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新型涂層工藝——電鍍

發(fā)布時(shí)間：2021-12-21 16:54:33 瀏覽次數(shù)：

1. Ni-Co合金鍍層

Ni-Co合金鍍層具有優(yōu)異的高溫耐磨性能，已經(jīng)成功應(yīng)用到鋼廠連鑄連軋機(jī)的關(guān)鍵部件結(jié)晶器表層,大幅度提高了結(jié)晶器的使用壽命。連鑄結(jié)晶器的工作θ在350℃左右。連鑄結(jié)晶器應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性,同時(shí)還需承受與鋼坯之間的摩擦。為此,連鑄結(jié)晶器通體采用銅合金制造，并在結(jié)晶器與鋼坯相接觸的表面制備層厚度在數(shù)毫米的高溫耐磨材料層。

Ni-Co合金鍍層優(yōu)異的高溫耐磨性能正適應(yīng)了結(jié)晶器對(duì)與鋼坯相接觸表面的高溫耐磨性要求。目前，Ni-Co合金鍍層已經(jīng)大量應(yīng)用在連鑄結(jié)晶器表層鍍層材料(圖1)。

2.電鍍納米金屬多層膜

納米金屬多層膜是一-種由厚度在納米尺度的不同金屬層交替疊加形成的金屬多層膜。由于構(gòu)成納米金屬多層膜的各金屬材料層的厚度在納米尺度,這類薄膜材料往往表現(xiàn)出納米材料獨(dú)特的力學(xué)性能、電磁學(xué)性能和光學(xué)性能。天津大學(xué)姚素薇等采用電鍍技術(shù)制備了Ni80Fe20/Cu納米多層膜(圖2)。當(dāng)多層膜結(jié)構(gòu)[ NiFe( 16 nm )/Cu(26nm)]為80層時(shí)，巨磁電阻GMR值可達(dá)64%。

3.復(fù)合鍍技術(shù)

復(fù)合鍍技術(shù)通過將無機(jī)材料以及高分子材料的粉體加入鍍液中，攪拌使之在鍍液中均勻分散，伴隨著電鍍或化學(xué)鍍過程的進(jìn)行將這類粉體包埋進(jìn)鍍層,形成復(fù)合鍍層材料。

這類復(fù)合鍍層材料兼具基體金屬材料及彌散分布于基體金屬中的無機(jī)或高分子材料的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能.采用化學(xué)復(fù)合鍍的方法制備(Ni-P)-ZrO2復(fù)合鍍層的成分及鍍層斷面的掃描電鏡照片如圖3所示。

由圖3可以看出,ZrO2顆粒在Ni-P合金基體中均勻分布。這種(Ni-P)-Zr02復(fù)合鍍層的硬度超過600HV (圖4)，熱處理后的硬度更超過900HV。

改變復(fù)合鍍層中基體金屬或復(fù)合顆粒，可以得到不同性能的復(fù)合鍍層。將圖4中的ZrO2顆粒換成SiC顆粒，同樣采用化學(xué)復(fù)合鍍的方法制備的(Ni-P)-SiC化學(xué)復(fù)合材料鍍層,熱處理后的硬度可達(dá)1200HV[16)(圖5)。

為了改善純Ni鍍層的摩擦學(xué)性能，將具有自潤滑性能的聚四氟乙烯( PTFE)顆粒與Ni復(fù)合，可以制備出具有良好自潤滑特性的Ni-PTFE復(fù)合鍍層。

圖6為Ni-PTFE復(fù)合鍍層中PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦系數(shù)的影響。由圖6可以看出，隨著鍍液中PTFE顆粒濃度的增加，Ni-PTFE復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)不斷降低，最低接近0.06。

目前，應(yīng)用于復(fù)合電鍍的基質(zhì)金屬以及復(fù)合微粒的種類還非常有限。將更多種類的基質(zhì)金屬與更大范圍的微粒進(jìn)行復(fù)合鍍，相信會(huì)有性能更多樣化也更優(yōu)異的復(fù)合鍍層出現(xiàn)。

2印制板及電子封裝中電鍍技術(shù)的應(yīng)用

電鍍技術(shù)的最大特點(diǎn)，在于其制造過程是從原子、離子尺度開始，而且無需高溫高壓等苛刻條件，易于實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定位生長。電鍍技術(shù)的這一-特點(diǎn)，使其在印制板及電子封裝領(lǐng)域成為不可替代的關(guān)鍵技術(shù)。

1.芯片中的電鍍金屬互聯(lián)技術(shù)

摩爾預(yù)測(cè)，每隔24個(gè)月單位面積上集成晶體管的數(shù)量將翻倍。目前的集成電路技術(shù)處在22/20納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)。未來硅基晶體管還將繼續(xù)縮小，從現(xiàn)有的22納米技術(shù)代一.路發(fā)展到4納米技術(shù)代。目前，集成電路中接觸孔工藝已經(jīng)被局域互連技術(shù)替換。局域互連技術(shù)的關(guān)鍵在于第一層金屬圖形形成之前先形成通孔，再采用基于電鍍技術(shù)的雙大馬士革工藝同時(shí)填充金屬Cu(圖7圖8)。

2.三維電子封裝技術(shù)

隨著集成電路中晶體管數(shù)量的逐年成倍增加，三維集成與封裝技術(shù)越來越顯示出其重要性。目前，三維集成與封裝技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)在于三維疊層封裝以及封裝體的三維疊層，而鍵合技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)三維疊層的關(guān)鍵。由于金屬/焊料微凸點(diǎn)鍵合在電氣互連、散熱以及結(jié)構(gòu)支撐等方面具有的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為鍵合技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。高密度的微凸點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)金屬/焊料微凸點(diǎn)鍵合的基礎(chǔ)。將光刻掩膜技術(shù)與金屬電鍍技術(shù)相結(jié)合制備出的尺寸精確的凸點(diǎn)，完全能夠達(dá)到三維疊層對(duì)微凸點(diǎn)鍵合的要求(圖9)。

將集成電路晶片上的銅配線技術(shù)與多層聚酰亞胺印制板技術(shù)相結(jié)合形成的在多層印制板內(nèi)的IC封裝技術(shù)( Wafer And Board level Embedded Tech-nology，W ABE Technology@),可以制備出集成電路內(nèi)藏基板(圖10)。這一技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于新一代系統(tǒng)封裝以及手機(jī)基板。

3.超高密度印制板及層間互聯(lián)技術(shù)

近年市場(chǎng)上出現(xiàn)的各種新型便攜式電子產(chǎn)品已經(jīng)普遍采用超高密度印制電路板。這類產(chǎn)品中的超高密度印制電路板不僅是各種組件的承載平臺(tái),更借助于立體封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)整合(圖11)。

由印制線路的高密度化以及更高的接點(diǎn)密度形成的超高密度印制線路板已經(jīng)成為未來印制板技術(shù)的發(fā)展方向。超高密度印制板技術(shù)的關(guān)鍵在于任意層間的金屬互連技術(shù)。任意層間的金屬互連技術(shù)可實(shí)現(xiàn)超高密度印制板內(nèi)所有相鄰兩層之間的電氣連接。

通過電鍍銅技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高密度印制板內(nèi)任意相鄰兩層之間的盲孔連接，是目前應(yīng)用最為廣泛的任意層間金屬互連技術(shù)(圖12)。

3微電機(jī)系統(tǒng)中電鍍技術(shù)的應(yīng)用

微電子系統(tǒng)與微機(jī)械系統(tǒng)相結(jié)合形成的微電機(jī)系統(tǒng)( MEMS) ,其特點(diǎn)是尺寸微小，功能強(qiáng)大。

近年，隨著人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，MEMS產(chǎn)業(yè)已經(jīng)全方位快速滲透到軍事、醫(yī)療、生物、仿生學(xué)及航空航天等領(lǐng)域。構(gòu)成微電機(jī)系統(tǒng)的零部件尺度都在微米甚至納米。

電鍍技術(shù)是一一個(gè)從原子、離子尺度開始的材料制造以及零部件制造技術(shù)。電鍍技術(shù)與光刻蝕技術(shù)相結(jié)合發(fā)展而成的MEMS技術(shù),已經(jīng)成為MEMS領(lǐng)域的尖端技術(shù)(2426)。

圖13為采用電鍍MEMS技術(shù)制造的金屬部件照片，圖14為MEMS模塊中微小的機(jī)械部件照片,圖15為采用MEMS技術(shù)制造的納米泵技術(shù),圖16為EPSON公司采用MEMS技術(shù)制造的微型飛行器,圖17為采用MEMS技術(shù)制造的可移動(dòng)微型機(jī)器人。

4零部件及設(shè)備再制造中電鍍技術(shù)的應(yīng)用

零部件的失效表現(xiàn)在其尺寸偏離設(shè)計(jì)值。零部件失效導(dǎo)致設(shè)備不能正常運(yùn)行，甚至報(bào)廢。再制造的意義，在于對(duì)零部件實(shí)施再制造后，不僅零部件的尺寸恢復(fù)到最初設(shè)計(jì)值，而且失效設(shè)備的壽命超過新品。再制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)約型社會(huì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的需要。

由于電鍍技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)材料的定點(diǎn)、定位生長，制造過程也無需高溫、高壓。此外，現(xiàn)有的各種高性能鍍層制造技術(shù)(例如高溫抗氧化鍍層、耐磨鍍層及耐腐蝕鍍層等)也使得失效零部件的再制造成為可能。電鍍技術(shù)的上述特點(diǎn)使其成為零部件及設(shè)備再制造中的關(guān)鍵技術(shù)采用電鍍技術(shù)對(duì)失效泵的泵體、齒輪箱和蓋子等部件進(jìn)行再制造，再更換新的齒輪、軸、軸承、密封件、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子螺母，就完成了泵的再制造過程(圖18、圖19)。

采用電鍍技術(shù)對(duì)失效中央空調(diào)壓縮機(jī)[圖20(a)]的失效部件進(jìn)行再制造后[圖20(b)]，重新組裝的中央空調(diào)壓縮機(jī)[圖20(c)]的性能及壽命均超過新品。

5結(jié)束語

伴隨著21世紀(jì)高科技的大量涌現(xiàn)，電子零部件的微型化趨勢(shì)，以及國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，為電鍍技術(shù)的應(yīng)用提供了前所未有的大量機(jī)遇，同時(shí)也給電鍍技術(shù)的發(fā)展提出了

方面面的挑戰(zhàn)。電鍍工作者需要不斷拓展思路，大膽創(chuàng)新。可以相信，未來的電鍍技術(shù)將成為更多高技術(shù)領(lǐng)域的尖端技術(shù)。

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