電鍍技術(shù)的本質(zhì)？為什么電鍍在微型制造中具有優(yōu)勢

智能化時代的電子產(chǎn)品越來越趨向輕量化和微型化。這是因為便攜式電子產(chǎn)品的應(yīng)用越來越多，智能手機就是一個典型例子。更多輕便和微型化的電子產(chǎn)品正在涌現(xiàn)。包括可穿戴電子產(chǎn)品和各種內(nèi)置芯片的微型產(chǎn)品都已經(jīng)上市。這將是相當長一個時期電子產(chǎn)品的流行趨勢。

電子產(chǎn)品的輕量化和微型化給現(xiàn)代制造提出了許多新課題，從材料到表面處理等都需要有新的技術(shù)支持。特別是在制造過程中，一些新材料的應(yīng)用需要有金屬鍍層助其實現(xiàn)功能指標。這就給表面技術(shù)提出了一些新的挑戰(zhàn)，應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，電鍍技術(shù)有其獨到的優(yōu)勢，這是令許多人沒有想到的。

從材料的角度，鋼鐵已經(jīng)退出工業(yè)材料主角的地位，鋁及其合金、鈦及其合金在現(xiàn)代電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的輕量化過程中早已經(jīng)成為主角。將鋁和鈦的優(yōu)點組合起來的鋁鈦合金也開始進入應(yīng)用時代，這些材料的表面處理工藝中，電鍍?nèi)匀皇侵匾x項。元素周期表中的元素的應(yīng)用也正在向更多外層電子的元素發(fā)展，一些稀有元素的組合正在經(jīng)新材料的發(fā)現(xiàn)提供新思路。包括液態(tài)金屬的應(yīng)用，也已經(jīng)提到議事日程。 新材料開發(fā)的一個重要領(lǐng)域是復(fù)合材料，包括工程塑料和纖維強化樹脂材料，這也是產(chǎn)品輕量化的重要技術(shù)支持。而這類材料在用于電子產(chǎn)品時，導電和導波成為一個問題，這就需要表面金屬化技術(shù)。而表面金屬化技術(shù)中，最具有優(yōu)勢的還是電鍍技術(shù)。 本文結(jié)合電鍍技術(shù)的原理與工藝特點，通過若干應(yīng)用說明電鍍技術(shù)在現(xiàn)代制造中不可或缺的作用，從而引起各個環(huán)節(jié)對電鍍在現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)鏈中的地位的重視，希望從包括基礎(chǔ)教育和科研、環(huán)境保護在內(nèi)的各個方面，重視對電鍍產(chǎn)業(yè)的投入。

電鍍技術(shù)的本質(zhì)

我在最近一次技術(shù)培訓中對電鍍技術(shù)提出了一個新的定義，從而突出了電鍍技術(shù)的本質(zhì)，解讀了為什么電鍍在微型制造中具有優(yōu)勢。

我們來看電鍍技術(shù)的新定義：

“電鍍技術(shù)的本質(zhì)是操控電子進入離子的空軌道、使離子還原為原子進而組裝成為金屬結(jié)晶、最終形成金屬鍍層的過程?！?/p>

顯然，從電鍍的本質(zhì)可以看出，電鍍的要點是從原子級別進行的加法制造。從而在金屬原子形成結(jié)晶的過程中就對這一過程加以干預(yù)。從工藝控制的角度，可以通過改變電流密度、溫度、離子濃度等參數(shù)影響結(jié)晶過程，還可以通過添加劑的方式影響結(jié)晶過程，或者外加物理場影響結(jié)晶過程（例如電磁場、超聲波場等），從而獲得不同結(jié)晶結(jié)構(gòu)的最終鍍層，以適應(yīng)不同產(chǎn)品設(shè)計對表面功能的預(yù)期。電鍍過程還可以形成多種合金，復(fù)合鍍層等等。這些特點是其他制造方法不可替代的。

以溫度的影響為例，許多電鍍工藝都規(guī)定了電鍍加工過程中電鍍液應(yīng)該保持的溫度范圍。這是因為溫度對金屬原子的結(jié)晶過程有明顯影響。電極過程方程（即能斯特方程）中，溫度就是一個重要參數(shù)。實際電鍍過程表明，溫度對結(jié)晶大小有很顯著的影響。本文引用的不同鍍鎳液在不同溫度下的結(jié)晶形貌電鏡圖，直觀地顯示出這種影響。

從圖示可知，硫酸鹽、瓦特鎳（硫酸鹽+氯化物）和氯化物三種鍍液都表明在高溫時結(jié)晶顆粒明顯是增大的。通常在較低溫度下，鍍層結(jié)晶會較為細致。這也是有些鍍種要求使用冷凍機等降溫裝置的原因。例如酸性光亮鍍銅，如果不采用降溫措施，將難以獲得光亮鍍層；而功能性鍍銀等要求在較低溫度下進行電鍍生產(chǎn)，才能保證鍍層結(jié)晶的導波效果最好。這對微波波導等對導波性能有較高要求的產(chǎn)品，是非常重要的。 除了溫度，電流密度、離子濃度與形態(tài)、無機或有機添加劑都對結(jié)晶過程有影響，從而可以通過調(diào)整這些參數(shù)來獲得所需要的結(jié)晶狀態(tài)，實現(xiàn)產(chǎn)品所需要的功能。 技術(shù)的生命力在于創(chuàng)新，采用物理場影響電鍍過程也是一個選項。另一個重要的創(chuàng)新領(lǐng)域是電鍍裝備。例如可以在一次電力線分布的電極、槽體形態(tài)、掛具改進等方面提供對穩(wěn)定的結(jié)晶過程以保障。這都表明電鍍技術(shù)具有適應(yīng)現(xiàn)代制造的寬大裕度。 通過對電鍍過程的解析，使我們認識到電鍍過程是從原子級別進行的結(jié)晶干預(yù)和鍍層構(gòu)建，因此可以在微小的表面實現(xiàn)所需要的電鍍層。這是其他表面處理方法難以做到的。這就是為什么電鍍技術(shù)在現(xiàn)代制造特別是微制造中有不可替代的優(yōu)勢的原因。對電鍍多少有點認識的人都以為電鍍就是金屬裝飾與防護作用，因而是可以被替代的。但是，電鍍在功能性方面的應(yīng)用卻越來越重要。即便是裝飾和防護，對于汽車、家電、潔具等多個行業(yè)，電鍍也都是不可替代的。 我在《芯片與電鍍》（本刊2018年第3期）一文中曾經(jīng)簡要介紹過電鍍技術(shù)在芯片制造中的應(yīng)用。本期進一步列舉一些在新材料表面應(yīng)用電鍍技術(shù)的例子，與讀者分享。

微波陶瓷電鍍

移動通信進入5G時代是當前最為熱門的話題。支持移動通信進步的是通信裝備的不停地升級換代。這種技術(shù)進步涉及大量硬件的疊代更替，最為明顯的是微波基站產(chǎn)品的變化。從1G時代的有如高壓線塔的基站鐵塔加地面機房的結(jié)構(gòu)，到4G時代的電線桿或高層建筑頂部“機頂盒”式的構(gòu)結(jié)，功能一代比一代強，結(jié)構(gòu)的體積卻一代比一代小。重量也隨之越來越輕。這使得基站建設(shè)和安裝的效率有了明顯提高。安裝工作的勞動強度顯著下降。以基站中用于信號接收的濾波器為例，第一代是銅制空腔鍍銀，以空氣為介質(zhì)，體積大而重，消耗大量銅材和貴金屬銀。到3G、4G時代已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化為鋁合金結(jié)構(gòu)，體積明顯減小，有些產(chǎn)品還可能采用樹脂腔體?，F(xiàn)在則開始大量采用微波陶瓷介質(zhì)。而無論哪種濾波器，為了提高導波能力和盡量減少信號損耗，都離不開鍍銀技術(shù)，這就需要用到鋁上電鍍技術(shù)、非金屬電鍍技術(shù)等。

說到非金屬電鍍技術(shù)，其中一個重要的領(lǐng)域是微波陶瓷電鍍。微波介質(zhì)陶瓷(MWDC)是一種功能陶瓷，主要作用是作為介質(zhì)材料應(yīng)用于微波頻段(300～3000GHz)電路中，是近30年來迅速發(fā)展起來的新型功能陶瓷，是現(xiàn)代通訊中廣泛使用的濾波器、介質(zhì)基片和諧振器等微波器件的關(guān)鍵材料。隨著航空、航天和通信廣播等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，大大促進了介質(zhì)元件微波特性的發(fā)展。微波介質(zhì)陶瓷因其特定的精細結(jié)構(gòu)和高強、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、絕緣、磁性等一系列優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于國防、化工、冶金、電子、機械、航空、航天、生物醫(yī)學等國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。微波陶瓷產(chǎn)品的下游應(yīng)用領(lǐng)域，如流體控制、半導體制造、醫(yī)療器械、打印設(shè)備、航空航天等，大多為國家政策扶持的支柱行業(yè)，發(fā)展前景良好。 微波陶瓷由于有極好的介電性能，制成陶瓷濾波器可以大大縮小濾波器的體積。從而在5G通信產(chǎn)品中有廣泛應(yīng)用。 傳統(tǒng)的微波陶瓷器件的表面鍍層是采用銀漿燒結(jié)法。這種老工藝生產(chǎn)效率低，消耗銀材多，而且在越來越小的器件表面難以獲得良好鍍層，而采用電鍍技術(shù)，則可以很好地滿足產(chǎn)品設(shè)計功能的要求。

陶瓷屬于非金屬材料，對其進行電鍍需要應(yīng)用非金屬電鍍技術(shù)。即對材料進行除油、粗化、活化和化學鍍處理，然后再進行電鍍加工。 由于對結(jié)合力有較高要求，除了采用化學粗化，現(xiàn)在已經(jīng)采用激光掃描法對微波陶瓷進行表面粗化處理，這對獲得較高的鍍層結(jié)合力是有意義的?；瘜W處理陶瓷所獲得的結(jié)合力小于10N/mm2。不能滿足有些特殊要求產(chǎn)品的需要。采用激光掃描可以在強光能量的作用下，去除陶瓷表面的污染雜質(zhì)的同時，調(diào)整表面的粗糙度，從而提高表面與鍍層的機械結(jié)合力。 激光束在表面掃描的間距對表面改性的效果有比較明顯影響。過密或過疏都會影響結(jié)合力。有資料顯示，掃描間距以1~4μm之間為宜。經(jīng)激光掃描處理的微波陶瓷與化學銅層之間的結(jié)合力達16N/mm2。 完成粗化后的微波陶瓷以清洗即可進行活化處理，通常是采用膠體鈀一步法活化，然后在化學鍍銅或化學鍍鎳中進行化學鍍，即可實現(xiàn)陶瓷表面的金屬化。有了化學鍍層的陶瓷產(chǎn)品可以按金屬材料的模式進行電鍍加厚或選鍍相應(yīng)功能鍍層，例如進行鍍銅后再鍍銀。從而可以使表面既有良好導波性能，又容易焊接。現(xiàn)在已經(jīng)有很多電子陶瓷器件采用了電鍍方法獲得鍍層。 隨著5G時代的到來，我們通過微波陶瓷電鍍這個例子可以看出，電鍍技術(shù)始終都是隨著工業(yè)的進步而進步，成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)鏈中一個不可缺失的環(huán)節(jié)。

可塑性材料電鍍

說到移動通信進入5G時代，人們對前不久三星電子和華為發(fā)表的可折疊屏手機一定印象深刻。這種柔性可折疊屏代表著一種材料的應(yīng)用趨勢，就是更方便地符合人體工學需要，將結(jié)構(gòu)的剛性轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝?。從而適合各種場合的轉(zhuǎn)變。配合這類可變形產(chǎn)品的附件，無論是金屬還是非金屬結(jié)構(gòu)，都有可能要用到電鍍技術(shù)，開發(fā)適合可塑性材料上的電鍍技術(shù)也就成為當代電鍍技術(shù)的課題之一。這一技術(shù)在可穿戴電子裝備中尤其重要。 說到可穿戴，就會想到服裝，自然也容易聯(lián)想到各種布料。特別是現(xiàn)代人造纖維技術(shù)，已經(jīng)接近甚至超越棉織物的程度。人造纖維在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中也有用武之地，無論是制作納米管還是用作屏蔽材料，都需要在纖維表面鍍覆銀等金屬鍍層。基于這種需要，纖維電鍍應(yīng)運而生。僅以電磁屏蔽為例。采用軟性鍍銀或鎳的尼龍纖維用于電子產(chǎn)品內(nèi)的屏蔽材料，比傳統(tǒng)的剛性隔離罩不僅占用的空間小，重量也減輕。用在會議室等需要屏蔽電信號入侵或外泄的幕布，也是首選。

纖維材料的表面金屬化唯有化學法是最為適合的，也就是化學鍍方法。這是因為各種布料本身有適合的印染技術(shù)與工藝，可以大批量地生產(chǎn)。又由于由電子還原出來的原子結(jié)晶極為細微，在有良好附著力時，鍍層可以與基材一起適應(yīng)柔性變形而不脫落。這是其他鍍覆方法無可比擬的優(yōu)勢。 除了纖維電鍍，在納米管制造、用于電池電極的柔性泡沫金屬制造，高能電容器可卷高介電塑料的電鍍，都要用到可塑性材料電鍍技術(shù)。

這一技術(shù)的要點是在這類柔軟材料表面獲得良好的粗化表面。這種場合的粗化概念與傳統(tǒng)粗化有重要區(qū)別，微觀粗糙度已經(jīng)不是衡量其結(jié)合力指標的重要參數(shù)，能否形成與鍍層之間的化學鍵合力才是關(guān)鍵。因此，選擇可在柔性材料表面生成特征鏈接的化學鍵是其后生成的鍍層可隨基材變形而變形的重要保證。

在新材料領(lǐng)域，一個最新也最奇特的液態(tài)金屬已經(jīng)進入人們視野。雖然對這種材料認識還處在探究階段，其應(yīng)用也還在探索中。但是，只要有新材料出現(xiàn)，就會有材料的表面或介質(zhì)面，也就有表面處理的需要。當然，說起液態(tài)金屬，人們也并不是完全陌生的，汞就是最常見的液態(tài)金屬。并且從電化學的角度，經(jīng)典的滴汞電極就對電鍍過程的研究做出過重要貢獻?，F(xiàn)在液態(tài)金屬已經(jīng)成為當下新材料應(yīng)用開發(fā)的一個新興領(lǐng)域，引起世界科學界的普遍重視。可喜的是，中科院和清華大學團隊在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得重要進展并處在世界領(lǐng)先地位。美國大片《終結(jié)者2》中的大反派T-1000 液態(tài)金屬機器人也許正在向我們走來。

微粒表面電鍍

我在《光伏產(chǎn)業(yè)與表面處理技術(shù)》（本刊2018年第二期）一文中曾經(jīng)有一節(jié)專門介紹過“金剛砂表面的化學鍍鎳”。是用于切割硅片的金剛石復(fù)合鍍線鋸電鍍中的一個前置工藝。雖然理論上裸砂也可以用于復(fù)合鍍，完全依靠物理包覆作用來實現(xiàn)與鍍層共沉積，但實際效果并不好，難以達到工業(yè)應(yīng)用的價值。因此才有了在金剛砂表面鍍覆化學鎳的工藝。經(jīng)化學鍍以后的金剛石能夠較好地與鍍鎳層形成復(fù)合鍍層，從而達成金剛石復(fù)合鍍的目標。 進一步研究表明，采用經(jīng)過化學鍍之后再加電鍍的方法，可以明顯提升金剛石微粒在鋼絲表面的復(fù)合度，增加微粒的上砂量和在鍍層中的固著力。鋼絲線鋸復(fù)合鍍中使用的金剛砂是極為細小的人造金剛石顆粒。平均粒徑在5~30μm。要在這么細小的金剛石表面獲得化學鍍鎳層確實是很困難的，需要在化學鍍工藝和操作工藝上有許多創(chuàng)新才行。在化學鍍金剛砂表面再電鍍鎳，可以進一步增強金剛砂在鋼絲表面復(fù)合鍍過程中的共沉積能力，進一步改善金剛石鋼絲鋸的切割力。這種在金剛石表面進行改性和增強的表面處理技術(shù)上，是電鍍、化學鍍等表面處理工藝的創(chuàng)新性應(yīng)用，顯示出電鍍技術(shù)在現(xiàn)代制造中的生命力。

在微粒表面獲得金屬鍍層，金剛石復(fù)合鍍只是一個比較典型的例子。隨著納米微粒應(yīng)用領(lǐng)域的增加，有些需要微粒表面具有某些金屬的性能。并且用非金屬微粒表面金屬化技術(shù)來實現(xiàn)微粒功能化，可以節(jié)約貴金屬材料和改善微粒在介質(zhì)中的分散能力。例如純銀粉微粒比重較大，成本較高，如果采用非金屬微粒表面化學鍍銀制成復(fù)合材料表面銀微粒，比重將明顯下降，有利于在溶劑中分散，可以更好地發(fā)揮功能微粒性能。 微粒的電鍍的要點是在完成化學鍍后，在特制的電鍍小滾桶內(nèi)低速小電流進行電鍍，使微粒在翻動中能保持連續(xù)地與陰極連接，從而在化學鍍層上生長出電鍍層。

結(jié)語

電鍍是表面工程技術(shù)中的一個重要分枝，有其獨特的技術(shù)特質(zhì)。自從誕生以來，一直伴隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展。在許多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。




審核編輯：劉清