转 电雕打针的因素控制

《转 电雕打针的因素控制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《转 电雕打针的因素控制（8页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、转 电雕打针的因素控制电雕打针的因素控制(上)东莞常晋凹版模具有限公司王庆浩13829158063(作者简介：王庆浩1979-；男，工程师，研究方向为特殊电镀行业，联系方式：benhaozi)摘要：本文分析了在凹印制版行业中，影响电雕打针的机加工、电镀、电雕因素，着重阐述了电镀铜层质量指标对打针的影响，以及控制要点。关键词：凹印制版打针焊接应力硬度晶格结构中图分类号：TQ 153.14 1、前言在凹印制版行业，电雕制版仍然是主流的制版工艺，由于电雕工艺对镀铜层的苛刻要求，以及电镀过程中多因素的复杂控制，使铜层很难达到尽善尽美的品质，同时由于版辊的机加工精度和电雕本身的原因，电雕过程中的打针(也

2、称为损针)现象也就难以避免，使生产成本成倍增加，产品交期难以保证，成为制版工艺中较难控制的环节之一。在当今制版行业降低生产成本就是提高利润、保证产品质量和交期就是保证企业生命的时代，凹印制版厂对打针现象的重视程度也提到了空前的高度。2影响电雕打针的因素2、1铁辊因素2、1、1铁辊同心度超标在制版行业，铁辊的同心度一般控制在0.03mm以内，铁辊同心度超标会影响车、研磨加工后的铜层厚度，现在各家制版厂的铜层厚度余量一般都在0.06-0.08mm(普通包装版)，版辊同心度稍有不好，就会使铜层厚度低于雕刻深度；同时，同心度超标也会影响雕刻精度，特别是高速机，会使雕刻头在工作过程中严重跳动，造成打针；

3、2.1.2铁辊版壁过薄或局部过薄起初国内制版厂家，铁辊都采用无缝钢管进行制作，随着产品利润的降低，所有厂家为了降低成本，目前除了一些高端版辊以外，大部分使用3-4.5mm厚钢板卷制而成，薄壁版辊已经成为发展趋势，同时由于卷制版的加工余量较大，版壁局部过薄的现象更是常见。过薄的版壁一方面会影响机械加工精度，同时会引起版辊在雕刻过程产生共振现象，造成打针；2.1.3版辊动平衡超标要求版辊动平衡的目的，无非是提高版辊在雕刻、印刷过程中的平稳度。一般高速电雕机和印刷机对版辊的动平衡要求比较严格，如果版辊动平衡超标过大，高速电雕过程中造成打针的几率就会比较大；2.1.4焊接应力影响铜层硬度铁辊在生产过程

4、中，必须使用焊接，条件好的用二氧化碳保护焊、埋弧焊，条件差的就只有使用普通电焊，不管那种电焊方式，焊接处都会产生焊接应力，制版厂一般没有应力热失效或振动失效的设备或条件，自然失效更是不可能(从版辊焊接到入电镀槽的时间也只有几个小时)，因此焊接处的内应力非常大，晶格结构也是非常规的，在电镀镍、铜的过程中，镀层晶格匹配的驱动力是沉积物-衬底界面能的降低，如果沉积物和衬底属于不同晶系或衬底晶格畸变，沉积物将发生晶格转变或扭曲，并在界面处生长非常规的晶格结构(错配孪晶)，以降低界面能，这种生长方式因电镀工艺和焊接应力的不同一般延续2-15um，铁辊电镀镍层的厚度一般在2-4um，是不能消除铁辊应力影响

5、的(电镀操作人员经常会发现版辊焊缝处的镍层颜色、粗糙程度与非焊缝版面有明显不同)，镀铜的初始阶段铜层的晶格生长方式同样受到镍层非常规晶格的不良影响，使晶格结构异常，同时需要指出的是，这种存在结构异常晶格的镀铜层内应力也是很大的，用普通硬度仪测试焊缝出的铜层硬度，我们会发现此处的硬度比较高，一般铜层厚度超过10um以上才能消除铁辊焊接应力对铜层硬度的影响，所以铜层厚度必须比雕刻深度多10um以上才能不会影响电雕质量，可见版辊焊接应力对打针有较大的不利影响，这也是我们发现焊缝处打针比较多的主要原因之一，同时由于版辊焊接处的砂眼、气孔等缺陷较多，也会在很大程度上造成打针；2.1.5铁辊的其它影响因素

6、除去以上表述的问题外，铁辊影响打针的影响因素还有很多，比如：铁辊尺寸过大，造成铜层厚度不够；铁辊版面粘有铁质毛刺，车、研磨后毛刺露出铜层，或造成局部铜层过薄；版辊两端的版堵或版孔不同心，造成版辊转动异常；以及铁辊有磁性造成版面容易吸附铁屑，产生镀铜层毛刺等缺陷，这些都是造成打针的因素，由于这些问题都比较容易理解，且在生产当中都容易控制，在此不做阐述。2.2电镀因素在行业内部，一般认为电镀与电雕分摊打针因素比例为6：4或7：3，以上分法是排除铁辊影响因素的情况，就电镀铜层而言，影响打针的主要因素由以下几个方面，分别是硬度、晶粒大小、内应力、镀层中的颗粒夹杂、针孔等缺陷，现将影响机理、控制及维护要

7、点论述如下：2.2.1硬度对打针的影响铜层硬度是铜层最重要指标之一，控制在工艺范围之内才能满足电子雕刻的需要，即190-230HV，硬度过软或过硬都不利于电子雕刻，过软会使电雕的网型不规矩，网穴边沿产生毛刺、网墙破裂，影响色彩还原，且对版辊的使用寿命也有不利影响；铜层过硬影响电雕机打针，电雕机的雕刻频率一般都比较高，电雕针冲击铜层的速度非常大，同时版辊旋转又对电雕针产生侧面冲击力，因此电雕针的受力就非常巨大，铜层越硬电雕针受力越大，因此铜层过硬会缩短电子雕刻针使用寿命，打针现象难以避免，严重时出现断针(严重打针)。2.2.1.1镀液成分对铜层硬度的影响硫酸铜酸性镀铜工艺成分主要由硫酸铜、硫酸、

8、氯离子组成，硫酸铜主要为阴极电化学反应提供金属离子，含量一般在220-280g/L。硫酸铜含量对镀铜层的硬度影响不大，通过试验证实在正常的工艺条件内增加主盐的浓度，镀铜层的硬度会有一定程度的降低，但不明显，甚至可以忽略。但硫酸铜作为该电镀工艺的主盐，含量必须很好得控制。铜离子的浓度主要影响传质步骤，浓度低，阴极表面浓差层过厚，不能满足高电流密度的需要，高电流密度区容易烧焦。硫酸铜含量的提高受到其溶解度的限制，而且其溶解度随硫酸含量的升高而降低(同离子效应)，当镀液遇到温度较低版辊后硫酸铜就会在其表面结晶(冬季常见)，影响电镀层的结合力，且降低电镀层的质量，如果小的结晶体夹杂在铜层内，将会产生质

9、量缺陷，容易使电雕针磨损，较大的硫酸铜结晶体还会造成砂眼、毛刺、针孔等质量缺陷，非常容易造成打针。硫酸硫酸是强电解质，能显著提高镀液的电导率，还能防止硫酸铜水解沉淀，硫酸含量低，镀液的分散能力和深度能力差，造成镀层的光亮度和整平度下降(尤其是低电流密度区)，还会使阳极钝化，槽电压升高增加能耗；硫酸含量过高，则会降低硫酸铜的溶解度，同时在生产过程中使硫酸铜升高过快，同样会带来质量隐患。另外硫酸的含量对铜层硬度和保存时间有较大的影响，升高硫酸浓度能提高阴极的电化学极化，使晶核的形成速度大于晶核的生长速度，结晶细腻、紧密，晶格内原子间力也较大，所以能提高镀层硬度，且对铜层硬度的保质期有一定的延长作用

10、。氯离子试验证实氯离子的含量对铜层的硬度及硬度存放时间几乎没有影响。但氯离子是酸性镀铜中不可缺少的一种无机阴离子，没有氯离子则不能获得理想的光亮铜层。含量过低镀层粗糙，高电流密度区有筋条状分布的毛刺，严重时铜层分层爆落。含量过高，版面容易产生麻点，影响光亮度和整平性，且在生产过程中消耗过量的添加剂，含量超标严重时，还容易在阳极表面形成一层白色的氯化亚铜膜，影响阳极的正常溶解。2.2.1.2添加剂对铜层硬度的影响铜层硬度主要受添加剂的影响，目前凹印制版镀硬铜所用添加剂基本都分为三部分使用，即开缸剂Mu、光亮硬化剂-1、整平剂-2。添加剂是由中间体(配制添加剂所用的成品原材料)组成，开缸剂中所含的

11、中间体在光亮硬化剂-1、整平剂-2中都含有，只是浓度不一样，目的是在开缸时一次性使镀液中的各种中间体含量达到工艺范围，由于各种中间体在电镀过程中的消耗量受电流密度、温度等因素的影响差异很大，且各种中间体的消耗量并非与其在镀液中的含量成正比，所以补充剂(光亮硬化剂-1、整平剂-2)中的成分比例与开缸剂是不能一样的，同时为了更好的对电镀铜层的硬度和整平性进行控制，所以将补充剂分成光亮硬化剂-1与整平剂-2。光亮硬化剂：光亮硬化剂即有硬化作用，又有光亮作用。这类硬化剂提高镀层硬度的机理有两个方面，一方面由于提高了阴极极化，细化了结晶，提高了光亮度，使金属离子还原后在结晶的过程中相互作用力增大，改变了

12、晶格参数、晶粒尺寸，以至于提高铜层的硬度。另一方面这类硬化剂中含有小分子的无机物，在电沉积过程中能够分解出轻元素，如B、C、N、S等，分解产物多数被夹杂入沉积镀层晶格的空隙位置而被消耗，形成金属结晶的点缺陷(类似间隙固溶体)，在铜层内部较均匀的产生了夹杂应力，从而使镀层的硬度提高，同时夹杂促使结晶细化，并产生光亮的镀层表面。需要指出的是在镀层的晶界处晶格畸变相对严重，更容易夹杂轻元素(形成金属结晶的面缺陷)，此处的硬度将会尤为突出(所以前面用较均匀一词，均匀程度受晶粒大小的影响，在后面章节将有进一步说明)。硬化剂在镀液中含量过少，刚刚镀好的铜层硬度不会有明显降低，但硬度维持时间会明显缩短，亮度

13、也不会理想，低电流密度区尤其严重；如硬化剂含量过高会抑制整平剂的效果，出现表面缺陷的几率会升高，高电流密度区会有焦斑产生，硬度也同样有一定的提高，容易造成电雕打针。整平剂：整平剂的主要成分是大分子量的有机表面活性剂，其作用是改善镀层的整平性能，是因为整平剂能优先被吸附在活性较高、生长速度快的凸点处，影响金属离子在这些位置放电，并使得吸附原子进入这些活性位置有困难，使这些凸点的生长速度下降，并促使凹点处的镀层生长，该过程使镀层表面得以整平化。整平剂的使用范围比较窄，含量过低时会影响整平效果，高电流密度区容易烧焦。整平剂含量过高，会抑制硬化剂的效果，使镀层的光亮效果变差，硬度会有所降低。2.2.1

14、.3工艺条件对铜层硬度的影响酸性光亮电镀硬铜的工艺控制条件包括温度、阴极电流密度、阴极转动线速度(搅拌力度)、过滤、阴阳极面积比、阴极侵入程度等，每一工艺条件对镀铜层质量、镀液稳定性、以及日常维护都非常重要，但影响铜层硬度的因素主要有温度、阴极电流密度以及阴极转动线速度三个因素，其他因素几乎对硬度没有影响，在此不做论述。温度：温度是是控制铜层硬度的重要因素，温度降低，不利于传质，同时降低了反应物粒子的自由能，使电化学极化、浓差极化相应提高，使吸附原子在结晶过程中排列更加紧密、细致，致使铜层的硬度提高、硬度保持期也相应延长，同时电流密度的上限也会降低，而且硫酸铜容易结晶析出，造成质量隐患；温度高

15、，能提高镀液的电导率，加快传质速度，降低阴极极化度，使镀层硬度、光亮度降低，但也能提高电流密度的上限，可以通过提高电流密度来补偿上述不足；如果温度过高，会分解部分不耐高温的添加剂中间体，增加添加剂的消耗量，降低其正常的效果。因该工艺使用的电流密度较大，要特别注意版辊装夹时的导电性，预防局部因导电不良温度过高，使硬度局部下降。电流密度：电流密度是控制铜层硬度的另外一个重要因素，与镀层的质量，密切相关。电流密度低，生产效率低，阴极电化学极化小，结晶粗大，镀层粗糙，硬度也较低，而且硬度的存放时间也会缩短；提高电流密度，可以促进阴极极化度的提高，提高深度能力和光亮范围，使结晶细致、结合紧密，获得光亮的

16、镀层，同时可以提高结晶原子的相互作用力，促使硬化剂中的成分在铜层中夹杂，从而提高铜层硬度。阴极转动：制版行业为使镀层在圆周方向覆盖均匀，一般采用版辊旋转做阴极移动方式，适当的版辊转速，可有效的降低浓差极化，有利于提高电流密度的上限，从而缩短电镀时间提高生产效率。在其它工艺条件不变的情况下降低版辊转动的线速度，会使铜层变硬，超过电流密度的上限时会降低阴极的电流效率，甚至使镀层中夹杂氢氧化物沉淀，这种情况非常容易造成打针，所以为保证铜层的硬度，必须在生产中根据不同版辊的直径调整转动线速度，实践经验表明线速度在1m/S为宜。2.2.1.4其他因素对铜层硬度的影响阳极质量：阳极的质量主要指金属杂质(Z

17、n、Sn、Ni等)含量，在凹印制版行业中，由于生产效率极高，一个1200L的普通镀铜槽每月就能消耗300kg的铜阳极，如果阳极的金属杂质含量过高，就会造成金属杂质离子在镀液中迅速积累，当阳杂质离子的浓度超过一定含量，在特定温度、电流密度下就会与Cu共沉积，因为Zn、Sn、Ni等元素与Cu原子直径、原子序数相近，就可能形成均匀的置换固溶体(如图3所示)，提高镀层的硬度，因此阳极纯度也是影响打针的一个较重要的因素。2.2.2晶粒大小对打针因素的影响大量的事实依据表明金属的电镀结晶过程与热力学结晶过程相似，电镀结晶过程中依然会形成结晶缺陷(如图4)，前面已经阐述在电镀铜过程中，在镀层的晶界处产生的晶

18、格畸变严重，同时在晶界处更容易夹杂硬化剂中的一些轻元素原子，造成晶界处的内应力非常大，硬度也会高出很多，如果镀铜层的晶粒非常细小，在1微米以下，晶界密度相对于电雕针雕刻深度(5-80um)而言，在镀层的分布中是相对均匀的，但如果晶粒的尺寸较大，超过几个几微米以上，则可以说晶界的分布很不均匀，同时，也反映出硬度在镀层中的分布也是不均匀的，雕刻过程中一旦超过电雕针刀刃薄弱点所能承受的硬度极限，必然会造成打针或磨损，所以说铜层晶粒大小也是影响打针的一个重要因素，为保证电雕质量，需要晶粒细化的镀层。在金属电镀结晶过程中包含两个过程：结晶核心的生成过程和成长过程，这两个过程的速度决定了金属结晶的粗细程度

19、。在电镀过程中当晶核的生成速度大于晶核的成长速度时，就能获得结晶细致、排列紧密的镀层；晶核的生成速度大于晶核成长速度的程度越大，镀层结晶越细致、紧密；否则，结晶粗大。传统电镀理论的观点认为，阴极的电化学极化度越大，越有利于晶核的形成，得到的晶粒越细致，下面就影响镀铜层晶粒大小的因素分析如下：Cu2+浓度的影响在镀液中电极表面的所有Cu2+并非都参与电极反应，只有活化离子才参与反应，故增加了Cu2+的浓度，也就增加了活化Cu2+离子的数目，反应速率自然增快，电化学极化度会降低，如图5所示，所以随着主盐浓度的增大，阴极电化学极化下降,结晶核心的生成速度变慢，所得镀层的结晶晶粒变粗。但过低的Cu2+

20、浓度又会增大阴极的浓差极化，降低阴极电流密度的上限。图5：Cu2+对电化学极化的影响为铜电极在0.5mol/L硫酸铜溶液中的极化曲线为铜电极在1mol/L硫酸铜溶液中的极化曲线硫酸浓度的影响溶液中，在硫酸含量不影响硫酸铜溶解度的情况下，由于Cu2+受带同型号电荷H+离子的影响，硫酸含量升高后，会使Cu2+在电极的上的反应速率有一定阻碍作用，活化Cu2+转变为非活化状态，使阴极的电化学极化升高，晶核的形成的速度加快，所以能细化镀层晶粒。温度的影响温度是决定电化学反应速度的重要因素，上文已经提到在电极表面并非所有Cu2+都参与电极反应，只有活度高的Cu2+才能在电极上得到电子，完成新相的生成，在溶

21、液中Cu2+的活度系数(活度离子数/总离子数)与溶液的温度直接有关，温度升高会使非活化的Cu2+转变为活化状态，使Cu2+的活度系数提高，使电化学极化降低，晶核的形成的速度降低，所以提高溶液温度会使镀层的晶粒粗化，如图6所示。添加剂的影响我们知道，在电镀铜工艺中，由于电极的电化学极化度很小，为了得到优良的电镀层，我们必须提高电化学极化度，才能使铜层结晶细密，当在镀液中加入相应的有机添加剂后，由于它们在电极表面的特性吸附，增大了电化学反应的阻力，使电化学极化增大，因而有利于晶核的形成，使晶核的形成速度大于晶体的生长速度，故能获得细小的晶粒。阴极电流密度阴极电流密度对镀层结晶晶粒的大小有较大影响。

22、当阴极电流密度过低时,阴极极化作用小，镀层的结晶晶粒较粗，在生产上很少使用过低的电流密度。随着阴极电流密度的增大，阴极极化作用也随之增大，镀层结晶也随之变得细致紧密(如图7所示)，但电流密度的增加亦受电流密度上限的限制。版辊转动线速度版辊转动线速度不会对阴极电化学极化有直接的影响，但增大版辊转动线速度，能有效降低阴极的浓差极化，提高电流密度的上限，通过提高电流密度间接增加阴极的电化学极化，在较高的电流密度和生产效率下得到细致紧密的镀层。换向电流有条件的制版公司，已经尝试使用周期换向电源，换向电流实际是变形的交流电，波形呈矩形，能有效提高阴极的电化学极化，并周期地改变电流方向,使镀层在每个周期内的一瞬间变成阳极，从而控制了结晶长大的时间，使之不能长得很粗大，同时还能溶解镀层上的显微凸出部分，具有整平作用。因而采用换向电流，可以使用较高的阴极电流密度，强化电镀过程，提高生产率，并可使镀层结晶组织排列得更为密实。特别声明：1：资料来源于互联网，版权归属原作者2：资料内容属于网络意见，与本账号立场无关3：如有侵权，请告知，立即删除。