4. Выбор электролитов и их эксплуатация

Выбор электролита для получения того или иного покрытия следует производить с учетом назначения, типа, материала и состояния поверхности деталей, а также требований к свойствам покрытий. Правильный выбор электролита определяет получение необходимой структуры и характеристик гальванических покрытий. Для получения каждого вида покрытий разработано большое число электролитов, из которых необходимо выбрать электролит, обеспечивающий обслуживание РЭА.

В качестве примера можно привести электролиты никелирования, цинкования, меднения, серебрения, золочения и получения сплава олово-никель. Растворы никелирования, необходимые для получения покрытий никелем в РЭА, имеют разнообразное применение. Сернокислый электролит матового никелирования обеспечивает осаждение тонких покрытий (толщиной 3-6 мкм), используемых в качестве подслоев под круговые или локальные покрытия золотом и его сплавами, серебром, палладием, сплавом олово-свинец и др. В данном случае никелевый слой выполняет барьерные функции, должен иметь прочное сцепление с материалом детали и последующими покрытиями. Чистота осадка, возможно меньшие напряжения и никаких требований декоративности – этим условиям наиболее полно удовлетворяет электролит, содержащий хлорид и сульфат никеля.

Для получения толстослойных финишных покрытий, подвергающихся высокотемпературным воздействиям при аргоно-дуговой сварке деталей, изготовлению металлостеклянных изделий, пайке высокотемпературными припоями или механической доводке, которые должны обладать минимальными внутренними напряжениями, удобно использовать сульфаматный электролит никелирования, характеризующийся к тому же высокой скоростью осаждения. Покрытия, получаемые из сульфаматного электролита, могут иметь поверхностную пассивную пленку, ухудшающую смачиванием припоем и адгезию последующих покрытий. В силу этих причин этот электролит нецелесообразно использовать для осаждения под пайку низкотемпературными припоями или в качестве подслоя.

Для предварительного никелирования деталей из коррозионно-стойких сталей, специальных и прецизионных сплавов и активирования никелевых покрытий целесообразно иметь соляно-кислый электролит известного состава. При необходимости никелирования большого числа деталей из алюминия и его сплавов необходимо применять специальный электролит, содержащий помимо солей никеля фтористый калий или натрий и надсернокислый калий.

Для покрытия деталей, требующих блестящей, декоративной отделки, обычно используют электролиты с различными блескообразователями (формалином, сульфанолом, бутиндиолом, нафталиндисульфокислотой и т.п.). Покрытия из этих электролитов плохо паяются и трудно свариваются, обладают повышенной пористостью и пониженными защитными свойствами, повышенными внутренними напряжениями, пониженной адгезией, непригодны для пружин. Применение блестящего никелирования должно быть технически и экономически обосновано.

Из электролитов цинкования наиболее простым является цианистый раствор, обладающий высокой рассеивающей и кроющей способностью. Этот электролит используют для покрытий деталей сложной конфигурации. Для получения покрытий на деталях типа пружин и крепежных деталей следует применять аммиакатный электролит, обладающий более высокой электропроводностью и более высоким выходом по току по сравнению с цианистым электролитом, но более дорогостоящий, чем цианистый электролит. Для работы на механизированных линиях следует применять аммиакатный электролит.

Тонкие медные покрытия используют в качестве подслоя в основном для обеспечения хорошей адгезии последующих покрытий с основой. Для этих целей применяют цианистые электролиты. Эти электролиты используют для обработки латуней с высоким содержанием цинка, оловянистых, алюминиевых, бериллиевых бронз перед погружением их в кислые электролиты, паяных деталей, при отделке углеродистых сталей.

Сернокислые электролиты меднения обладают более высокой рассеивающей способностью и обеспечивают получение более гладких, мягких, лучше полирующихся покрытий по сравнению с покрытиями, получаемые из цианистых электролитов. Сернокислые электролиты применяют для осаждения толстослойных покрытий. Следует учитывать, что в кислых электролитах больше опасность контактного выделения меди в отверстиях и каналах. Сернокислые электролиты с высокой концентрацией серной кислоты (до 120 г/л) и пониженным содержанием меди используют в производстве печатных плат.

Общеизвестно, что наилучшим из электролитов серебрения является цианистый раствор. Для получения мелкокристаллических мелкокристаллических покрытий на деталях контактных устройств, работающих на трение и требующих повышенного сопротивления механическому износу, пригоден цианистый электролит, содержащий 40-45 г/л металлического серебра, 90-120 г/л цианида и 10-15 г/л никеля. Этот электролит характеризуется более высокой скоростью осаждения, чем обычный цианистый электролит, и дает более гладкие и плотные, менее пористые осадки, поэтому может использоваться для покрытия всех деталей, подлежащих серебрению, включая детали СВЧ-устройств.

Для предварительного серебрения используют другой по составу цианистый электролит. Предварительный слой (0,2-0,8 мкм) серебра обеспечивает адгезию последующего покрытия серебром и определяет функционирование изделий.

Для получения особо чистых покрытий золотом на деталях СВЧ-устройств в изделиях полупроводниковой техники целесообразно использовать фосфатные растворы, содержащие 10-20 г/л металлического золота, 30-40 г/л двузамещенного фосфата калия и 10-20 г/л однозамещенного фосфата калия. Покрытия из этого раствора пластичны, обладают незначительными внутренними напряжениями, термоустойчивы, позволяют получать осадки с содержанием 99,99 % золота.

Для покрытия деталей контактных устройств, в том числе работающих на трение и требующих повышенного сопротивления механическому износу, лучше применять цитратный раствор с добавкой 1-3 г/л металлического никеля (или кобальта). Такие покрытия обладают высоким коэффициентом зеркального отражения.

Для получения покрытий сплавом олово-свинец (60), как правило, используют преимущественно борфтористоводородные электролиты, стабильные во времени и достаточно удобные в эксплуатации. Одной из основных задач при осаждении сплавов является получение стабильного состава покрытия: содержание олова в оловянно-свинцовом сплаве должно составлять 58-63 %, содержание свинца 42-37 %. Для производства удобны электролиты, в которых соотношение металлов приблизительно совпадает с их процентным соотношением в осадке. Рекомендуемые электролиты для осаждения сплава олово-свинец довольно значительно различаются по концентрации основных компонентов, что можно видеть из данных, представленных в справочных материалах. Для выбора электролита необходимо провести оценку с точки зрения влияния основных и добавочных компонентов на работу электролита, состав и качество покрытия, учитывая возможности анализа для корректирования состава раствора. Электролиты разбавленные по металлам, характеризуются более высокой рассеивающей способностью, чем концентрированные растворы, что немаловажно для покрытия сложнопрофилированных деталей или печатных плат для достижения более равномерного распределения покрытия, например в отверстиях и контактных площадках плат.

В интервале концентрации борфтористоводородной кислоты 90-100 г/л отношение олова и свинца в покрытии меняется незначительно. Более низкая концентрация кислоты повышает содержание свинца в осадке (при снижении концентрации кислоты до 20 г/л образуется метаоловянная кислота и выпадает в осадок борфтористоводородный свинец). Увеличение концентрации кислоты выше 100 г/л (вплоть до 200 г/л) изменяет содержание свинца не более чем на 3 %, не улучшает качества осадка, но удорожает электролит.

Эксплуатацию гальванических ванн необходимо осуществлять в строго регламентированных условиях, которые определяются типом электролитов, оборудованием, приспособлениями и т.д. Одними из определяющих условий являются плотность тока и температура, от которых зависят скорость осаждения, время обработки деталей, долговечность ванн и качество покрытия.

Катодная плотность тока связана с другими условиями осаждения, которые должны сочетаться определенным образом для получения максимального эффекта. Как известно, катодная плотность тока влияет на рост кристаллов, тем меньше замедляя их рост, чем слабее выражена катодная поляризация. Помимо скорости роста осадков приходится считаться с дендритообразованием на острых кромках и краях, где плотность тока всегда выше, чем на гладкой, ровной поверхности деталей, с выделением водорода, которое интенсифицируется с повышением плотности тока и влияет на величину рН прикатодной пленки и образование в ней нерастворимых соединений, способных включаться в покрытие. По этой причине катодная плотность тока должна соответствовать концентрации компонентов электролитов и величине рН.

При получении покрытий необходимо обращать внимание также и на анодную плотность тока, которая может оказывать существенное влияние на работу гальванической ванны. Слишком высокая анодная плотность тока способствует интенсивному растворению анодов или вызывает пассивирование анодов вследствие избыточного образования кислорода или изменения валентности металла и образования оксидов металлов (как, например, в электролите меднения). При прочных непробиваемых для тока пассивных анодных пленках сила тока может падать до нуля. Как при пассивировании анодов, так и при их усиленном растворении разбаланс ванны и нарушение качества покрытий.

Осаждение катодных покрытий производят обычно на постоянном токе. Иногда применяют реверсирование тока с длительностью катодного периода, в 10 раз превышающей длительность анодного периода. Как правило, реверсирование тока используют при осаждении из цианистых электролитов – цинкования, кадмирования, меднения, серебрения.

Напряжение постоянного тока при осаждении катодных покрытий не имеет определяющего значения и зависит от электрической проводимости электролитов, поверхности загрузки, плотности тока, загрузочных приспособлений, межэлектродного расстояния, температуры электролитов и других факторов. Обычно диапазон напряжения составляет 0,5-25 В. Излишне высокое напряжение свидетельствует о каких-либо нарушениях – чрезмерно низкой проводимости электролитов, неправильно выбранном межэлектродном расстоянии и т. п.

Следующим по важности фактором режима осаждения является температура. Правильно выбранная и соотнесенная с плотностью тока температура обеспечивает нормальный режим работы ванны и получение качественных покрытий. При повышенных температурах осаждаются крупнокристаллические осадки, но зато электролиз можно вести при повышенных плотностях тока и выходах по току. Нарушение температурного режима работы ведет к серьезным последствиям. Так, например, при перегреве электролитов осаждаются некачественные покрытия на углубленных участках деталей при проведении электролиза в цианистом электролите; к осаждению крупнокристаллических покрытий из сульфатно-аммониевого электролита кадмирования; к получению темных, полосатых, шероховатых покрытий сплавом олово-никель и т.д.

Кроме перечисленных на качество покрытий оказывает влияние и другие факторы, например, перемешивание электролита, фильтрование (периодическое или непрерывное), правильный подбор анодов, применение ультразвука, проведение электролиза в нестационарных условиях и т.д.

Работоспособность ванн определяется режимом эксплуатации, т. е. соблюдением состава электролитов и условий электролиза. К факторам, определяющим работоспособность гальванических ванн, можно отнести:

накопление недопустимых примесей выше нормы, например избыточных количеств меди и железа в электролите палладирования;

накопление органических продуктов электролиза, например при цитратном золочении;

длительный период бездействия ванны и разложение ее компонентов, например, при эксплуатации электролита анодного окисления серебряных покрытий.