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(shí)代的電子產(chǎn)品越來越趨向輕量化和微型化。這是因?yàn)楸銛y式電子產(chǎn)品的應(yīng)用越來越多，智能手機(jī)就是一個(gè)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(dāng)長一個(gè)時(shí)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(shí)現(xiàn)功能指標(biāo)。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(dú)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(diǎn)組合起來的鋁鈦合金也開始進(jìn)入應(yīng)用時(shí)代，這些材料的表面處理工藝中，電鍍?nèi)匀皇侵匾x項(xiàng)。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(gè)重要領(lǐng)域是復(fù)合材料，包括工程塑料和纖維強(qiáng)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(shí)，導(dǎo)電和導(dǎo)波成為一個(gè)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(diǎn)，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(gè)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(hù)在內(nèi)的各個(gè)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(xùn)中對電鍍技術(shù)提出了一個(gè)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(jìn)入離子的空軌道、使離子還原為原子進(jìn)而組裝成為金屬結(jié)晶、最終形成金屬鍍層的過程。”

顯然，從電鍍的本質(zhì)可以看出，電鍍的要點(diǎn)是從原子級(jí)別進(jìn)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(jì)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(diǎn)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?yàn)闇囟葘饘僭拥慕Y(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(gè)重要參數(shù)。實(shí)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(shí)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(huì)較為細(xì)致。這也是有些鍍種要求使用冷凍機(jī)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(jìn)行電鍍生產(chǎn)，才能保證鍍層結(jié)晶的導(dǎo)波效果最好。這對微波波導(dǎo)等對導(dǎo)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(jī)或有機(jī)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(shí)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(gè)選項(xiàng)。另一個(gè)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(jìn)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(rèn)識(shí)到電鍍過程是從原子級(jí)別進(jìn)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(shí)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(diǎn)認(rèn)識(shí)的人都以為電鍍就是金屬裝飾與防護(hù)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(hù)，對于汽車、家電、潔具等多個(gè)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(jìn)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(dòng)通信進(jìn)入5G時(shí)代是當(dāng)前最為熱門的話題。支持移動(dòng)通信進(jìn)步的是通信裝備的不停地升級(jí)換代。這種技術(shù)進(jìn)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(shí)代的有如高壓線塔的基站鐵塔加地面機(jī)房的結(jié)構(gòu)，到4G時(shí)代的電線桿或高層建筑頂部“機(jī)頂盒”式的構(gòu)結(jié)，功能一代比一代強(qiáng)，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(dòng)強(qiáng)度顯著下降。以基站中用于信號(hào)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(shí)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(dǎo)波能力和盡量減少信號(hào)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(gè)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(jìn)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(xì)結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)、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(jī)械、航空、航天、生物醫(yī)學(xué)等國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)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(dǎo)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(jì)功能的要求。

陶瓷屬于非金屬材料，對其進(jìn)行電鍍需要應(yīng)用非金屬電鍍技術(shù)。即對材料進(jìn)行除油、粗化、活化和化學(xué)鍍處理，然后再進(jìn)行電鍍加工。 由于對結(jié)合力有較高要求，除了采用化學(xué)粗化，現(xiàn)在已經(jīng)采用激光掃描法對微波陶瓷進(jìn)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(xué)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(qiáng)光能量的作用下，去除陶瓷表面的污染雜質(zhì)的同時(shí)，調(diào)整表面的粗糙度，從而提高表面與鍍層的機(jī)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(huì)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(xué)銅層之間的結(jié)合力達(dá)16N/mm2。 完成粗化后的微波陶瓷以清洗即可進(jìn)行活化處理，通常是采用膠體鈀一步法活化，然后在化學(xué)鍍銅或化學(xué)鍍鎳中進(jìn)行化學(xué)鍍，即可實(shí)現(xiàn)陶瓷表面的金屬化。有了化學(xué)鍍層的陶瓷產(chǎn)品可以按金屬材料的模式進(jìn)行電鍍加厚或選鍍相應(yīng)功能鍍層，例如進(jìn)行鍍銅后再鍍銀。從而可以使表面既有良好導(dǎo)波性能，又容易焊接?，F(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(shí)代的到來，我們通過微波陶瓷電鍍這個(gè)例子可以看出，電鍍技術(shù)始終都是隨著工業(yè)的進(jìn)步而進(jìn)步，成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)鏈中一個(gè)不可缺失的環(huán)節(jié)。

可塑性材料電鍍

說到移動(dòng)通信進(jìn)入5G時(shí)代，人們對前不久三星電子和華為發(fā)表的可折疊屏手機(jī)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(xué)需要，將結(jié)構(gòu)的剛性轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝浴亩m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(dāng)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(huì)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?；谶@種需要，纖維電鍍應(yīng)運(yùn)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(huì)議室等需要屏蔽電信號(hào)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(xué)法是最為適合的，也就是化學(xué)鍍方法。這是因?yàn)楦鞣N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(xì)微，在有良好附著力時(shí)，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(diǎn)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(biāo)的重要參數(shù)，能否形成與鍍層之間的化學(xué)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(xué)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(gè)最新也最奇特的液態(tài)金屬已經(jīng)進(jìn)入人們視野。雖然對這種材料認(rèn)識(shí)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(huì)有材料的表面或介質(zhì)面，也就有表面處理的需要。當(dāng)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(xué)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(xiàn)。現(xiàn)在液態(tài)金屬已經(jīng)成為當(dāng)下新材料應(yīng)用開發(fā)的一個(gè)新興領(lǐng)域，引起世界科學(xué)界的普遍重視?？上驳氖牵锌圃汉颓迦A大學(xué)團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得重要進(jìn)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(jī)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(xué)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(gè)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(shí)現(xiàn)與鍍層共沉積，但實(shí)際效果并不好，難以達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的價(jià)值。因此才有了在金剛砂表面鍍覆化學(xué)鎳的工藝。經(jīng)化學(xué)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(dá)成金剛石復(fù)合鍍的目標(biāo)。 進(jìn)一步研究表明，采用經(jīng)過化學(xué)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(xì)小的人造金剛石顆粒。平均粒徑在5~30μm。要在這么細(xì)小的金剛石表面獲得化學(xué)鍍鎳層確實(shí)是很困難的，需要在化學(xué)鍍工藝和操作工藝上有許多創(chuàng)新才行。在化學(xué)鍍金剛砂表面再電鍍鎳，可以進(jìn)一步增強(qiáng)金剛砂在鋼絲表面復(fù)合鍍過程中的共沉積能力，進(jìn)一步改善金剛石鋼絲鋸的切割力。這種在金剛石表面進(jìn)行改性和增強(qiáng)的表面處理技術(shù)上，是電鍍、化學(xué)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(gè)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(shí)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(xué)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(diǎn)是在完成化學(xué)鍍后，在特制的電鍍小滾桶內(nèi)低速小電流進(jìn)行電鍍，使微粒在翻動(dòng)中能保持連續(xù)地與陰極連接，從而在化學(xué)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(gè)重要分枝，有其獨(dú)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