33 Вопрос Химическое золочение.

Процесс достаточно широко распространён в электронной технике и приборостроение, в том числе и на предприятиях города. Золото используется в тех устройствах, где нужна максимальная надёжность, в различных бортовых системах специальной техники. Здесь важны: высокая электропроводность покрытия, способность к пайке и сварке, термо- и коррозионная стойкость, сохранение всех этих параметров длительное время, пайка кремниевого кристалла непосредственно на покрытие при небольших температурах.

Золотое покрытие может наноситься гальваническим путём, как правило это используют на крупносерийных производствах, но там возникают проблемы с перерасходом золота. На сложном профиле детали разнотолщинность может достигать 100%. Нужно использовать токоподводы, на которые будет садиться золото; нужно использовать крепления изделий, которые тоже будут золотиться. На ряд изделий со сложным рисунком металлизации невозможно подвести контакт.

Во всех этих случаях выявляются преимущества более дорогого процесса химического золочения, т.к. можно получить равномерные по толщине покрытия, токоподводы не нужны, аноды из драгоценных металлов не требуются, контакты к участкам подводить не нужно, в т.ч. и химическое золочение может проводиться, когда детали загружаются насыпью. Эти преимущества делают процессы химического золочения весьма конкурентоспособными.

Для проведения сборочных операций требуется необходимая толщина золотого покрытия, например, для обеспечения пайки и сварки достаточно толщины 0,7-1 мкм, а для крепления кремниевого кристалла требуется толщина не менее 2,5 мкм. Нужно подобрать составы растворов химического золочения, которые могли бы давать покрытия нужной толщины. Золото – благородный металл, имеет даже в комплексных солях электроположительный потенциал по сравнению с металлом основы. Под золото осаждается никель или его сплавы с фосфором или бором, последние тоже легко получаются методом химического никелирования. Процесс химического золочения протекает по электрохимическому механизму, обычно с анодным контролем, т.е. толщина покрытия и скорость процесса будут зависеть от возможности окисления восстановителя и от поведения электроотрицательной никельсодержащей основы. Самый высокоскоростной раствор химического золочения – тот, где в качестве восстановителя используется боргидрид натрия.

Состав: – 0,001-0,05 моль/л; 0,01-1 моль/л; 0,05-0,5 моль/л; 0,05-1 моль/л. При температуре 92-95 С, pH = 13-14, получается покрытие V= 0,5-5 мкм/ч.

Такой толщины обычно достаточно для всех сборочных операций, но этот раствор обладает и некоторыми недостатками: высокий pH, поэтому керамика, стекло, стеклоспаи, некоторые пластики при высокой температуре будут разрушаться. Раствор содержит яд цианид калия, что затрудняет использование такого раствора.

Для большинства потребителей нужно иметь растворы менее вредные и менее агрессивные, желательно чтобы они работали при нейтральных значениях pH. Для нейтральных сред наиболее приемлемым будет раствор, где в качестве восстановителя используют гипофосфит натрия. Поэтому был создан гипофосфитный раствор химического золочения.

1-5 г/л, HCit – 45-50 г/л, NH₄Cl 70-75 г/л, NaH₂PO₂ 10-25 г/л. Температура 90-92 С, pH = 6,5-7, скорость зависит от вида электроотрицательного подслоя. На никеле 0.5 мкм/ч, на NiP ~0,7 мкм/ч.

Такой раствор малоскоростной, но оказалось, что по большинству параметров сборочных операций (кроме посадки кремниевого кристалла) такой толщины вполне достаточно. В последнее время примерно такие же составы идут под названием «иммерсионного золочения». Зависимость скорости процесса от вида электроотрицательной основы показало, что в ходе золочения реализуется как минимум две реакции, приводящие к восстановлению золота.

Первая реакция – реакций контактного обмена между ионами золота и никельсодержащей основой.

Действует и гипофосфит. Пока существует никельсодержащая основа, гипофосфит на ней окисляется, электроны идут на восстановление ионов золота. Вторая реакция:

Обе реакции идут, пока существует никельсодержащая основа. По мере зарастания основы слоем золота разность потенциалов между золотом и никелем стремится к 0, контактный обмен прекращается. По мере закрытия основы слоем золота гипофосфит прекращает окисляться, процесс останавливается. Поэтому получается ограниченная толщина золотого покрытия.

Исходя из этих реакций, видна необходимость компонентов раствора гипофосфитного золочения. Например, хлорид аммония является и депассиватором никелевой основы, и лигандом для ионов никеля, т.е. облегчается анодная стадия контактного обмена. Примерно также действует и лимонная кислота. Кроме того, она связывает ионы цианида в относительно безвредный комплекс, в результате чего отработанные растворы какой-либо опасности не представляют.

Резерв по увеличению скорости в таком золочении – использование различных никельсодержащих основ с повышенной анодной активностью. Условно говоря, чем менее коррозионностойкая никельсодержащая основа, тем больший вклад в скорость процесса можно получить за счёт ускорения контактного обмена. Поэтому скорость на сплаве NiP, особенно переходной аморфно-кристаллической структуры, будет больше. На сплавах NiB за счёт ещё меньшей коррозионной стойкости (большей анодной активности) скорость химического золочения будет ещё больше.

После химического золочения на никелевой основе, и особенно – на сплавах NiP, в результате долговременного хранения появляются на покрытии черные участки (черные контактные площадки). Это связывают с тем, что в условиях хранения при наличии определённой влажности могут продолжаться обменные процессы, и никелевая основа, подрастворяясь, даёт черные оксиды никеля, которые снижают адгезию золотого покрытия и его функциональные свойства. Весьма перспективным здесь будет использование или покрытий NiP с аморфной структурой, с минимальной анодной активностью, или покрытий NiB, которое изначально практически всегда анодное, а продукты их окисления не влияют на свойства золотых покрытий.

Для получения толстослойных золотых покрытий используются растворы химического золочения примерно такого же состава, как и гипофосфитные, но в качестве восстановителя в них используется гидразин-сульфат. В отличие от гипофосфита, гидразин-сульфат способен окисляться и на никельсодержащей основе, и на растущем золотом покрытии. В результате процесс во времени не останавливается, а значит, можно набрать нужную повышенную толщину.