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生产技术:电镀设备(上)

放大字体  缩小字体发布日期:2013-04-16  浏览次数:829
核心提示:只有当进行大批量相同或类似产品处理时,全自动电镀机械才能调整。现代的自动化机械只需要更少的人工操作,但是这些操作者常常要更好地掌握相关的仪器、传感器、计算机以及电镀的技术和知识。

商业电镀始于约160年前。那时的生产技术包括我们认为沉积金属所需的最基本的元件和物品:敞口的池子、基本的清洗液、冲洗液、电沉积过程、可溶或不溶的阳极以及电源。几乎没有通风和恰当的废弃物处理。整个操作过程都是手动。电沉积的质量主要取决于操作者的经验和技术水平。电沉积的一些物理性经过热处理或抛光后能得到提高。经过这么多年,电镀工业现已发展成为一门技术。在这个过程中,出现了改良的处理过程和技术,其中许多技术是保密的,除非其他生产商已了解或已掌握。后来电镀开发商开始申请专利来保护他们的发明专利权。与此同时,出现了专门从事研发和出售更好的电镀液、电镀技术和机械的厂商。

继爱迪生在实验室中的研究获得成功之后,许多工业生产公司也纷纷建立了自己的研究和发展实验室,其中包括辅助生产操作的电镀部分。电镀生产技术是因为以下需求发展的:①解决生产问题;②降低成本;③提高生产效率;④提高产品的质量;⑤满足产品设计者以及废弃物处理法规设定的新标准。现代发展起来的生产电镀技术包括具有最好化学性能的溶液,自动将产品在各个处理阶段进行传送的机器,计算机监控,存贮和处理数据的控制系统,在线以及下线检测装置,快速化学分析系统以及高效废弃物处理系统。为降低生产成本许多技术得以发展。其中涉及用同样的设备提高生产效率,使用价格便宜的原料,或除去不必要的处理步骤或设备。某些最初为了进行非电镀生产而研发的新技术也被用来进行更先进的电镀。机械自动化软件、数据装载和数据处理就是其中很好的例子。

只有当进行大批量相同或类似产品处理时,全自动电镀机械才能调整。现代的自动化机械只需要更少的人工操作,但是这些操作者常常要更好地掌握相关的仪器、传感器、计算机以及电镀的技术和知识。

1电镀设备

发明电镀设备,就是要进行成本更低的电镀操作,这是通过提高工人生产效率、提高质量和重现性以及提高电镀速度来实现的。机械设备的设计和发展适应了需求的提升。更好的材料,特别是特殊的塑料使溶液中来自机器的污染减少到最小。使用强度更高、更耐腐蚀的结构材料会延长机器设备寿命,同时使它具有更高的生产效率。现代电子和传感器技术使得更加全自动化的电镀设备成为可能。

现代电镀生产技术着眼于批量生产、自动化、质量以及使用灵活性。批量生产对低成本生产很重要。这要求机器能快速加工镀件,同时使镀件满足规格要求口]。自动化有助于减少人工成本和生产均一的产品。质量要满足市场要求和产品寿命。使用灵活性,使机器在无需作大的改动的情况下进行各种镀件的电镀,这可以大大降低更多电镀设备的成本。电镀机器类型包括转筒、振荡器、吊架、侧板、带材、线镀装置及板镀装置。

2滚镀装置

滚镀开始于内战(美国)以后。滚筒是第一个大大提高生产效率的电镀装置[2]。这里不需要零件吊起、放下,其操作与其他批量处理操作如滚筒抛光、打磨、修边、磷化以及氧化膜协调一致。滚镀装置常常占的空间较少,很容易实现自动化减少人工操作。

滚镀机有许多尺寸和样式。其中最基本的类型是:水平式和斜式。水平滚镀机通常是六角形的,带有多孔的圆柱形壁,带有可拆卸板,用于镀件的装卸(如图24—1所示)。筒可以部分或全部浸泡,并通过塑料齿轮旋转。斜或450转筒可以有实体的壁,在上端开口,内盛电镀液、阳极以及要镀的零件,也可以有多孔的壁,部分或全部浸没在一个池子中,阳极在外面。图24—2是一个自动化滚镀机器的剖面图。

对电镀滚筒的设计以及其结构材料的评估进行了许多工作[2]。一个典型的滚镀机的结构涉及到:①滚筒,它要旋转,以使它内部的零件翻转暴露出不同要电镀的地方;②池子,用以盛电镀液、阳极,支撑滚筒装置,把装筒与电源连接;③齿轮系统,用以把电机功率转化为滚筒转动;④一个使用弹性电极(也叫挠性电极)与所要电镀的元件进行电接触的方式,挠性电极通过旋转轴承或固定在滚筒内壁的金属钉供电。

为达到转筒电镀性能,如,电镀速度、沉积分布的最优化,必须认真考虑镀件的尺寸、重量、形状以及所要进行的电镀类型[引。通过下面的过程可以使沉积厚度更均匀:

(1)降低沉积厚度;

(2)增加沉积时间;

(3)增加滚筒的转速;

滚镀机装置

图24—1滚镀机装置

自动化滚镀机器的剖面图

图24—2自动化滚镀机器的剖面图

(4)增大滚筒接触电镀液的周边;

(5)减小负荷的尺寸;

(6)减小滚筒的尺寸。

电镀电流密度通常较低,每平方英尺l~2A。因为滚镀机中的镀件很多,所以即使电镀速率较慢,电镀的生产效率也很高,滚镀机可以通过使用提升臂或电梯型滚筒转送装置而实现自动化。机器通过指令或一停一转运动操作。最近发展的自动滚筒,圆筒和上部构造装置安在小车上,这样可以上下移动,电机驱动使圆筒旋转和提升。小车沿着池子上方或池子的轨道在池与池之间移动。

24.3振荡电镀装置

振荡电镀装置是最新研发的电镀装置之一。它像滚筒一样可以大批量镀小镀件,但是它是通过施于处理池底部的振荡能来移动镀件而不是通过转动[引。用振荡电镀装置可得到比用转筒电镀更均匀的镀层。这项技术可以处理易碎镀件,而不会使镀件变形或损坏。目前有两种振荡电镀装置:①所有的处理都在一个地方进行,而电镀液在电镀程序中进或出(如图24—3所示);②处理移动一个连有振动器的吊桶依次在池间移动,像传统的滚筒流水线[5,6]。振动频率和振幅都是可调的。这样可以补偿液黏度的不同达到最佳搅动条件。

振荡电镀装置

图24-3振荡电镀装置

24.4挂镀电镀装置

吊架电镀是把镀件中固定在绝缘框架上,然后人工或自动将吊架移动到要进行电镀的每个步骤[7]规定位置。人工吊架电镀需要1个操作工根据时间经常移动吊架。自动电镀产出可再现性的电镀,几乎总用于大规模生产。图24—4显示出一个用于生产印刷电路板的典型的吊架电镀装置的剖面图。

良好的吊架设计和构造对成功地进行吊架电镀是很重要的。以下因素必须考虑:

(1)镀件的尺寸和形状;

(2)基于池子和其他设备的吊架的尺寸和形状;

(3)使镀件电接触的方法;

(4)除接触以外的吊架金属部件的绝缘;

(5)介电屏蔽用以控制镀件上的电镀分布。

自动印刷电路板电镀机器剖面图

图24—4自动印刷电路板电镀机器剖面图

吊架电镀机器有两种类型:直线型和回型。直线型机器可以在一端上料,在另一端卸料,或者处理控制器设好程序把吊架托架带回起点,在那里同一个可以卸载或装卸托架。回型机器的设计是托架总是沿同一方向移动,池子的布局可以使吊架转回来,卸料点紧挨着或(和)卸料点在同一个位置。

吊架托架在机器上的运动可以是分级式、重复式或连续式的。分级式和重复式机器是在预设的时间循环内将托架移动一段固定距离。当吊架从一个池子移到另一个池子,它们在托架移动前先升起然后降低。如果吊架在一个长的电镀池中,则到达池的末端才升起。电镀的厚度取决于阴极电流密度和在池中的停留时间,有连续式吊架的机器自动升高和降低吊架以使其从一个池子移到下一个池子。对于分级重复式机器,在每一个步骤停留的时间是通过线速度控制的。

电镀机器的设计是为了使沉积的金属更均匀。侧介电的电流屏蔽挡板、阳极大小和位置是用来提高电镀分布的技术。无电解电镀相对沉积速度慢,但此方法沉积的金属更均匀。

沉积速度慢可通过一次性电镀许多镀件来补偿。无电解电镀的机器与电镀机器很相似,主要有几个重要方面不同。不用电,在镀池中停留时间长,把铜完全镀在印刷电器板上往往需要24h。为了除去颗粒需要连续镀液过滤,这些颗粒会导致自发金属沉积而耗尽溶液中的金属离子。使用完全无电解铜生产印刷线路板,是一项生产细线导体和高长宽比穿通孔的切实可行的技术。

24.5带材电镀装置

大多数带材电镀装置可分为两种:①电镀锡和电镀锌轧钢电镀装置;②用于电子元件的带材电镀装置。两种电镀装置通常都是具有在空中插接的卷到卷运转的。

24.6电镀锡

1937年以前,所有的商业镀锡钢板都是用热浸方式进行的。当20世纪30年代,连续冷轧板材轧机投入使用,使得在钢材上的电解镀锡变得比热浸法经济[9,10]。1935年,小型实验电镀机器被设计和建造出来,这个机器可高速在钢带材上镀锡。l937年电解镀锌商业化。电解镀锌比热浸法得到锌膜更薄、更均匀。

3种电镀处理被研发成功:①碱性锡酸盐;②电镀锡钢板(多磺酸盐);③卤素(氟化物和氯化物)。

电镀锡的电解槽的设计适于高快锡沉积。世界上绝大多数商业化镀锡生产线使用电镀锡钢板方法,这种方法是基于磺酸电解液。图24—5示出3种操作机器的示意图。这些机器是较大的工程奇迹,可以进行高速的带传送,每秒钟11m(大约每分钟2000英尺)。进料端使带放线为蓄套塔,塔内存有许多带。如果放出的带到了末端,它被快速停止,然后,通过焊接插接到新一卷带上。如果放线速度低于正常作业线速、蓄套塔内的带就会继续放线,直到放出的皮带赶上来,又重新存在蓄套塔内。出蓄套塔后带上已经施加了稳定的张力。

图24—6示出电解镀锡线的进料端,接下来钢在进入电镀部分前清洗和酸浸,锡阳极需要经常更换。图24-7说明了步骤,注意把电流送到阴极接触圆柱上母线的大小。高速带传送需要很高的电流来沉积所需的锡。一条典型的电镀锡钢板生产线电源容量是l00000A,24V。

对废酸洗液的控制是很重要的。因为它的量达到每小时309al。清洗后,要镀锡的带通过重熔塔,在此被加热到锡的熔点以上,这样能赋予锡浸镀所特有的光泽。熔融并淬火的锡再经化学处理、清洗、干燥。最后施于一层润滑油膜,如癸二酸二辛酯来增强其他接下来处理中的操作性能。这通常是恒电过程,即在带与一个固定电极间施加高电位,此时界面间有油雾产生。

镀带接下来进入能施于其牵引力的装置,这个装置牵引镀带并通过机器。测速器连接到传动电机上,测速器发出信号,调节与带速有关的电镀和熔融电流。

三种类型的镀锡生产线示意图

图24—5三种类型的镀锡生产线示意图

镀锡生产线入口端

图24—6镀锡生产线入口端(入口端与清洗的片连成直线,并且与另一端通过焊接以相反的方向连接)

槽中的锡阳极(记录载有通向槽中电流的母线的尺寸)

图24—7槽中的锡阳极(记录载有通向槽中电流的母线的尺寸)

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