進(jìn)行。