电镀技术的本质？为什么电镀在微型制造中具有优势

智能化时代的电子产品越来越趋向轻量化和微型化。这是因为便携式电子产品的应用越来越多，智能手机就是一个典型例子。更多轻便和微型化的电子产品正在涌现。包括可穿戴电子产品和各种内置芯片的微型产品都已经上市。这将是相当长一个时期电子产品的流行趋势。

电子产品的轻量化和微型化给现代制造提出了许多新课题，从材料到表面处理等都需要有新的技术支持。特别是在制造过程中，一些新材料的应用需要有金属镀层助其实现功能指标。这就给表面技术提出了一些新的挑战，应对这些挑战，电镀技术有其独到的优势，这是令许多人没有想到的。

从材料的角度，钢铁已经退出工业材料主角的地位，铝及其合金、钛及其合金在现代电子产品结构的轻量化过程中早已经成为主角。将铝和钛的优点组合起来的铝钛合金也开始进入应用时代，这些材料的表面处理工艺中，电镀仍然是重要选项。元素周期表中的元素的应用也正在向更多外层电子的元素发展，一些稀有元素的组合正在经新材料的发现提供新思路。包括液态金属的应用，也已经提到议事日程。 新材料开发的一个重要领域是复合材料，包括工程塑料和纤维强化树脂材料，这也是产品轻量化的重要技术支持。而这类材料在用于电子产品时，导电和导波成为一个问题，这就需要表面金属化技术。而表面金属化技术中，最具有优势的还是电镀技术。 本文结合电镀技术的原理与工艺特点，通过若干应用说明电镀技术在现代制造中不可或缺的作用，从而引起各个环节对电镀在现代制造产业链中的地位的重视，希望从包括基础教育和科研、环境保护在内的各个方面，重视对电镀产业的投入。

电镀技术的本质

我在最近一次技术培训中对电镀技术提出了一个新的定义，从而突出了电镀技术的本质，解读了为什么电镀在微型制造中具有优势。

我们来看电镀技术的新定义：

“电镀技术的本质是操控电子进入离子的空轨道、使离子还原为原子进而组装成为金属结晶、最终形成金属镀层的过程。”

显然，从电镀的本质可以看出，电镀的要点是从原子级别进行的加法制造。从而在金属原子形成结晶的过程中就对这一过程加以干预。从工艺控制的角度，可以通过改变电流密度、温度、离子浓度等参数影响结晶过程，还可以通过添加剂的方式影响结晶过程，或者外加物理场影响结晶过程（例如电磁场、超声波场等），从而获得不同结晶结构的最终镀层，以适应不同产品设计对表面功能的预期。电镀过程还可以形成多种合金，复合镀层等等。这些特点是其他制造方法不可替代的。

以温度的影响为例，许多电镀工艺都规定了电镀加工过程中电镀液应该保持的温度范围。这是因为温度对金属原子的结晶过程有明显影响。电极过程方程（即能斯特方程）中，温度就是一个重要参数。实际电镀过程表明，温度对结晶大小有很显著的影响。本文引用的不同镀镍液在不同温度下的结晶形貌电镜图，直观地显示出这种影响。

从图示可知，硫酸盐、瓦特镍（硫酸盐+氯化物）和氯化物三种镀液都表明在高温时结晶颗粒明显是增大的。通常在较低温度下，镀层结晶会较为细致。这也是有些镀种要求使用冷冻机等降温装置的原因。例如酸性光亮镀铜，如果不采用降温措施，将难以获得光亮镀层；而功能性镀银等要求在较低温度下进行电镀生产，才能保证镀层结晶的导波效果最好。这对微波波导等对导波性能有较高要求的产品，是非常重要的。 除了温度，电流密度、离子浓度与形态、无机或有机添加剂都对结晶过程有影响，从而可以通过调整这些参数来获得所需要的结晶状态，实现产品所需要的功能。 技术的生命力在于创新，采用物理场影响电镀过程也是一个选项。另一个重要的创新领域是电镀装备。例如可以在一次电力线分布的电极、槽体形态、挂具改进等方面提供对稳定的结晶过程以保障。这都表明电镀技术具有适应现代制造的宽大裕度。 通过对电镀过程的解析，使我们认识到电镀过程是从原子级别进行的结晶干预和镀层构建，因此可以在微小的表面实现所需要的电镀层。这是其他表面处理方法难以做到的。这就是为什么电镀技术在现代制造特别是微制造中有不可替代的优势的原因。对电镀多少有点认识的人都以为电镀就是金属装饰与防护作用，因而是可以被替代的。但是，电镀在功能性方面的应用却越来越重要。即便是装饰和防护，对于汽车、家电、洁具等多个行业，电镀也都是不可替代的。 我在《芯片与电镀》（本刊2018年第3期）一文中曾经简要介绍过电镀技术在芯片制造中的应用。本期进一步列举一些在新材料表面应用电镀技术的例子，与读者分享。

微波陶瓷电镀

移动通信进入5G时代是当前最为热门的话题。支持移动通信进步的是通信装备的不停地升级换代。这种技术进步涉及大量硬件的叠代更替，最为明显的是微波基站产品的变化。从1G时代的有如高压线塔的基站铁塔加地面机房的结构，到4G时代的电线杆或高层建筑顶部“机顶盒”式的构结，功能一代比一代强，结构的体积却一代比一代小。重量也随之越来越轻。这使得基站建设和安装的效率有了明显提高。安装工作的劳动强度显著下降。以基站中用于信号接收的滤波器为例，第一代是铜制空腔镀银，以空气为介质，体积大而重，消耗大量铜材和贵金属银。到3G、4G时代已经完全转化为铝合金结构，体积明显减小，有些产品还可能采用树脂腔体。现在则开始大量采用微波陶瓷介质。而无论哪种滤波器，为了提高导波能力和尽量减少信号损耗，都离不开镀银技术，这就需要用到铝上电镀技术、非金属电镀技术等。

说到非金属电镀技术，其中一个重要的领域是微波陶瓷电镀。微波介质陶瓷(MWDC)是一种功能陶瓷，主要作用是作为介质材料应用于微波频段(300～3000GHz)电路中，是近30年来迅速发展起来的新型功能陶瓷，是现代通讯中广泛使用的滤波器、介质基片和谐振器等微波器件的关键材料。随着航空、航天和通信广播等领域技术的发展，大大促进了介质元件微波特性的发展。微波介质陶瓷因其特定的精细结构和高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、绝缘、磁性等一系列优良性能，被广泛应用于国防、化工、冶金、电子、机械、航空、航天、生物医学等国民经济各个领域。微波陶瓷产品的下游应用领域，如流体控制、半导体制造、医疗器械、打印设备、航空航天等，大多为国家政策扶持的支柱行业，发展前景良好。 微波陶瓷由于有极好的介电性能，制成陶瓷滤波器可以大大缩小滤波器的体积。从而在5G通信产品中有广泛应用。 传统的微波陶瓷器件的表面镀层是采用银浆烧结法。这种老工艺生产效率低，消耗银材多，而且在越来越小的器件表面难以获得良好镀层，而采用电镀技术，则可以很好地满足产品设计功能的要求。

陶瓷属于非金属材料，对其进行电镀需要应用非金属电镀技术。即对材料进行除油、粗化、活化和化学镀处理，然后再进行电镀加工。 由于对结合力有较高要求，除了采用化学粗化，现在已经采用激光扫描法对微波陶瓷进行表面粗化处理，这对获得较高的镀层结合力是有意义的。化学处理陶瓷所获得的结合力小于10N/mm2。不能满足有些特殊要求产品的需要。采用激光扫描可以在强光能量的作用下，去除陶瓷表面的污染杂质的同时，调整表面的粗糙度，从而提高表面与镀层的机械结合力。 激光束在表面扫描的间距对表面改性的效果有比较明显影响。过密或过疏都会影响结合力。有资料显示，扫描间距以1~4μm之间为宜。经激光扫描处理的微波陶瓷与化学铜层之间的结合力达16N/mm2。 完成粗化后的微波陶瓷以清洗即可进行活化处理，通常是采用胶体钯一步法活化，然后在化学镀铜或化学镀镍中进行化学镀，即可实现陶瓷表面的金属化。有了化学镀层的陶瓷产品可以按金属材料的模式进行电镀加厚或选镀相应功能镀层，例如进行镀铜后再镀银。从而可以使表面既有良好导波性能，又容易焊接。现在已经有很多电子陶瓷器件采用了电镀方法获得镀层。 随着5G时代的到来，我们通过微波陶瓷电镀这个例子可以看出，电镀技术始终都是随着工业的进步而进步，成为现代工业生产链中一个不可缺失的环节。

可塑性材料电镀

说到移动通信进入5G时代，人们对前不久三星电子和华为发表的可折叠屏手机一定印象深刻。这种柔性可折叠屏代表着一种材料的应用趋势，就是更方便地符合人体工学需要，将结构的刚性转变为柔性。从而适合各种场合的转变。配合这类可变形产品的附件，无论是金属还是非金属结构，都有可能要用到电镀技术，开发适合可塑性材料上的电镀技术也就成为当代电镀技术的课题之一。这一技术在可穿戴电子装备中尤其重要。 说到可穿戴，就会想到服装，自然也容易联想到各种布料。特别是现代人造纤维技术，已经接近甚至超越棉织物的程度。人造纤维在现代电子产品中也有用武之地，无论是制作纳米管还是用作屏蔽材料，都需要在纤维表面镀覆银等金属镀层。基于这种需要，纤维电镀应运而生。仅以电磁屏蔽为例。采用软性镀银或镍的尼龙纤维用于电子产品内的屏蔽材料，比传统的刚性隔离罩不仅占用的空间小，重量也减轻。用在会议室等需要屏蔽电信号入侵或外泄的幕布，也是首选。

纤维材料的表面金属化唯有化学法是最为适合的，也就是化学镀方法。这是因为各种布料本身有适合的印染技术与工艺，可以大批量地生产。又由于由电子还原出来的原子结晶极为细微，在有良好附着力时，镀层可以与基材一起适应柔性变形而不脱落。这是其他镀覆方法无可比拟的优势。 除了纤维电镀，在纳米管制造、用于电池电极的柔性泡沫金属制造，高能电容器可卷高介电塑料的电镀，都要用到可塑性材料电镀技术。

这一技术的要点是在这类柔软材料表面获得良好的粗化表面。这种场合的粗化概念与传统粗化有重要区别，微观粗糙度已经不是衡量其结合力指标的重要参数，能否形成与镀层之间的化学键合力才是关键。因此，选择可在柔性材料表面生成特征链接的化学键是其后生成的镀层可随基材变形而变形的重要保证。

在新材料领域，一个最新也最奇特的液态金属已经进入人们视野。虽然对这种材料认识还处在探究阶段，其应用也还在探索中。但是，只要有新材料出现，就会有材料的表面或介质面，也就有表面处理的需要。当然，说起液态金属，人们也并不是完全陌生的，汞就是最常见的液态金属。并且从电化学的角度，经典的滴汞电极就对电镀过程的研究做出过重要贡献。现在液态金属已经成为当下新材料应用开发的一个新兴领域，引起世界科学界的普遍重视。可喜的是，中科院和清华大学团队在这一领域已经取得重要进展并处在世界领先地位。美国大片《终结者2》中的大反派T-1000 液态金属机器人也许正在向我们走来。

微粒表面电镀

我在《光伏产业与表面处理技术》（本刊2018年第二期）一文中曾经有一节专门介绍过“金刚砂表面的化学镀镍”。是用于切割硅片的金刚石复合镀线锯电镀中的一个前置工艺。虽然理论上裸砂也可以用于复合镀，完全依靠物理包覆作用来实现与镀层共沉积，但实际效果并不好，难以达到工业应用的价值。因此才有了在金刚砂表面镀覆化学镍的工艺。经化学镀以后的金刚石能够较好地与镀镍层形成复合镀层，从而达成金刚石复合镀的目标。 进一步研究表明，采用经过化学镀之后再加电镀的方法，可以明显提升金刚石微粒在钢丝表面的复合度，增加微粒的上砂量和在镀层中的固着力。钢丝线锯复合镀中使用的金刚砂是极为细小的人造金刚石颗粒。平均粒径在5~30µm。要在这么细小的金刚石表面获得化学镀镍层确实是很困难的，需要在化学镀工艺和操作工艺上有许多创新才行。在化学镀金刚砂表面再电镀镍，可以进一步增强金刚砂在钢丝表面复合镀过程中的共沉积能力，进一步改善金刚石钢丝锯的切割力。这种在金刚石表面进行改性和增强的表面处理技术上，是电镀、化学镀等表面处理工艺的创新性应用，显示出电镀技术在现代制造中的生命力。

在微粒表面获得金属镀层，金刚石复合镀只是一个比较典型的例子。随着纳米微粒应用领域的增加，有些需要微粒表面具有某些金属的性能。并且用非金属微粒表面金属化技术来实现微粒功能化，可以节约贵金属材料和改善微粒在介质中的分散能力。例如纯银粉微粒比重较大，成本较高，如果采用非金属微粒表面化学镀银制成复合材料表面银微粒，比重将明显下降，有利于在溶剂中分散，可以更好地发挥功能微粒性能。 微粒的电镀的要点是在完成化学镀后，在特制的电镀小滚桶内低速小电流进行电镀，使微粒在翻动中能保持连续地与阴极连接，从而在化学镀层上生长出电镀层。

结语

电镀是表面工程技术中的一个重要分枝，有其独特的技术特质。自从诞生以来，一直伴随着现代工业发展。在许多领域都有着重要的应用。




审核编辑：刘清