片式多層陶瓷電容器電鍍失效分析與控制

黃皓，滕斌，楊翠剛，游健，李云仕，趙景勛，朱萬宇

（成都宏明雙新科技股份有限公司，四川 成都 610091）

片式多層陶瓷電容器(MLCC)與鉭、鋁電解電容相比，不僅外形尺寸小、絕緣電阻高、等效電阻低，而且具有優(yōu)異的噪聲吸收、較強(qiáng)的耐脈沖電流性能以及較好的阻抗溫度特性與頻率特性，自密封性也良好，可以有效地避免內(nèi)電極受潮和污染，顯著提高飛弧電壓和擊穿電壓。MLCC作為基礎(chǔ)電子元器件，在信息、軍工、移動(dòng)通信、電子電器、航空、石油勘探等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]。

MLCC的生產(chǎn)工藝流程十分復(fù)雜，包括了流延、印刷內(nèi)電極、疊層、切塊、排膠、燒結(jié)成瓷、倒角、涂端、燒結(jié)端電極、電鍍等工序[2]，只有保證了每道工序的質(zhì)量，才能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。筆者所在公司接到該產(chǎn)品電鍍工藝的研發(fā)任務(wù)，要求采用三層端頭電極技術(shù)，即在 MLCC端頭 Cu電極上電鍍 Ni層和Au層。由于之前未接觸過類似產(chǎn)品，研發(fā)過程走了不少?gòu)澛?，尤其是遇到電鍍后脫層和溢鍍問題。本文總結(jié)了此次研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，供同仁參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 工藝流程

采用滾鍍方式作業(yè)，陪鍍鋼珠(直徑0.5 mm)裝至滾筒容積的1/3。工藝流程為：化學(xué)除油→水洗→弱酸浸蝕→水洗→氨基磺酸鹽鍍鎳→水洗→檸檬酸鹽鍍金→水洗→烘干(100 ～ 110 °C)。

1.2 材料

待鍍?cè)牧蠟镃T41L-0402-104-500型多層瓷介電容器，通過Cu漿封端并燒結(jié)，最外層為Cu層。

1.3 設(shè)備

采用德國(guó)Fischer的XDLM-237型X射線測(cè)厚儀測(cè)量鍍層厚度，測(cè)量偏差為±0.2 μm。采用Sinowon的VM-500A型視頻顯微鏡觀察電鍍后的產(chǎn)品。采用康恒儀器的XCT-0AS型鼓風(fēng)干燥箱烘干產(chǎn)品。

2 結(jié)果與討論

2.1 除油對(duì)脫層的影響

本文所述脫層均指Cu層與陶瓷之間脫層，該Cu層是通過銅漿燒結(jié)而成，靠玻璃粉附著在陶瓷上。影響脫層的首要因素其實(shí)是燒結(jié)質(zhì)量，其次才是電鍍。本文均以燒結(jié)合格為前提來討論。

從表1和圖1可知，除油液的配方、溫度、時(shí)間均對(duì)脫層有影響，有無強(qiáng)堿(NaOH)是影響脫層的首要因素，溫度和時(shí)間為次要因素。含強(qiáng)堿、溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng)，脫層就越嚴(yán)重。

表1 不同除油的溶液配方、溫度和時(shí)間對(duì)脫層的影響Table 1 Effects of bath composition, temperature, and time for degreasing on delamination

圖1 按表1中方案1(a)、4(b)、6(c)、8(d)除油后的表面狀態(tài)Figure 1 Surface state after degreasing by following the Scheme No.1 (a), No.4 (b), No.6 (c), and No.8 (d) described in Table 1

從理論上講，除油液中的OH?對(duì)玻璃粉影響最大。NaOH的電離程度遠(yuǎn)高于Na2CO3和Na3PO4，而溫度影響熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。實(shí)際結(jié)果比較符合理論。由于MLCC電鍍前的工序均不涉及到使用沖壓油、潤(rùn)滑油等油類，臟污只是轉(zhuǎn)移過程中的指印、汗?jié)n等，因此采用不含強(qiáng)堿的中性除油液便可。經(jīng)驗(yàn)證，除油液配方及工藝條件為：Na2CO320 g/L，Na3PO420 g/L，Na2SiO320 g/L，溫度50 °C，時(shí)間3 min。

2.2 浸蝕對(duì)脫層的影響

浸蝕液對(duì)脫層的影響極大。筆者前期按照常規(guī)電鍍所用的鹽酸或硫酸浸蝕液，水洗后鍍鎳，檢查工件時(shí)發(fā)現(xiàn)幾乎100%脫層。開始一直以為是鍍鎳工藝的原因，后來才發(fā)現(xiàn)工件在鹽酸或硫酸中浸泡2 ～ 3 s便出現(xiàn)了偽脫層(指目視沒有脫層，但Cu層和陶瓷之間結(jié)合力很差，如圖2所示)，受到輕微外力影響(如與陪鍍鋼珠摩擦)便脫層。有資料指出，該類產(chǎn)品不能用強(qiáng)酸浸蝕[3]，因?yàn)閺?qiáng)酸會(huì)影響玻璃粉，進(jìn)而影響結(jié)合力。經(jīng)驗(yàn)證，浸蝕液的配方及工藝條件為：檸檬酸15 g/L，常溫，時(shí)間2 min。

2.3 鍍鎳對(duì)脫層的影響

鍍鎳采用常規(guī)氨基磺酸鎳體系，即：氨基磺酸鎳350 ～ 400 g/L，氯化鎳10 ～ 15 g/L，硼酸35 ～ 40 g/L，溫度50 ～ 55 °C，pH 4.3 ～ 4.8。除陪鍍鋼珠與產(chǎn)品的體積比例需大于8，且總體積不能超過滾筒的1/3，電流密度控制在0.5 ～ 1.0 A/dm2范圍內(nèi)之外，鍍鎳的關(guān)鍵還在于通過加入添加劑使鍍層具有一定的壓應(yīng)力，令Ni層向Cu層和陶瓷面擠壓，以保證結(jié)合力。壓應(yīng)力可通過如圖3所示的鍍層應(yīng)力分析儀測(cè)定。

圖2 浸完強(qiáng)酸后的偽脫層狀態(tài)Figure 2 Pseudo-delamination after immersion in strong acid

圖3 有壓應(yīng)力(左)和無壓應(yīng)力(右)的鍍層測(cè)試結(jié)果Figure 3 Test results for the coatings with (left) and without (right) compressive stress

2.4 鍍金對(duì)溢鍍的影響

金的標(biāo)準(zhǔn)電極電位很正，因此極容易在Ni層邊緣向陶瓷上析出，導(dǎo)致溢鍍，嚴(yán)重時(shí)直接導(dǎo)致電容器聯(lián)通而短路失效。筆者驗(yàn)證了氰化物鍍金和檸檬酸鹽鍍金兩種體系，結(jié)果如圖4所示。氰化物鍍金更活潑，溢鍍嚴(yán)重；采用檸檬酸鹽鍍金可以避免該問題，但要防止電流過大導(dǎo)致的鍍層燒焦。

經(jīng)驗(yàn)證，檸檬酸鹽體系的配方及工藝條件為：Au(以檸檬酸金鉀加入)5 ～ 8 g/L，檸檬酸鉀100 ～ 120 g/L，檸檬酸50 ～ 60 g/L，磷酸氫二鉀20 ～ 30 g/L，乙二胺四乙酸二鈉2 ～ 5 g/L，電流密度0.3 ～ 0.6 A/dm2。

圖4 氰化物鍍金(左)和檸檬酸鹽鍍金(右)的產(chǎn)品外觀Figure 4 Appearance of the products electroplated in cyanide bath (left) and citrate bath (right), respectively

3 結(jié)論

與常規(guī)材料電鍍不同，MLCC電鍍整個(gè)流程必須在中性環(huán)境下進(jìn)行。選擇合適的除油、浸蝕、鍍鎳溶液，可以改善MLCC脫層現(xiàn)象；選擇檸檬酸鹽鍍金體系，可以改善鍍金后溢鍍的問題。另外，本輪實(shí)驗(yàn)的陪鍍鋼珠直徑及混合比例是根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)來選擇的，有待進(jìn)一步通過正交試驗(yàn)來確定其最優(yōu)范圍。