В нашей производственной линии имеется ванна химического никелирования со средним содержанием фосфора (MPEN), а в спецификации указан диапазон 6-9 весовых процентов фосфора (вес.% P) в никелевом покрытии. У нас есть работа, в которой указывается более узкий диапазон 7-8 вес.% P. Обычно мы используем ванну MPEN для восьми циклов металлизации. Как нам гарантировать, чтобы покрытие содержало необходимое количество фосфора в соответствии со спецификацией на протяжении всего срока службы ванны?
Химическое осаждение никеля - это электрохимический процесс, при котором соединение, называемое восстановителем, окисляется в присутствии катализатора, в данном случае это сам слой никеля. При окислении освобождаются электроны, которые затем используются для восстановления ионов никеля для формирования покрытия. Характер процесса и тип используемого восстановителя обеспечивают образование сплавов, а не осаждение чистого слоя никеля.
Составы для химического никелирования разработаны для получения содержания фосфора в этом сплаве в определенных диапазонах. Они обычно включают четыре типа никелевых покрытий: с высоким содержанием фосфора (более 10,5 вес.%), со средним содержанием фосфора (6-9 вес.%), с содержанием фосфора ниже среднего (3-6 вес.%) и с низким содержанием фосфора (меньше 3 вес.%).
Каждый из этих типов покрытий обладает своими функциональными свойствами, например, высокая коррозионная стойкость, высокая износостойкость, пригодность к пайке и твердость. Важно понимать, какие факторы влияют на количество фосфора, соосаждаемого в покрытии. Некоторые из этих факторов можно и нужно контролировать, чтобы обеспечить требуемый состав сплава, а, следовательно, и желаемые свойства покрытия.
Кроме прочего, основные факторы включают:
- состав ванны химического никелирования;
- концентрация основных компонентов (никель и гипофосфит натрия);
- срок службы раствора (количество циклов металлизации);
- pH и температура процесса.
Состав.
Состав электролита химического никелирования может быть единственным фактором, наибольшим образом влияющим на формирование сплава осаждаемого покрытия. Поставщики специально разрабатывают составы электролитов, чтобы обеспечить формирование слоев в соответствии с желаемым составом сплава. Чтобы сделать правильный выбор состава, как для специалиста, так и для поставщика крайне важно понимать особые требования. Далее мы рассмотрим другие факторы, которые напрямую зависят от контроля специалиста по нанесению покрытий.
Концентрация основных компонентов.
В реакции участвуют два основных реагента, которые обеспечивают осажденную пленку, это ионы никеля и восстановитель. В большинстве электролитов химического никелирования, имеющихся в продаже на сегодняшний день, эти ионы обеспечиваются сульфатом никеля и гипофосфитом натрия. Стандартные концентрации в большинстве доступных на рынке составов составляют 6,0 г/л сульфата никеля и 30,0 г/л гипофосфита натрия. Имеются также составы, которые работают вне этих стандартов, однако, в целом, верно, что, если концентрации в составах поддерживаются на уровне +/-10% от приведенных оптимальных значений, то в покрытии будет содержаться соответствующее количество фосфора. Использование концентрации, которая ниже оптимальной, может снизить скорость реакции (скорость образования покрытия) и привести к соосаждению большего количества фосфора, чем требовалось. В свою очередь, более высокая концентрация может привести к ускорению реакции, что может ограничить соосаждение фосфора, и, что более важно, может привести к нестабильности химического состава.
Срок службы раствора.
Важный побочный продукт окисления гипофосфит-иона - это ортофосфат-ион. По мере использования ванны он накапливается в растворе со скоростью около 24-30 г/л на каждый цикл металлизации (MTO). Поэтому при продолжительном использовании ванны концентрация ортофосфита может оказаться значительной (например, после 8 MTO концентрация ортофосфита будет примерно 240 г/л). Ионы ортофосфита могут быть источником элементарного фосфора для последующего восстановления и включения в покрытие. Таким образом, по мере накопления ортофосфата в растворе увеличивается содержание фосфора в сплаве. Накопление других побочных продуктов и соединений в растворе химического никелирования (таких как ионы натрия, сульфат-ионы и соединения для поддержания растворимости никеля), которые препятствуют диффузии ионов никеля и гипофосфита на каталитической поверхности, может локально снизить концентрацию этих критически важных реагентов. При уменьшении этих локальных концентраций будет снижаться скорость реакции (или скорость осаждения), в результате чего возрастет содержание фосфора в покрытии.
Это состояние состава электролита с полностью восстановленным гипофосфитом, этот эффект необходимо компенсировать другими факторами, чтобы избежать отклонений при соосаждении фосфора. Другой метод, позволяющий противодействовать этому явлению, заключается в работе в установившемся режиме (так называемый метод "подпитки и продувки") или с использование специальных ионных мембран для удаления побочных продуктов.
pH и температура.
pH процесса может оказать существенное влияние как на скорость осаждения, так и на содержание фосфора. Побочными продуктами реакции окисления также являются ионы водорода H+. По мере увеличения количества H+ возрастает pH, что приводит к ускорению реакции и снижению содержания фосфора. Как правило, буферы в составе сдерживают эти колебания pH, однако необходимо также добавлять щелочь (например, гидроксид аммония, карбонат калия или гидроксид натрия) для нейтрализации H+ и смягчения описанного выше эффекта. Например, повышение pH всего на 0,2 может сократить содержание фосфора в составе на 1,0 вес.%.
Температура - это основной фактор, влияющий на скорость реакции; с повышением температуры скорость осаждения покрытия увеличивается экспоненциально. Обычно температура в ваннах химического никелирования поддерживается на уровне 85-
Поскольку требуется, чтобы состав электролита химического никелирования обеспечивал содержание фосфора в диапазоне 7-8 вес.% на протяжении всего срока службы раствора (8 MTO), и учитывая вышеприведенную информацию, наиболее эффективным способом контроля соосаждения фосфора является постепенное повышение pH процесса. Это позволит повысить скорость осаждения покрытия и предотвратить естественное снижение скорости, связанное с выработкой раствора.
Эмброуз Шаффер - технический директор компании Coventya.