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温度对微波器件镀层结构的影响

2011-03-18 来源：武汉凡谷电子职业技术学校字号：大中小

摘要：现代移动通信所使用的微波器件，基于微波的传导特性而对器件的表面特性有很高的要求，如表面光亮度和表面金属组织结构。通常都是采用电镀来获得这种表面结构，致密细小的结晶有利于微波的传导。微观观测表明，温度对镀层的结晶大小有明显影响。例如镀银，只有当温度在30℃以下时，才能获得细致的镀层。这也是微波器件镀银工艺需要采用低温控制系统的原因。

关键词：微波;镀银;微观结构;温度控制

中图分类号：TQ153文献标识码:A

文章编号：1001-3849(2010)08-0026-04

引言

微波器件是现代通信中的重要电子器件，在移动通信基站中有广泛应用。特别是波导等微波信号传输结构，由于对信号的损耗有严格要求，因此，要求微波产品的各个制造环节都要有严格的工艺控制，以保证整机产品的通信质量。基于微波的表面传导效应，微波器件产品的表面状态对微波传导有直接影响，从而使需要电镀的微波产品构件对镀层的质量提出了严格的要求。

基于对金属导电性的物理学认识，在工艺上对微波器件的电镀层，曾经提出了较厚的镀层要求和光亮性要求。以期减小导波电阻率和提高表面反射率。研究表明，对于微波传导，对镀层厚度的要求与微波频率有关。而对光亮度的要求，则主要与镀层的微观组织结构有关。控制工艺参数，就可在一定程度上控制镀层的结晶情况。在实际工艺管理中，人们过多地注意光亮剂与电流密度的影响，对其他工艺参数的关注相对较少。最新的研究资料显示，温度对金属电沉积的结晶状态有明显影响。本文拟根据这些资料所显示的温度对镀层微观结构的影响，就微波制品电镀中对温度进行控制的重要性，做出简要说明，仅供电子电镀界同仁参考。

1·温度对镀层微观结构的影响

1．1温度对电极过程的影响

温度对电极过程有影响是众所周知的。有多个与电极体系和电极过程有关的方程都有温度因子出现在相关的因数项中。一般说来，离子和分子一样存在热运动加速的现象。提高温度也会增加了溶液的电导。在低温下，离子的活泼性下降，溶液的粘度增加，导致电导降低。加温可以提高电导率。同时，随着电解液温度的升高，电极反应的过电位下降，反应容易进行。而温度降低则可以增加电极的电化学极化。

在低过电位(η＜0．01V)下，过电位与电流密度有如下关系:η=［RT/(J0nF)］J式中:η为过电位，V;T为热力学温度，K;R为气体常数，8．314J/mol·K;n为电子转移数，F为法拉弟常数，96500C/mol;J为电流密度，A/dm2;J0为交换电流密度，A/dm2。很容易看出电极反应的过电位与电流密度有直接关系，符合欧姆定律，呈直线关系。但是作为这个方程斜率项的组合中，有着温度的身影，它的变化，对方程中的各个变量，都有不小的影响。

1．2温度对镀层微观结构的影响

温度是电镀工艺控制中一项重要的参数。很多镀种对温度都比较敏感，只有在较狭小的温度范围内才能得到满意的镀层。比如镀铬，温度对其镀层的硬度和色泽有很大影响。以往对温度的这种敏感性没有给以足够的注意，主要是因为温度参数是所有电镀工艺参数中最容易控制的，一套温度自动控制系统就可以将电镀的工作温度控制在工艺范围内。由于温度控制不当而引起的镀层质量故障的比例是很小的。但是，当我们了解了温度对镀层微观结构的影响以后，可能要重新认识温度参数对电镀的意义。特别是对镀层微观结构有定性要求的功能性镀层，温度影响是非常重要的。

2·温度对镀层微观结构影响的示例

2．1镀银

图1是镀银层微观结构随温度变化的情况。在宏观上很少能这么直观地感觉到温度对结晶程度有如此重要的影响。在电镀工艺中，除了某些光亮镀层对温度有较为严格的要求，达不到相应的温度，光亮效果会较差以外，多数镀种对温度没有严格的控制。这显然是错误的。特别是银镀层，将镀液温度控制在30℃以内是正确的。从图1可以看出，当镀液温度升到40℃，镀层的结晶明显变粗。这对于对电性能有要求的电子产品，特别是微波器件产品，将有较大影响。

因此，微波电子电镀银的镀槽，基本上都装有降温装置，保证镀液的温度控制在30℃以内。这是因为结晶细致的银镀层有更好的导电和导波性能，对于电子电镀有重要意义。同样的理由对印制板电镀也很重要。过粗的结晶对印制板的孔金属化镀层性能有着重要影响。比如镀层变形时的机械性能等。对于微孔印制板，孔内镀层如果结晶粗糙，比如结晶颗粒尺寸达到几个μm，则在受热或受力变形等机械作用影响下，会出现孔位镀层的断裂，从而导致导通方面的故障。

2．2镀镍

图2是几种镀镍液在不同温度下的微观结晶大小的比较。同样显示出过高的温度会使镀层的结晶变得粗大。这种倾向因镀液组成的不同而有所不同。相对氯化物镀液，硫酸盐镀镍液中镀层结晶受温度的影响要小一些。氯化物镀镍在30℃以内结晶是细化的，且比较平滑。到了50℃，结晶明显变粗，由图2中温度达到90℃时的情形可知，单个结晶颗粒的大小可达到1μm以上。并且结晶长大时的形态呈现不规则的金字塔形，并且当温度达到90℃时，结晶颗粒呈明显的规则的金字塔形，这时镀层的硬度和脆性都明显地提高。

2．3温度对镀锡层微观结构的影响

温度对镀锡层的微观结构影响最为明显，图3是镀锡层在不同温度下的形貌变化。在20℃时，结晶细致平滑，到40℃时略有变粗，到60℃以上就明显成为粗粒结晶。

因此，采用较高温度的碱性镀锡不适合于电子产品的电镀，而酸性镀锡则需要有温度控制装置，这不仅是因为有些镀锡光亮剂需要在较低温度下才起作用，而且是保证镀层结晶细致的重要工艺措施。

3·温度影响微观结构的简单探讨

从以上诸图中已经很直观地从微观角度看到了温度对镀层晶粒大小的影响。对于晶粒生长的机理和影响因素，有许多种模型和假说。但是，对于温度对镀层结晶的晶粒大小显著的影响，讨论的较少。

实际上，可以从其他影响晶粒成长因素的模式，来推测温度对结晶的影响。一般认为，金属结晶晶粒大小受晶核成核的速度和晶核长大的速度这两个速度的影响。当晶核成核速度大于晶核长大速度，结晶就细小而致密;相反，如果成晶核长大的速度大于成核的速度，则镀层的结晶就会粗大。同时，结晶晶核需要有一定过电位才会形成，当晶面生长时，过电位会有所下降，如此往复进行。镀层晶格整齐地一层一层地长大。但是，实际上很少能得到整齐完满的结晶镀层。这是因为无论是金属镀层生长的基体表面还是新生的镀层结晶面，都不同程度地存在晶体缺陷和错位，结晶是螺旋式生长的。这些缺陷和错位为晶体成长提供了一种无需晶核就能从缺陷面上长大的机会，而从微观上看，这种机会是很多的。这样就会出现如图4所示的情况，即从基体缺陷上生长出来的面会长大得更快，直至消失。从图2镀镍微观结构中看到的金字塔，可能是这种情形的印证。另外，影响晶粒长大和晶面生长的另一个重要因素是能进入晶格的原子的供应量，这就与传质和电子的供给又有着重要关系。而传质是明显受温度影响的。

再则，从过电位的变化，也很容易理解温度升高使镀层晶粒变粗的的原因，这就是温度加速了快速成长晶面的成长速度，因为温度升高使金属结晶的过电位降低，使晶粒成长的速度加快，大于晶粒生成的速度。结晶变得粗大。