基于恒压控制模式镀锡工艺研究

胡 杨，李柱祥，胡水莲

（国营芜湖机械厂， 安徽 芜湖 241007）

由于镀锡层具有良好的耐蚀性、导电性和化学稳定性［1］，广泛应用于航空修理领域，同时也是保护电子互连和铜电路的关键耐蚀金属［2］。电流密度对镀层的成分和形貌有重要的修整作用，对镀层的致密性和均一性亦有较大影响［3-4］，故航空产品实际镀锡生产时，需满足一定的电流密度要求［5］，即按照产品面积设定电流。因此电镀前必须对所需电镀产品的加工面积进行计算。此时，若电镀过程中取放产品，需立即更改设定电流。由于航空产品小批量，多品种，形状复杂的特点，过程中不可避免会遇到加工面积难以计算的问题，增加了电镀加工过程的控制难度。因此探究电流密度、电压、零件加工面积之间关联关系，试验不同电压条件下电镀镀层沉积情况以及镀层性能情况，研究基于恒压模式的电镀过程控制规律，形成可实际应用的基于恒压控制模式的电镀锡工艺。

所谓恒压控制，就是在电镀前将电源控制柜上的恒压开关（或恒压档）合上、恒流开关（或恒流档）断开［6］。按试验规律与膜厚实测的结果设定电压与时间，这样在整个电镀处理过程中，控制电压是恒定不变的。本研究通过大量试验，探究不同电压数值的适用范围，通过验证沉积情况、镀层性能情况，形成可实际应用的基于恒压控制模式的电镀锡工艺，供从事航空产品镀锡技术与生产的同行们参考。

1 实验部分

1.1 材料和工艺条件

本研究试样为45A 钢试片和试棒，具体成分见表1所示［7］。试验使用碱性镀锡槽液，碱性镀锡液成分简单，分散能力和覆盖能力好，镀层结晶细致［8-9］。工艺条件：槽液温度75 ℃～80 ℃，槽液组成为NaOH（10 g/L～15 g/L）、Na2SnO3·3H2O（50 g/L～100 g/L）、CH3COONa·3H2O（12 g/L～30 g/L）、NaBO3·4H2O（0.3 g/L～0.5g /L），施加的电流密度为2 A/dm2～3 A/dm2。

表1 45A钢材料化学成分Tab.1 Chemical composition of 45A steel

1.2 仪器和工艺流程

工艺流程：45A 工件试样→除油→热水洗→水洗→活化→水洗→中和→水洗→镀铜→水洗→镀锡→水洗→热水洗→干燥→成品检验。

采用TGDF 500A/12V 型高频开关电源为镀锡电源；采用XDLM-237 型X 射线荧光镀层测厚仪测定膜厚；按GB5270—2005 进行结合力试验，镀层应与基体金属结合牢固，无起皮、脱落现象［10］；按GB/T10125—2021 进行耐蚀性试验，经过24 h 盐雾试验的试片，每10 dm2表面上的基体腐蚀斑不应超过6 个，任一个腐蚀斑的直径不应超过1.59 mm［11］；按HB5067.1—2005进行氢脆性试验，氢脆性应满足缺口拉伸延迟破坏试验，破断时间大于200 h［12］；按HB 5046—93 进行可焊性试验，锡镀层和焊料不应分离，锡镀层和基体金属不应分离［13］。

1.3 实验思路

使用恒压控制模式，对不同加工面积的试样进行镀锡处理，使实际电流密度Jk分别满足（2 A/dm2～3 A/dm2）范围上下限，且数值稳定至少3 min，记录此电压数值。通过对所有数据建立数学模型，分析得出恒压控制模式镀锡规律。其次，对不同电压下的沉积速率和镀层性能进行验证，探究其适用性。

2 结果与讨论

2.1 恒压控制镀锡规律

2.1.1 Jk为下限

使用恒压控制处理不同加工面积试样，电流密度为2 A/dm2时，电压与加工面积对应关系见表2。

表2 加工面积与电压关系Tab.2 Relationship between processing area and voltage

对上表数据进行数学运算，使用工具进行拟合，得到电流密度、电压与加工面积之间的关联关系（见图1）。当加工面积S大于等于5 dm2时，输入电压U满足图1模型，即U=0.166S+2.474。

图1 Jk下限模型示意图Fig.1 Schematic diagram of Jk lower limit model

2.1.2 Jk为上限

使用恒压控制模式处理不同加工面积试样，使电流密度为3 A/dm2时，电压与加工面积对应关系见表3。

表3 加工面积与电压关系Tab.3 Rrelationship between processing area and voltage

对上表数据进行数学运算，使用工具进行拟合，得到电流密度、电压与加工面积之间的关联关系。当加工面积S大于等于5 dm2时，输入电压U满足图2模型，即U=0.196S+3.238。

图2 Jk上限模型示意图Fig.2 Schematic diagram of Jk upper limit model

2.1.3 模型验证

上述两个模型中，U分别为加工某S面积试样所设定电压的上下限。对于某一S，U=0.166S+2.474代表许用电压的最小值，U=0.196S+3.238 代表许用电压的最大值，即使用恒压镀锡时，设定电压大小应在两个电压值之间。

使用45#钢试片进行规律验证，主要针对恒压设定为4 V、5 V、6 V、7 V 下的加工极限进行验证，探究其是否满足2 A/dm2～3 A/dm2要求，实验结果见表4。

表4 模型规律验证表Tab.4 Record table of model rule verification

由表4 试验数据可知，在各电压加工极限值下，实际电流密度Jk符合2 A/dm2～3 A/dm2要求，研究拟合的关系模型成立。

2.1.4 规律总结

对U=0.166S+2.474、U=0.196S+3.238 两个模型进行整理，有如下规律：

U=4 V 时，适用于5 dm2～8 dm2面积零件的镀锡加工；

U=5 V 时，适用于8 dm2～1 4 dm2面积零件的镀锡加工；

U=6 V 时，适用于14 dm2～19 dm2面积零件的镀锡加工；

U=7 V 时，适用于19 dm2～27 dm2面积零件的镀锡加工；

当S不足5 dm2时，可增加同槽试片，再采用恒压控制模式电镀。

2.2 镀层沉积情况

在实际生产中，除厚度外，金属镀层的镀层均匀性与完整性也是检验镀层质量的重要指标。如果厚度不均匀，往往其最薄的地方首先被破坏，其余部位镀层也会失去保护作用。依据法拉第定律，镀层厚度的均匀性主要反映了阴极表面上电流分布的均匀性［13］。为了评定恒压控制模式下金属或电流在阴极表面的分布情况，需要验证该模式下镀液的分散能力；同时为了评定零件深凹处沉积金属镀层的能力，需要对其覆盖能力进行验证分析。通过验证其分散能力及覆盖能力，可以分析恒压控制模式下，外形复杂零件表面镀层能否分布均匀。项目将采用对深孔试件进行试验，看其镀层沉积情况。

试验使用异形试片、通孔试件作为研究对象，采用恒压控制模式工艺对试样进行镀锡20 min，通过对试样上锡层分布情况进行分析，对分散及覆盖能力试验探究，镀后外观见图3，其中，图3（b）中数字“1”代表1倍直径范围区域，数字“2”代表除1倍直径范围外的2倍直径范围内区域。

图3 试样形貌图Fig.3 Morphology of samples

如图3所示， 锡镀层为银灰色至浅灰色，结晶均匀、细致。各试样凹凸处、深孔处均有较光亮的锡层。使用X 射线荧光测厚仪对试样进行测厚，结果见表5和表6。

表5 试样外表面镀层厚度Tab.5 Plating thickness on the outer surface of samples

表6 试样内表面镀层厚度Tab.6 Plating thickness on the inner surface of samples

从表5和表6数据来看，异形试片外表面厚度分布均匀，且其外凸处、深凹处亦存在良好锡层，且沉积效率较快：22 μm/h～30 μm/h；通孔试件外表面镀层分布均匀，且通孔试件2 倍直径范围内均有不低于2 μm 锡层，大于2 倍直径范围存在锡镀层，满足GJB 594A—2019《金属镀覆层和化学覆盖层选择原则与厚度系列》中“直径或宽度不大于10 mm 的直通孔，其深度不小于直径或宽度的3倍时，允许无镀层；小于3 倍时，镀层厚度不做要求”规定［14］。说明恒压控制模式生产的锡镀层沉积速率较好，且具有良好的分散性和覆盖性。

2.3 镀锡层性能试验

根据本文1.2中性能试验要求，探究了不同电压下恒压控制模式镀锡所得镀层的性能，以验证该工艺的可靠性，实验结果见表7。

表7 镀层性能试验结果Tab.7 Results of plating performance test

由表7 数据可知，恒压控制时，不同电压下的镀层各项性能均满足标准要求，恒压控制镀锡层结合力良好，耐蚀性强，氢脆性影响低，可焊性好，可应用于实际生产。

3 结 论

（1）基于恒压控制模式镀锡工艺经过各项实际验证，性能稳定，质量可靠，能够适用于航空零件电镀实际生产，生产时槽温控制在75 ℃～80 ℃，电源设定按如下工艺进行：U=4 V 时，适用于面积5 dm2～8 dm2零件的镀锡加工；U=5 V 时，适用于面积8 dm2～14 dm2零件的镀锡加工；U=6 V 时，适用于面积14 dm2～19 dm2零件的镀锡加工；U=7 V 时，适用于面积19 dm2～27 dm2零件的镀锡加工；特殊地，当S不足5 dm2时，可增加同槽试片，再采用恒压控制模式电镀。

（2）采用恒压控制模式镀锡时，应选用适宜的电压，生产时尽量避免某一电压加工范围上下限，以减轻不良导电可能造成的影响。

（3）采用恒压控制模式，电流随工件增减自动调整，相对恒流控制而言，电镀过程中取放产品无需重新设定电流，无需精确工件面积，最大优点是适用于电镀连续性生产，配合自动化生产线使用效果更佳。