貼片式電阻器滾鍍工藝影響因素分析及改進(jìn)

孫杰，孫學(xué)亮，崔浩冉，楊博

（北京七一八友晟電子有限公司，北京 101200）

隨著工業(yè)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，貼片式電阻器、電容器等微小器件被廣泛應(yīng)用。貼片式電阻器以體積小、質(zhì)輕、節(jié)省原材料、組裝密度高、易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、性能優(yōu)良、綜合成本低以及有利于提高電子設(shè)備的可靠性等優(yōu)點(diǎn)，成為SMT（表面貼裝）工藝中使用最廣泛的元器件。電阻器產(chǎn)品一般以器件兩端作為引出端，中間部位被絕緣保護(hù)層覆蓋，兩個(gè)引出端表面先涂一層銀漿料，烘干固化后形成導(dǎo)電層，再電鍍鎳和錫，鎳鍍層用作阻擋層，錫鍍層則用于焊接。由于產(chǎn)品尺寸小，只能采用滾鍍。

滾鍍是將待鍍工件與陪鍍物一起裝入專用滾筒內(nèi)，按照生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行堿洗、酸洗、清洗等前處理后再電鍍。滾鍍過程中滾筒不停地旋轉(zhuǎn)，使得滾筒內(nèi)的溶液、工件、陪鍍物等持續(xù)得到攪拌，通過滾筒內(nèi)陰極頭的間接導(dǎo)電，在工件表面沉積得到單金屬或合金鍍層。滾筒的結(jié)構(gòu)、尺寸、體積、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)電結(jié)構(gòu)、開孔率等諸多因素都影響著滾鍍的生產(chǎn)效率和鍍層性能。尤其對(duì)于貼片式電阻器這種微小器件，滾筒內(nèi)的導(dǎo)電狀態(tài)對(duì)鍍層性能的影響更加明顯。本文分析了貼片式電阻器滾鍍工藝的影響因素，對(duì)滾筒導(dǎo)電結(jié)構(gòu)、陪鍍球種類和比例進(jìn)行了優(yōu)化，為微小器件電鍍生產(chǎn)提供參考。

1 貼片式電阻器滾鍍的主要影響因素

1.1 滾筒導(dǎo)電結(jié)構(gòu)

在貼片式電阻器滾鍍過程中，直流電通過滾筒內(nèi)的陰極導(dǎo)電頭與工件和陪鍍物連接，但并非所有工件都能與直流電直接連通。多數(shù)情況下，直流電先通過陰極導(dǎo)電頭將電流輸送給與其直接接觸的工件或陪鍍物，再由這些工件或陪鍍物傳遞給其他工件或陪鍍物。因此，在滾鍍過程中，多數(shù)工件是通過間接導(dǎo)電方式實(shí)現(xiàn)電流導(dǎo)通。間接導(dǎo)電是否連續(xù)和穩(wěn)定直接影響電流效率和鍍層性能，滾筒的陰極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)以及陪鍍物種類和比例則直接影響導(dǎo)電過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

常見的滾筒導(dǎo)電結(jié)構(gòu)有圓盤式、側(cè)鈕式、棒狀式、“象鼻”式等，如圖1所示。

圖1 幾種滾筒陰極導(dǎo)電結(jié)構(gòu) Figure 1 Several structures for electric conduction of cathode in barrel

貼片式電阻器滾鍍一般使用“象鼻”式。“象鼻”式陰極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)是將絕緣的軟銅線從滾筒兩端的中心孔穿入滾筒內(nèi)部，銅線端頭焊接銅頭，另一端用螺絲壓緊或用錫焊焊牢，電鍍時(shí)工件和陪鍍物要完全覆蓋陰極頭，方能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。

“象鼻”式陰極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)制作和維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低。但陰極由軟線連接，在滾鍍過程中陰極線來(lái)回?cái)[動(dòng)，容易纏繞變形，導(dǎo)電頭甚至被甩出產(chǎn)品接觸面，致使工件完全脫電，電鍍過程受阻，如圖2所示。此外，暴露在產(chǎn)品外的陰極頭與鍍液接觸時(shí)，金屬離子直接沉積在陰極頭表面，使電流效率降低。

圖2 滾筒滾動(dòng)過程中陰極導(dǎo)電頭的位置 Figure 2 Position of cathode head during rotation of barrel

對(duì)于貼片式電阻器而言，陪鍍物一般為鋼球，鋼球的密度較大，所以滾鍍過程中大部分貼片式電阻器位于陪鍍物上表面，通過間接導(dǎo)電在產(chǎn)品引出端電鍍鎳和錫。但在生產(chǎn)過程中使用“象鼻”式陰極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的滾筒時(shí)，由于陰極頭的不確定性，當(dāng)陰極頭翻出至表層與表層產(chǎn)品直接接觸時(shí)，可能會(huì)使產(chǎn)品表面瞬時(shí)電流密度過大而出現(xiàn)鍍層燒焦現(xiàn)象，從而影響鍍層的連續(xù)性。

1.2 陪鍍物

1.2.1 種類

陪鍍物應(yīng)具備良好的導(dǎo)電性，并且不會(huì)對(duì)器件表面產(chǎn)生機(jī)械損傷。業(yè)內(nèi)通常選用直徑為0.4 ～ 1.0 mm的鍍鎳鋼球作為微小器件電鍍的陪鍍物。然而在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，如果只是將鍍鎳鋼球和器件一起裝入滾筒電鍍，鍍層厚度往往不均勻，并且極易出現(xiàn)“雙片”現(xiàn)象（指2個(gè)產(chǎn)品貼在一起）。

1.2.2 比例

在電鍍過程中陪鍍物參與導(dǎo)電，金屬離子也會(huì)直接沉積在陪鍍物表面。因此，如果陪鍍物太多，會(huì)有大量金屬離子沉積在陪鍍物表面，造成原材料被嚴(yán)重浪費(fèi)；如果陪鍍物過少，則不能保證滾筒內(nèi)部導(dǎo)電過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。在實(shí)際生產(chǎn)中還發(fā)現(xiàn)，陪鍍物的比例若控制不當(dāng)，鍍層內(nèi)部容易出現(xiàn)分層。

2 滾鍍工藝改進(jìn)

2.1 滾筒導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

如圖3所示，將軟質(zhì)銅線改為硬質(zhì)銅桿，用耐腐蝕的絕緣材料包封，通過螺紋緊固方式在銅桿一端安裝陰極頭。當(dāng)陰極頭表面的鍍層較厚時(shí)，可直接將陰極頭擰下，更換新的陰極頭。

圖3 硬質(zhì)陰極桿結(jié)構(gòu) Figure 3 Structure of hard cathode rod

如圖4所示，改用硬質(zhì)銅桿后，陰極頭位置固定，在滾鍍過程中始終埋于工件內(nèi)部，避免了因陰極頭翻至上表層引起的電流效率降低和鍍層燒焦現(xiàn)象。

圖4 改進(jìn)后滾筒滾動(dòng)過程中陰極頭的位置 Figure 4 Position of cathode head during the rotation of barrel after being modified

2.2 陪鍍物種類的優(yōu)化

滾鍍時(shí)滾筒內(nèi)的電阻器和陪鍍鋼球堆積在一起，部分電阻器會(huì)被陪鍍鋼球包圍。由于滾鍍的特殊性，電阻器處于鋼球表層時(shí)才能與鍍液充分接觸，從而保證有足夠多的金屬離子在其表面還原沉積。而被小鋼球圍住的電阻器與鍍液接觸少，表面只有電流通過，幾乎沒有金屬離子在其表面沉積。因此，進(jìn)一步添加直徑5 ～ 7 mm的大鋼球作為陪鍍物，在滾鍍時(shí)利用大鋼球的慣性作用對(duì)器件和小鋼球進(jìn)行攪拌，不僅能夠保證所有器件均勻受鍍，還能降低器件粘在一起的概率。

2.3 陪鍍物比例的優(yōu)化

用于陪鍍的鋼球總體積相同時(shí)，鋼球直徑越小，其比表面積就越大。因此，小尺寸鋼球占比越高，滾鍍時(shí)原材料浪費(fèi)越嚴(yán)重，滾筒內(nèi)部攪拌效果就越差，但電流傳輸?shù)姆€(wěn)定性會(huì)越高。相反，大尺寸鋼球占比越高，滾筒內(nèi)部攪拌效果越好，原材料利用率提高，但電流傳輸?shù)姆€(wěn)定性會(huì)降低。

經(jīng)過多次試驗(yàn)，綜合考慮原材料利用率、電流傳導(dǎo)穩(wěn)定性、滾筒內(nèi)部攪拌均勻性等因素后，最終確定參數(shù)如下：陪鍍球與器件總體積占滾筒容積的1/3，小鋼球與大鋼球的體積比1.2∶1，電阻器與陪鍍球的體積比1∶8。

3 改進(jìn)效果

為了確定工藝優(yōu)化后能否顯著改善產(chǎn)品性能，在同一條電鍍生產(chǎn)線選取相同規(guī)格的貼片式電阻器進(jìn)行電鍍鎳和電鍍錫，并使用Fischer XULM型X射線膜層測(cè)厚儀測(cè)量鍍鎳層厚度，結(jié)果見表1。在優(yōu)化的工藝條件下電鍍時(shí)，貼片式電阻器表面鎳鍍層厚度明顯增大，電流效率大幅提高。

表1 優(yōu)化前后滾鍍鎳層厚度 Table 1 Thickness of nickel coating obtained by barrel plating under the conditions optimized or not

為了確定鍍層的連續(xù)性和均勻性，對(duì)電鍍產(chǎn)品進(jìn)行DPA（破壞性物理分析），結(jié)果見圖5。從中可知，采用改進(jìn)的工藝后，鍍層結(jié)構(gòu)完整，厚度分布均勻。

圖5 優(yōu)化前、后滾鍍鎳層的分布 Figure 5 Distribution of nickel coatings obtained by barrel plating before and after the optimization of conditions

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)貼片式電阻器這類微小器件滾鍍加工時(shí)，影響因素較多，其中滾筒內(nèi)陰極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)以及陪鍍物種類和 比例的影響最為明顯。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中必須及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，嚴(yán)格控制陪鍍物種類和比例，以保證產(chǎn)品性能。