摘要：現(xiàn)代移動(dòng)通信所使用的微波器件，基于微波的傳導(dǎo)特性而對(duì)器件的表面特性有很高的要求，如表面光亮度和表面金屬組織結(jié)構(gòu)。通常都是采用電鍍來獲得這種表面結(jié)構(gòu)，致密細(xì)小的結(jié)晶有利于微波的傳導(dǎo)。微觀觀測(cè)表明，溫度對(duì)鍍層的結(jié)晶大小有明顯影響。例如鍍銀，只有當(dāng)溫度在30℃以下時(shí)，才能獲得細(xì)致的鍍層。這也是微波器件鍍銀工藝需要采用低溫控制系統(tǒng)的原因。

    關(guān)鍵詞：微波;鍍銀;微觀結(jié)構(gòu);溫度控制

    中圖分類號(hào)：TQ153文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

    文章編號(hào)：1001-3849(2010)08-0026-04

    引言

    微波器件是現(xiàn)代通信中的重要電子器件，在移動(dòng)通信基站中有廣泛應(yīng)用。特別是波導(dǎo)等微波信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)，由于對(duì)信號(hào)的損耗有嚴(yán)格要求，因此，要求微波產(chǎn)品的各個(gè)制造環(huán)節(jié)都要有嚴(yán)格的工藝控制，以保證整機(jī)產(chǎn)品的通信質(zhì)量。基于微波的表面?zhèn)鲗?dǎo)效應(yīng)，微波器件產(chǎn)品的表面狀態(tài)對(duì)微波傳導(dǎo)有直接影響，從而使需要電鍍的微波產(chǎn)品構(gòu)件對(duì)鍍層的質(zhì)量提出了嚴(yán)格的要求。

    基于對(duì)金屬導(dǎo)電性的物理學(xué)認(rèn)識(shí)，在工藝上對(duì)微波器件的電鍍層，曾經(jīng)提出了較厚的鍍層要求和光亮性要求。以期減小導(dǎo)波電阻率和提高表面反射率。研究表明，對(duì)于微波傳導(dǎo)，對(duì)鍍層厚度的要求與微波頻率有關(guān)。而對(duì)光亮度的要求，則主要與鍍層的微觀組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。控制工藝參數(shù)，就可在一定程度上控制鍍層的結(jié)晶情況。在實(shí)際工藝管理中，人們過多地注意光亮劑與電流密度的影響，對(duì)其他工藝參數(shù)的關(guān)注相對(duì)較少。最新的研究資料顯示，溫度對(duì)金屬電沉積的結(jié)晶狀態(tài)有明顯影響。本文擬根據(jù)這些資料所顯示的溫度對(duì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響，就微波制品電鍍中對(duì)溫度進(jìn)行控制的重要性，做出簡(jiǎn)要說明，僅供電子電鍍界同仁參考。

    1·溫度對(duì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響

    1．1溫度對(duì)電極過程的影響

    溫度對(duì)電極過程有影響是眾所周知的。有多個(gè)與電極體系和電極過程有關(guān)的方程都有溫度因子出現(xiàn)在相關(guān)的因數(shù)項(xiàng)中。一般說來，離子和分子一樣存在熱運(yùn)動(dòng)加速的現(xiàn)象。提高溫度也會(huì)增加了溶液的電導(dǎo)。在低溫下，離子的活潑性下降，溶液的粘度增加，導(dǎo)致電導(dǎo)降低。加溫可以提高電導(dǎo)率。同時(shí)，隨著電解液溫度的升高，電極反應(yīng)的過電位下降，反應(yīng)容易進(jìn)行。而溫度降低則可以增加電極的電化學(xué)極化。

    在低過電位(η＜0．01V)下，過電位與電流密度有如下關(guān)系:η=［RT/(J0nF)］J式中:η為過電位，V;T為熱力學(xué)溫度，K;R為氣體常數(shù)，8．314J/mol·K;n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)，F(xiàn)為法拉弟常數(shù)，96500C/mol;J為電流密度，A/dm2;J0為交換電流密度，A/dm2。很容易看出電極反應(yīng)的過電位與電流密度有直接關(guān)系，符合歐姆定律，呈直線關(guān)系。但是作為這個(gè)方程斜率項(xiàng)的組合中，有著溫度的身影，它的變化，對(duì)方程中的各個(gè)變量，都有不小的影響。

    1．2溫度對(duì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響

    溫度是電鍍工藝控制中一項(xiàng)重要的參數(shù)。很多鍍種對(duì)溫度都比較敏感，只有在較狹小的溫度范圍內(nèi)才能得到滿意的鍍層。比如鍍鉻，溫度對(duì)其鍍層的硬度和色澤有很大影響。以往對(duì)溫度的這種敏感性沒有給以足夠的注意，主要是因?yàn)闇囟葏?shù)是所有電鍍工藝參數(shù)中最容易控制的，一套溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)就可以將電鍍的工作溫度控制在工藝范圍內(nèi)。由于溫度控制不當(dāng)而引起的鍍層質(zhì)量故障的比例是很小的。但是，當(dāng)我們了解了溫度對(duì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響以后，可能要重新認(rèn)識(shí)溫度參數(shù)對(duì)電鍍的意義。特別是對(duì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)有定性要求的功能性鍍層，溫度影響是非常重要的。

   2·溫度對(duì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)影響的示例

    2．1鍍銀

    圖1是鍍銀層微觀結(jié)構(gòu)隨溫度變化的情況。在宏觀上很少能這么直觀地感覺到溫度對(duì)結(jié)晶程度有如此重要的影響。在電鍍工藝中，除了某些光亮鍍層對(duì)溫度有較為嚴(yán)格的要求，達(dá)不到相應(yīng)的溫度，光亮效果會(huì)較差以外，多數(shù)鍍種對(duì)溫度沒有嚴(yán)格的控制。這顯然是錯(cuò)誤的。特別是銀鍍層，將鍍液溫度控制在30℃以內(nèi)是正確的。從圖1可以看出，當(dāng)鍍液溫度升到40℃，鍍層的結(jié)晶明顯變粗。這對(duì)于對(duì)電性能有要求的電子產(chǎn)品，特別是微波器件產(chǎn)品，將有較大影響。

    因此，微波電子電鍍銀的鍍槽，基本上都裝有降溫裝置，保證鍍液的溫度控制在30℃以內(nèi)。這是因?yàn)榻Y(jié)晶細(xì)致的銀鍍層有更好的導(dǎo)電和導(dǎo)波性能，對(duì)于電子電鍍有重要意義。同樣的理由對(duì)印制板電鍍也很重要。過粗的結(jié)晶對(duì)印制板的孔金屬化鍍層性能有著重要影響。比如鍍層變形時(shí)的機(jī)械性能等。對(duì)于微孔印制板，孔內(nèi)鍍層如果結(jié)晶粗糙，比如結(jié)晶顆粒尺寸達(dá)到幾個(gè)μm，則在受熱或受力變形等機(jī)械作用影響下，會(huì)出現(xiàn)孔位鍍層的斷裂，從而導(dǎo)致導(dǎo)通方面的故障。

    2．2鍍鎳

    圖2是幾種鍍鎳液在不同溫度下的微觀結(jié)晶大小的比較。同樣顯示出過高的溫度會(huì)使鍍層的結(jié)晶變得粗大。這種傾向因鍍液組成的不同而有所不同。相對(duì)氯化物鍍液，硫酸鹽鍍鎳液中鍍層結(jié)晶受溫度的影響要小一些。氯化物鍍鎳在30℃以內(nèi)結(jié)晶是細(xì)化的，且比較平滑。到了50℃，結(jié)晶明顯變粗，由圖2中溫度達(dá)到90℃時(shí)的情形可知，單個(gè)結(jié)晶顆粒的大小可達(dá)到1μm以上。并且結(jié)晶長(zhǎng)大時(shí)的形態(tài)呈現(xiàn)不規(guī)則的金字塔形，并且當(dāng)溫度達(dá)到90℃時(shí)，結(jié)晶顆粒呈明顯的規(guī)則的金字塔形，這時(shí)鍍層的硬度和脆性都明顯地提高。

   2．3溫度對(duì)鍍錫層微觀結(jié)構(gòu)的影響

    溫度對(duì)鍍錫層的微觀結(jié)構(gòu)影響最為明顯，圖3是鍍錫層在不同溫度下的形貌變化。在20℃時(shí)，結(jié)晶細(xì)致平滑，到40℃時(shí)略有變粗，到60℃以上就明顯成為粗粒結(jié)晶。

    因此，采用較高溫度的堿性鍍錫不適合于電子產(chǎn)品的電鍍，而酸性鍍錫則需要有溫度控制裝置，這不僅是因?yàn)橛行╁冨a光亮劑需要在較低溫度下才起作用，而且是保證鍍層結(jié)晶細(xì)致的重要工藝措施。

    3·溫度影響微觀結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單探討

    從以上諸圖中已經(jīng)很直觀地從微觀角度看到了溫度對(duì)鍍層晶粒大小的影響。對(duì)于晶粒生長(zhǎng)的機(jī)理和影響因素，有許多種模型和假說。但是，對(duì)于溫度對(duì)鍍層結(jié)晶的晶粒大小顯著的影響，討論的較少。

    實(shí)際上，可以從其他影響晶粒成長(zhǎng)因素的模式，來推測(cè)溫度對(duì)結(jié)晶的影響。一般認(rèn)為，金屬結(jié)晶晶粒大小受晶核成核的速度和晶核長(zhǎng)大的速度這兩個(gè)速度的影響。當(dāng)晶核成核速度大于晶核長(zhǎng)大速度，結(jié)晶就細(xì)小而致密;相反，如果成晶核長(zhǎng)大的速度大于成核的速度，則鍍層的結(jié)晶就會(huì)粗大。同時(shí)，結(jié)晶晶核需要有一定過電位才會(huì)形成，當(dāng)晶面生長(zhǎng)時(shí)，過電位會(huì)有所下降，如此往復(fù)進(jìn)行。鍍層晶格整齊地一層一層地長(zhǎng)大。但是，實(shí)際上很少能得到整齊完滿的結(jié)晶鍍層。這是因?yàn)闊o論是金屬鍍層生長(zhǎng)的基體表面還是新生的鍍層結(jié)晶面，都不同程度地存在晶體缺陷和錯(cuò)位，結(jié)晶是螺旋式生長(zhǎng)的。這些缺陷和錯(cuò)位為晶體成長(zhǎng)提供了一種無需晶核就能從缺陷面上長(zhǎng)大的機(jī)會(huì)，而從微觀上看，這種機(jī)會(huì)是很多的。這樣就會(huì)出現(xiàn)如圖4所示的情況，即從基體缺陷上生長(zhǎng)出來的面會(huì)長(zhǎng)大得更快，直至消失。從圖2鍍鎳微觀結(jié)構(gòu)中看到的金字塔，可能是這種情形的印證。另外，影響晶粒長(zhǎng)大和晶面生長(zhǎng)的另一個(gè)重要因素是能進(jìn)入晶格的原子的供應(yīng)量，這就與傳質(zhì)和電子的供給又有著重要關(guān)系。而傳質(zhì)是明顯受溫度影響的。

    再則，從過電位的變化，也很容易理解溫度升高使鍍層晶粒變粗的的原因，這就是溫度加速了快速成長(zhǎng)晶面的成長(zhǎng)速度，因?yàn)闇囟壬呤菇饘俳Y(jié)晶的過電位降低，使晶粒成長(zhǎng)的速度加快，大于晶粒生成的速度。結(jié)晶變得粗大。

    4·結(jié)論

    通過鍍層在不同溫度下的結(jié)晶形態(tài)可以得知，溫度對(duì)金屬鍍層的結(jié)晶晶粒大小有明顯影響。溫度較高時(shí)，鍍層結(jié)晶較粗大。

    溫度對(duì)鍍層結(jié)晶的影響主要是通過影響晶粒長(zhǎng)大的速度實(shí)現(xiàn)的。溫度高時(shí)，結(jié)晶的長(zhǎng)大速較快，而溫度較低時(shí)，鍍層結(jié)晶長(zhǎng)大的速度較慢。

    由此可以得出結(jié)論。要想獲得結(jié)晶細(xì)致而有利于微波傳導(dǎo)的鍍層，微波器件等鍍銀電鍍液工作的溫度，控制在30℃以內(nèi)為宜。

    參考文獻(xiàn)

    ［1］劉仁志．波導(dǎo)產(chǎn)品鍍銀層厚度的確定［J］．電鍍與精飾，2006，28(3):31．

    ［2］渡邊轍．納米電鍍［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007．182，254，263．

    ［3］郭鶴桐，劉淑蘭．理論電化學(xué)［M］．北京:宇航出版社，1984:239．