【技术】解析影响接插件电镀金层分布的因素

时间： 2021-10-09 来源：长江连接器

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本文长江连接器将介绍有哪些因素会影响接插件电镀金层分布，供硬件工程师参考学习。

金属镀层在阴极上分布的均匀性，是决定镀层质量的一个重要因素，在电镀生产中人们总是希望能在镀件表面获得均匀的镀层。接插件中的插孔接触件，由于功能部位为插孔内表面，如果镀件内外表面镀层能分布一致，就可以最大限度地减少生产成本。但实际上不管是采用何种电镀液，总是存在着镀层厚度不均匀的现象。根据法拉第定律，在电镀过程中，电流通过电镀液(电解质溶液)时，在阴极上析出物质的量与通过的电量成正比。从这一点来讲，镀层在零件表面的分布取决于电流在阴极表面的分布，所以一切影响电流在阴极表面上分布的因素都影响镀层在阴极表面的分布[1]。另外，在电镀过程中，阴极上发生的反应，往往不是简单的金属析出，在伴随金属析出的同时常有析氢反应或其它副反应的发生，这说明镀层分布还要受到溶液性能的影响，同时也还涉及电流效率的问题。在接触体镀金的日常生产中，笔者发现：镀层在阴极上分布的均匀能力除了跟溶液的性质有关外，也与镀件形状、电镀方式的选择、电镀电源的选择、电流密度范围的选择以及镀件的装载量等因素密切相关。

影响镀层在阴极表面分布的因素
1.电流密度
任何镀液都有一个获得良好镀层的电流密度范围，镀金液也不例外。当电镀过程中电流密度超出工艺范围上限值过大时，往往会形成粗大的结晶颗粒，在此基础上获得的镀层较粗糙；而在低电流密度下操作时获得的镀层较细致。对于滚镀金或振动镀金而言，由于金镀液中金的质量浓度较低(一般为2 ~ 6 g/L)，电流密度在0.1 ~ 0.4 A/dm2之间进行操作时都能获得良好的镀层。但当采用上限电流密度操作时，阴极附近的[Au(CN)2]–就会缺乏，造成阴极上析氢反应加剧，电流效率就会降低。因此，用0.2 A/dm2的电流密度进行电镀与用0.1 A/dm2的电流密度进行电镀，在生产时间上并不是简单的倍数关系。
在采用滚镀和振动镀进行低速镀金的过程中，如果采用较高的电流密度，发生尖端效应的可能性增大。特别是在振动电镀时，由于在整个电镀金过程中镀件的尖端始终朝向阳极(振筛外面是阳极圈)，尖端效应就更为明显，镀件边缘或插针、插孔尖端处的镀层较厚而低端处镀层相对较薄，造成零件表面镀层厚度分布不均匀。因此在应用低速镀金工艺时，针对细长形状针孔接触体，一般都采用工艺中电流密度范围的下限进行操作，用小电流、长时间的电镀方式来获得镀层厚度相对均匀的镀层。

2. 电镀电源
在目前的接插件电镀行业中，常使用的电镀电源有3种：直流电源、脉冲电源和双向脉冲电源。目前使用最多的是直流电源。为使孔内镀金层厚度达到图纸要求，如果用传统的直流电源，孔外的镀金层厚度会比孔内的厚，特别是接触体中许多小孔零件，孔内、外镀层的厚度差更加明显。而采用周期性换向脉冲电源时，在电镀金过程中，当施加正向电流时，金在作为阴极的镀件表面沉积，镀件的凸起处为高电流密度区，镀层沉积较快；当施加反向电流时，镀件表面的镀层发生溶解，原来的高电流密度区溶解较快，可以在零件的凸起处除去较多的镀层，使镀层厚度均匀。
生产实践证明，采用周期性换向脉冲电源不但可以改善镀金层在接触体孔内、外表面的分布，同时对电镀时的整槽镀件的镀层均匀性也有较好的改善。表1是采用孔径为1 mm、孔深大于3 mm的接触件(名为接线导管)，按1.3μm厚度(图纸规定1.27μm)要求，以0.1 A/dm2的阴极电流密度，在两种不同电镀电源振动镀金后所检测出的镀层厚度数据。

3.镀件装载量
镀件装载量是否恰当，对于镀金层能否在镀件上均匀分布也十分重要。无论是采用振动电镀方式还是滚镀方式，若镀件数量较少而低于装载量下限时，在电镀过程中镀件容易受到导电不良的影响，而且镀层均匀性也会受到明显影响，必须加入一些陪镀件以保证镀件不会中途断电，同时也促使镀件均匀翻转。当镀件装载量较大时，镀件在滚筒或振筛中位置相互交换不够充分，一部分镀件始终处于高电流密度状态而其余的镀件则始终处于低电流密度状态，最终造成镀件之间镀层分布不均匀。因此，一般电镀生产厂都在工艺中规定了每槽镀件的装载量范围。通常按以下原则选择镀件装载量：
(1)镀件在滚筒或振筛中能完全连续导电，不会因为装载量过少而造成导电不良。
2)在滚筒或振筛中，镀件之间位置的相互交换状态良好。
3)镀件装载量一般为滚筒或振筛容积的1/3，不超过1/2。

4.电镀方式和电镀设备选择
针对不同形状的镀件，在选用电镀方式时应该有所区分。例如：对异型镀件和带有孔径大于1 mm非盲孔的细长形状接触体而言，一般适宜采用滚镀的方式；对于孔径小于1 mm的小型插针、插孔，特别是带有盲孔的接触体而言，一般适宜采用振动电镀的方式[2]。总之，对不同形状的零件采用合理的电镀方式对于镀金层分布的均匀性十分重要。另外，在电镀过程中为了减小镀液浓差极化，应重视镀液的搅拌。对于镀金液而言，一般采用循环过滤的方式。在传统的滚镀电镀生产过程中，用于电镀细小针孔接触体的滚筒为了防止针尖插在滚筒壁上，滚筒壁上的滤液孔往往设计得很小，滚筒内外的溶液不能迅速交换(见图1)，电镀时由于阴极附近的[Au(CN)2]–不能得到迅速补充，镀液很容易产生浓差极化，从而影响分散能力，最终影响到镀层的均匀性。

近几年来出现的新滚镀生产线，针对传统样式滚筒的缺点进行了改进。新式滚筒除了在阴极接点方式上把导电辫改为导电钉外，与旧滚筒之间最大的区别是新滚筒设计有喇叭形溶液进口，使用时可以与镀液循环过滤泵出液口对接，便于加速滚筒内、外溶液循环，减小电镀过程中镀液的浓差极化
采用旧式滚筒电镀的样件，镀件前后端镀层厚度差超过0.2μm；而采用新式滚筒电镀的样件，镀件前后端镀层厚度差仅为0.07μm左右。笔者所在公司某类高频连接器外壳A与外壳B，要求内孔4 ~ 6 mm处厚度要达到0.38μm的深孔镀金件。使用传统滚镀生产线以旧式滚筒电镀时，若要使镀件孔内金属厚度符合上述要求，则外表面金层厚度将分别达到0.5 ~ 0.9μm与1.5 ~ 2.0μm左右，金材浪费较大；采用新滚镀生产线以新式滚筒电镀后，在孔内检测点金层厚度达到0.38μm时，镀件外表面的厚度可以降低到0.6 ~ 0.7μm。这说明在镀层厚度分布上，采用改进后的新式滚筒镀出的镀件，镀层厚度比较均匀，这也说明电镀设备的改进可以改善镀金层在镀件表面的分布，使镀层更为均匀。

5.基体形状
镀件的基体形状不同，则镀层的均匀性也不同。越是细长或孔越深的接触件，其镀层的均匀性越差。另外，在接触体中的部分插孔件，插孔开口处缝隙宽度大于孔壁厚度，由于在电镀过程中镀件不断翻转，不可避免地会出现部分镀件之间相互对插的现象(见图3)，这对电镀质量影响很大。因为对插易造成插孔镀后孔内“黑孔”，镀层厚度分布不均匀，在互相对插的部位镀层较薄甚至没有镀层。为达到用户要求，操作者不得不在生产过程中将对插的零件拔开，然后反复加镀，造成人力、物力的浪费，并且也可能因为厚度不够的问题而造成用户退货，从而损失更大。
对插后试样的镀层厚度受到明显影响。为减少上述情况的发生，可对该类镀件的生产流程进行重新调整。将这类插孔收口后再进行电镀，以杜绝电镀时在劈槽口产生对插的现象。以某种插孔为例，镀金后孔内厚度要求达到0.1μm。
以前的生产工序流程是：电镀工序除油─酸洗─钝化─电镀─成品工序收口后装配。由于在电镀过程中镀件相互对插，导致部分镀件孔内金层厚度达到0.2μm以上，部分镀件孔内没有镀金层。后将生产工序流程改为：电镀工序除油─酸洗─钝化─成品工序收口─电镀工序电镀─成品工序装配，镀件对插的问题得以解决。表4是工艺改进前、后，该插孔镀金后的镀层分布情况对比。
按原生产工序进行镀金操作时，由于要考虑电镀时镀件对插的影响，为了保证镀金后孔内厚度按要求达到0.1μm，大部分镀件的金层超厚，造成生产成本浪费；而改进生产工序后，镀层平均厚度明显下降。由此可见，当镀件的基体形状影响到镀层分布时，在不能及时改变镀件设计尺寸的情况下，如果采取合适的工艺流程也可以改善镀金层在零件表面的分布，同时达到节约生产成本的目的。

结论
(1)镀层在镀件表面分布的均匀性与镀液的性能、镀件表面电流密度分布的情况有一定的关系。另外，镀层的均匀性还要受到电镀方式、电镀设备性能、镀件装载量以及镀件生产流程的影响。
(2)选择分散能力较好的镀液，采用性能优良的电镀设备，选择适合镀件形状的电镀方式和电镀生产流程，以较低的电流密度也可以获得比较均匀的镀层。

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