一、不溶性陽極定義
電鍍過程中電流通過時(shí),陽極自身不溶解只發(fā)生氧化反應(yīng)的陽極,統(tǒng)稱為不溶性陽極。電鍍中不溶性陽極的材料有鉛、碳、鉑、石墨、鎳、不銹鋼、鈦底鍍鉑、鍍銥鉭、鍍釕銥、銠等。
線路板行業(yè)應(yīng)用不溶性陽極的場(chǎng)景主要有電鍍銅,電鍍金,電鍍銀還有環(huán)保處理氨氮及COD等。線路板目前應(yīng)用最廣泛的HDI板鍍銅不溶性銥鉭陽極對(duì)光劑耗用量有較高的要求,電鍍光劑在電鍍過程中的穩(wěn)定對(duì)電鍍品質(zhì)有至關(guān)重要的影響。
不溶性陽極在整個(gè)電鍍過程中起到陽極導(dǎo)電作用,析出氧氣或者氧化金屬離子。線路板用不溶性陽極對(duì)槽液的影響主要有兩個(gè),第一陽極表面析氧同時(shí)會(huì)造成電鍍光劑的額外損耗,在陽極催化涂層表面上發(fā)生的是一個(gè)直接的氧化反應(yīng),其主要反應(yīng)是槽液中的氫氧根被貴金屬催化涂層催化以較低的電位失去一個(gè)電子變成氧氣,同時(shí)槽液中的有機(jī)物也有機(jī)會(huì)在陽極上放電被氧化,陽極制作過程中的要點(diǎn)就是控制析氧電位,不要讓槽液中的有機(jī)物有機(jī)會(huì)直接在陽極上放電被氧化。第二影響槽液的溶氧量。陽極表面產(chǎn)生的氧氣需要盡快的脫離陽極跑出槽液,減少其在槽液中的停留時(shí)間。(脈沖含鐵離子的反應(yīng)機(jī)理不同,析出非常少的氧氣)。
不溶性陽極在使用上比銅球有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
01、陽極電流不受限制,可以突破陽極銅球4.2asd(電流密度過高陽極膜易脫落鈍化)電流密度瓶頸,提高產(chǎn)速,提高產(chǎn)能,尤其對(duì)于FPC產(chǎn)線,RTR的連續(xù)生產(chǎn),已經(jīng)有全廠都是不溶性陽極。
02、在電鍍過程中,陽極發(fā)生氧化反應(yīng)從氫氧根上獲得電子產(chǎn)生氧氣,沒有陽極泥,只放出氧氣能使電鍍液中的金屬離子濃度分布保持在一個(gè)穩(wěn)定水平;(在解決脈沖對(duì)陽極壽命影響后,對(duì)于脈沖生產(chǎn)線有很大的好處,可以顯著提高產(chǎn)品品質(zhì),減少保養(yǎng)成本,提高產(chǎn)品稼動(dòng)率)。
03、陽極的尺寸穩(wěn)定,在電鍍過程中陽極面積不發(fā)生變化,一次電流密度分布可以認(rèn)為是恒定狀態(tài)對(duì)于改善電流密度分布有極大好處,尤其對(duì)于HDI細(xì)密線路,填孔,脈沖有較大幫助。
三、不溶性陽極工藝要求
我們?cè)诰€路板電鍍中常用的不溶性陽極與普通的不溶性陽極差別在于有機(jī)物的損耗。此取決與貴金屬涂層即催化層的成分及結(jié)構(gòu)。
在生產(chǎn)制作過程中需要確保兩個(gè)方面,一,保證有很牢固的結(jié)合力,指涂層與鈦基板的結(jié)合力。二,保證涂層的貴金屬轉(zhuǎn)化成有效催化劑的轉(zhuǎn)化率。
在第一個(gè)方面保證結(jié)合力需要:1.清潔干凈的表面;2.合適的表面粗糙度;3.催化層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與底層結(jié)晶結(jié)構(gòu)相似(金紅石結(jié)構(gòu))根據(jù)相似相溶的原理,形成鉚合的結(jié)構(gòu)可以極大增強(qiáng)結(jié)合力。
第二方面涂層貴金屬的轉(zhuǎn)化率,這個(gè)需要在配方及生產(chǎn)工藝上做大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),找出最佳的配方及生產(chǎn)工藝。
四、不溶性陽極生產(chǎn)流程簡(jiǎn)介
沖網(wǎng)(裁切) 鈦板制作成不同網(wǎng)眼鈦網(wǎng):
前處理 清洗鈦網(wǎng)表面,得到潔凈的鈦網(wǎng)表面:
經(jīng)過以上幾個(gè)大的步驟,嚴(yán)格按生產(chǎn)品質(zhì)管控,生產(chǎn)高性能低成本的陽極,為客戶提供高品質(zhì)保障的陽極。
鈦陽極的設(shè)計(jì)原理
一、鈦陽極的使用需求
從使用者實(shí)際需求出發(fā),當(dāng)鍍銅制程從磷銅球切換成鈦陽極以后,首要的需求就是能夠切實(shí)穩(wěn)定地提升電鍍均勻性,并由此帶來品質(zhì)的提升;其次要求鈦陽極品質(zhì)穩(wěn)定,能夠達(dá)到預(yù)期的使用壽命以及在此期間穩(wěn)定的添加劑消耗量水準(zhǔn),以保證運(yùn)行成本可控。因此,概括來說,主要的要求有以下幾點(diǎn):優(yōu)良的電鍍均勻性、穩(wěn)定的使用壽命、可控的添加劑消耗量水準(zhǔn)。
對(duì)于陽極制造商而言,如何將客戶需求轉(zhuǎn)化為內(nèi)部對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求,這是陽極制造商最需要研究并給予相應(yīng)支持的地方。鈦陽極結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成:鈦基材和涂層。針對(duì)具體要求分解開來,電鍍均勻性要求主要是由鈦基材的機(jī)械設(shè)計(jì)決定的,而另外兩個(gè)要求則與涂層的設(shè)計(jì)密切關(guān)聯(lián)。
二、鈦陽極放電均勻性設(shè)計(jì)
鈦陽極主要的機(jī)械設(shè)計(jì)由于需要與設(shè)備匹配,主要工作是由設(shè)備商完成的。面對(duì)如何優(yōu)化鈦陽極放電均勻性的設(shè)計(jì)問題,陽極制造商應(yīng)當(dāng)給予相應(yīng)的建議和支持,主要可以從以下幾個(gè)方面來考慮。
1、電阻率問題
鈦陽極放電均勻性設(shè)計(jì),首先需要關(guān)注的點(diǎn)就是鈦材的電阻率問題。純鈦的電阻率約為0.47μΩ·m,接近于同等條件下純銅的30倍。使用磷銅球時(shí),陽極電流通過整個(gè)鈦籃引入,陽極內(nèi)部是通過銅球進(jìn)行傳導(dǎo)阻值基本可以忽略不計(jì)。而使用鈦陽極的話,由于鈦材的導(dǎo)電性相對(duì)較差,尤其是當(dāng)鈦陽極工作在較高電流密度下,電流通過陽極上部傳導(dǎo)到下部時(shí),本身鈦材的電阻會(huì)導(dǎo)致電壓從上到下存在明顯降低。這樣會(huì)導(dǎo)致在鈦陽極最下部,放電電流密度會(huì)顯著低于鈦陽極最上部。
在進(jìn)行陽極設(shè)計(jì)時(shí),首要考慮的是如何減少由于鈦材的長(zhǎng)距離傳導(dǎo)導(dǎo)致電壓降問題。主要可以通過以下兩個(gè)方面來進(jìn)行優(yōu)化:①降低傳導(dǎo)電阻率,使用更寬更厚的鈦材進(jìn)行電流傳導(dǎo),或者使用鈦銅復(fù)合材料來輔助電流傳導(dǎo);②分散電流傳導(dǎo)點(diǎn),在陽極表面設(shè)置多個(gè)電流傳導(dǎo)點(diǎn),避免傳輸距離過長(zhǎng)。
2、陽極基材類型的針對(duì)性優(yōu)化
目前鈦陽極的設(shè)計(jì)中,陽極基材類型的選用基本有兩種:一種是鈦板,另一種是鈦網(wǎng)。
鈦網(wǎng)是由鈦板進(jìn)行沖切拉伸而成,其主要優(yōu)點(diǎn)有是鈦網(wǎng)只能做雙面涂覆,即使是不面對(duì)產(chǎn)品的背面,由于網(wǎng)狀材料是鏤空的結(jié)構(gòu),背面涂層也可以參與放電,因此整個(gè)網(wǎng)狀陽極的有效放電面積比鈦板要大,這樣可以降低實(shí)際陽極工作條件的電流密度。網(wǎng)狀陽極往往機(jī)械強(qiáng)度更差,而且對(duì)比板狀陽極,電阻率也更高。針對(duì)上述問題,設(shè)計(jì)合適的框架并優(yōu)化焊點(diǎn)位置,可以改善鈦網(wǎng)陽極的平整性和放電均勻性問題。
使用板狀陽極最大的優(yōu)點(diǎn)在于,板狀陽極的基材是可以重復(fù)利用的。在陽極涂層失效以后,可以對(duì)殘余涂層剝離,并對(duì)基材表面進(jìn)行徹底清潔后,可以重新涂覆涂層,這樣今后在陽極的應(yīng)用中,可以一定程度上節(jié)省長(zhǎng)期使用的成本(雖然一次性投入會(huì)稍大些)。另一方面,板狀陽極基材厚度通常選擇2mm和3mm,而網(wǎng)狀陽極一般適合由1mm鈦板拉制而成(中間鏤空),因此板狀陽極的導(dǎo)電性要好于網(wǎng)狀陽極。同時(shí),板狀陽極相對(duì)機(jī)械強(qiáng)度要比網(wǎng)狀陽極更強(qiáng),平整度會(huì)更好。但這并不意味著板狀陽極放電均勻性一定優(yōu)于網(wǎng)狀陽極。相比而言,板狀陽極的整體機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)比網(wǎng)狀陽極(帶框架)更為簡(jiǎn)單,但如果要適應(yīng)于更高的電鍍均勻性要求,板狀陽極電流接入點(diǎn)的分布還是有優(yōu)化空間的。
3、氣泡對(duì)導(dǎo)電均勻性的影響
由于鈦陽極在使用過程中,陽極反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氧氣,因此氧氣的產(chǎn)生會(huì)形成陰陽極之間的屏蔽效應(yīng),并對(duì)放電均勻性造成一定的影響。由于產(chǎn)生的氧氣氣泡會(huì)上浮,導(dǎo)致陽極上部和下部累積的氧氣氣泡量形成了一定的梯度,從而造成屏蔽效果,也呈現(xiàn)了一定的梯度效應(yīng)。需要平衡氧氣氣泡的屏蔽作用對(duì)電鍍均勻性的影響。
三、催化涂層的設(shè)計(jì)
陽極涂層的設(shè)計(jì)工作,是陽極制造商的核心價(jià)值體現(xiàn)。鈦陽極是一種高度定制化的產(chǎn)品,其高度定制化不僅通過基材多變的加工形狀體現(xiàn),更重要的是針對(duì)客戶端的需求,選取合適的涂層配方設(shè)計(jì),以最終滿足客戶個(gè)性化需求為最終目標(biāo)。陽極涂層設(shè)計(jì)通常從貴金屬含量和涂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)兩個(gè)方面來進(jìn)行考慮。針對(duì)適用于PCB鍍銅制程的陽極,貴金屬含量主要是指銥金屬的含量;而涂層結(jié)構(gòu)則包含了涂層具體原材料種類的選用、涂層配比的調(diào)整、涂層涂覆先后次序的改變等各種加工制造環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。
首先,陽極涂層的設(shè)計(jì)需要與具體的電鍍條件相適配。PCB鍍銅條件有直流電鍍和反向脈沖電鍍之分,而兩種鍍銅條件相適配的涂層設(shè)計(jì)是完全不同的。如果選用了錯(cuò)誤的涂層設(shè)計(jì),不僅無法滿足電鍍產(chǎn)品最終的要求,陽極的壽命和表現(xiàn)也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。
其次,陽極涂層如何達(dá)到壽命要求,主要依靠實(shí)際使用條件,以及客戶預(yù)期壽命要求等具體情況綜合考慮。決定貴金屬含量多少,不只是根據(jù)陽極過電量多少進(jìn)行簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化,還需要根據(jù)使用條件,例如藥水中有機(jī)物含量的多少,是否具有嚴(yán)重影響陽極壽命的物質(zhì)存在,設(shè)備是否具有設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的陽極無法正常工作等多種因素確定。如果對(duì)涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,也能在一定程度上降低貴金屬消耗率,選擇適合的涂層設(shè)計(jì)方案比簡(jiǎn)單規(guī)定貴金屬含量更為符合實(shí)際和更為重要。
對(duì)于電鍍陽極涂層設(shè)計(jì)最重要就是針對(duì)添加劑消耗量的控制要求,這是陽極涂層設(shè)計(jì)最為核心的部分。簡(jiǎn)單而言,控制添加劑消耗量,需要對(duì)具有高度催化活性的涂層進(jìn)行一定的屏蔽,使其減少對(duì)添加劑的直接接觸機(jī)會(huì)。通常,我們將這類特殊的涂層稱之為隔離涂層(barrier coating)。同時(shí),針對(duì)各廠商的添加劑,以及添加劑性質(zhì)的不同,我們也需要對(duì)涂層設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和適配。通過改變涂層性質(zhì)(例如表面粗糙度、表面能、電荷性質(zhì)等),可以針對(duì)某些添加劑做出針對(duì)性吸附或排斥,從而一定程度上調(diào)整某些添加劑的消耗量水準(zhǔn)??偠灾?,涂層的設(shè)計(jì)真正體現(xiàn)了陽極高度定制化以及廠商核心專業(yè)能力和競(jìng)爭(zhēng)力。
四、總結(jié)
隨著PCB產(chǎn)品要求的提升,PCB工廠自動(dòng)化的提升,鈦陽極憑借其優(yōu)秀的性能,將會(huì)逐漸取代磷銅球在PCB鍍銅制程中的地位。設(shè)備自動(dòng)化程度的提高,尤其在脈沖電鍍領(lǐng)域,不溶性陽極取代銅球的趨勢(shì)較為明顯。同時(shí)一些新應(yīng)用的出現(xiàn),也對(duì)鈦陽極的產(chǎn)品開發(fā)提出了新要求。這對(duì)于鈦陽極的設(shè)計(jì)開發(fā),既是機(jī)遇,也是挑戰(zhàn)。
對(duì)于陽極制造商而言,應(yīng)當(dāng)砥礪前行,迅速應(yīng)對(duì)市場(chǎng)多變的需求,把完善的產(chǎn)品推出市場(chǎng),銥創(chuàng)科技響應(yīng)終端客戶以及設(shè)備商、藥水商的需求,為PCB事業(yè)盡一份綿薄之力。