Защитные покрытия деталей РЭС-4

Введение

В производстве РЭС существует большое разнообразие покрытий как целых устройств, так и элементов. Эти покрытия во многом определяют надежность работы РЭС. Покрытия при производстве РЭС преследуют различные цели, среди которых наиболее существенными являются: защита поверхности от коррозии; получение красивого внешнего вида; придание поверхности изделия более высокой механической прочности, высокой электропроводности.

По материалу пленок покрытия разделяются на металлические, химические и лакокрасочные.

При выборе покрытия необходимо учитывать условия работы изделия и отдельных деталей.

Легкие условия работы имеют герметизированные и теплоизолированные детали, а также детали РЭС, устанавливаемые в закрытых помещениях, в которых не содержатся промышленные газы.

Средние условия эксплуатации имеют детали негерметизированной аппаратуры, работающей в условиях наружной атмосферы при Т – 60±70^оС и относительной влажности воздуха 70÷95%.

В жестких условиях работают детали негерметизированной РЭС при непосредственном воздействии дождя и снега при температуре от -60÷+70^оС и относительной влажности воздуха до 98%, в условиях морской и тропической атмосферы, а также РЭС, установленной в местах, доступных скоплению промышленных газов.

1. Гальванические покрытия

Гальванические покрытия являются металлическими покрытиями и широко используются для защиты поверхностей деталей от коррозии и придания им красивого внешнего вида. Физической основой гальванических покрытий является процесс электрохимического осаждения, то есть такое явление, при котором постоянный электрический ток проходит через электролит и вызывает электрохимическую реакцию разложения его. При этом на катоде происходит осаждение чистого металла, а на аноде происходит реакция окисления и переход в электролит положительно заряженных ионов металла анода. В качестве электролитов используются растворы солей и кислот, тип и содержание которых определяется видом гальванического покрытия.

В зависимости от характера защиты изделия от коррозии все металлические покрытия подразделяют на анодные и катодные. Анодными называют покрытия, электрохимический потенциал металла которых в данной среде более электроотрицателен, чем электрохимический потенциал основания. Катодными называют покрытия с обратным соотношением потенциалов. На рис. 1 показана схема коррозии железа, покрытого цинковой (а) и медной (б) пленками.

Рис. 1. Схема коррозии железа, покрытого цинковой (а) и медной (б) пленками

В случае нарушения целостности цинкового слоя и заполнения трещины влагой образуется гальванический микроэлемент цинк-железо. Во внешней цепи микроэлемента потечет ток от железного к цинковому слою, так как электродный потенциал железа (-0,44 В) больше, чем у цинка (-0,76 В). Во внутренней цепи от цинковой пленки к железному основанию катионы Zn²⁺ будут перемещаться к аноду, а Н⁺ в направлении поверхности железа; пойдет реакция вытеснения водорода по схеме

Zn²⁺ + H₂O = ZnO + 2H.

Водород, выделившийся на поверхности железа в виде пузырьков газа, защищает его от химической коррозии до тех пор, пока не растворится весь цинковый слой. В этом случае цинковая пленка защищает основание от коррозии не только механически, но и электрохимически.

В случае пленки из меди, ток в микроэлементе потечет во внешней цепи от медного слоя (+0,34 В) к железу (-0,44 В). В этом случае катионы Fe³⁺ будут уходить в раствор, а Н⁺ к поверхности медной пленки. Реакция вытеснения водорода пойдет по схеме

2Fe + 3H₂O = Fe₂O₃ + 6H.

Следовательно, медная пленка не только не защищает основание от электрохимической коррозии, но и поддерживает этот процесс. В случае катодного покрытия пленка металла защищает основание механически, но не электрически.

В табл. 1 приведены значения электродных потенциалов чистых металлов.

Таблица 1

Металл	Электродный потенциал	Металл	Электродный потенциал
Магний	-2,4	Олово	-0,14
Алюминий	-1,66	Свинец	-0,126
Цинк	-0,76	Водород	0,000
Хром	-0,71	Медь	+0,34
Железо	-0,44	Палладий	+0,799
Кадмий	-0,40	Платина	+0,19
Никель	-0,23	Золото	+0,42

При любом виде гальванических покрытий стремятся уменьшить разность потенциала основного металла и покрытия с целью увеличения адгезии и снижения электрохимической коррозии.

Основные требования, предъявляемые к гальваническим покрытиям: высокая адгезия пленки, мелкозернистая структура, минимальная пористость, равномерная толщина покрытия.

Технология нанесения гальванических покрытий состоит из следующих основных этапов: подготовка поверхности; нанесение покрытия; промывка и сушка; контроль толщины покрытия.

Подготовка поверхности заключается в механической обработке, обезжиривании и травлении.

Механическую обработку производят с целью повышения чистоты поверхности, удаления неровностей (заусенцев, острых кромок, сварочных брызг), продуктов коррозии. Для этих целей в гальванических цехах применяют гидропескоструйную обработку, шлифование и полирование, галтовку (обработку во вращающихся барабанах с загруженными опилками, песком и т.д.), крацевание (обработку стальными, медными или латунными щетками).

Для удаления жировых загрязнений животного и растительного происхождения применяют химическое обезжиривание в водных растворах: едкого калия (КОН) или едкого натра (NaOH), кальцинированной соды (NaCO₃), жидкого стекла (NaSiO₃). Удаление загрязнений минерального происхождения (минеральных смазок, масел) производят предварительной промывкой деталей в органических растворителях (бензин, керосин), с последующей обработкой более энергичными растворителями – ацетоном (С₃H₆O), трихлорэтиленом (С₂HСl₄), четыреххлористым углеродом (ССl₄).

Хороший эффект удаления жировых загрязнений, особенно с поверхностей мелких деталей, получают при ультразвуковой очистке, которую осуществляют в специальных ваннах с водными растворами щелочей или с органическими растворителями. Кроме того, ультразвуковая очистка применяется для удаления полировочных паст после полирования.

Травление применяется для удаления с поверхности пленок и окислов обезжиренных и промытых деталей. Травление производится обычно в растворах серной, соляной и азотной кислоты. Заключительной операцией подготовки поверхности является декапирование (легкое травление), которое осуществляется погружением деталей в 5–10 процентный водный раствор серной или соляной кислоты, или их смеси.

Для гальванических покрытий мелких деталей применяют вращающиеся ванны (колокола) с наклонной осью вращения. Колокол, изготовленный из стали, внутри покрыт резиной или термопластичной пластмассой, на которые укладывают медные контактные пластины – катоды. Анодная пластина крепится на неподвижно крепящейся штанге. Детали насыпают на дно ванны, наполненной соответствующим электролитом. Во время покрытия колокол вращается, что обеспечивает равномерное осаждение металла по поверхностям всех деталей. Крупные детали покрываются в стационарных ваннах, которые оборудуются специальными транспортерами, обеспечивающими перемещение деталей параллельно анодам.

После нанесения покрытий деталей осуществляется их промывка сначала в горячей проточной воде, а затем в проточной холодной воде с последующей сушкой в струе сжатого воздуха.

Процесс гальванических покрытий производят на автоматизированных линиях, выполняющих основные операции: перемещение деталей из одних ванн в другие, подача растворов, регулирование режимов температуры, плотности тока.

Контроль качества покрытий заключается в определении прочности сцепления пленок с поверхностью материала детали и толщины пленки.

Различают качественные и количественные методы определения прочности сцепления.

К качественным относятся методы: полирования, нагрева до определенной температуры, многократного изгиба под углом 90^о. При этом не должно наблюдаться вздутий или отслаивания пленки.

Количественный метод контроля основан на определении силы, необходимой для отрыва пленки от металла детали.

Контроль толщины покрытия осуществляют химическими и физическими неразрушающими методами.

К химическим методам относится, например, метод капли, сущность которого заключается в следующем. На гальваническую пленку при помощи капельницы наносят каплю растворителя, состав которого зависит от типа покрытия, и выдерживают одну минуту. После поверхность насухо протирают и затем наносят вторую каплю и так до тех пор, пока не обнаружится поверхность металла детали. Толщину слоя в мкм (δ) определяют из соотношения δ = (N – 1) K (N – число капель, K – толщина слоя, растворяемого за 1 мин). Однако этот метод в настоящее время мало применяется из-за его трудоемкости.

Более совершенными и высокопроизводительными являются физические (неразрушающие) методы: магнитный и электромагнитный, позволяющие определять толщину немагнитных пленок, нанесенных на магнитные металлы; метод вихревых токов, который позволяет измерять толщину немагнитных и слабомагнитных пленок, нанесенных на немагнитные металлы.

В производстве радиоэлектронных средств применяются следующие гальванические покрытия.

Цинковое покрытие применяется для защиты от коррозии стали и чугуна; по стали оно является анодным. Цинковое покрытие имеет среднюю твердость, выдерживает изгибы, развальцовку, хорошо паяется мягкими припоями, сваривается. Во влажной среде на поверхности образуется окисная пленка. При температуре + 80^оС цинк быстро корродирует, морская вода разрушает его. Для цинкования применяются кислые (на основе солей ZnSO₄, Na₂SO₄) и щелочно-цианистые (ZnO, NaCN, NaOH) электролиты. Вторые позволяют получить более качественные покрытия и их применяют при покрытии сложных деталей, однако они сильно ядовиты. Процесс цинкования ведут при плотностях тока 100–200 А/м².

В настоящее время в РЭС для защиты от коррозии белые цинковые покрытия не применяются вследствие их малой стойкости. Для этого на последней операции цинкования детали подвергаются хроматированию в солях двухромового натрия. Для хроматирования детали с цинковым покрытием промывают в проточной воде, а затем переносят в хроматную ванну, где выдерживают в течение нескольких секунд. В результате этого получается цинковое радужное покрытие, более стойкое против действия агрессивных сред.

Цинковое покрытие применяется для защиты деталей, работающих в легких и средних условиях эксплуатации. Толщина покрытия составляет 6 – 30 мкм. На чертежах цинковое покрытие обозначается Ц.9.хр (цифра 9 обозначает толщину покрытия в мкм, хр – хроматирование).

Медное покрытие применяется как подслой при нанесении никеля, хрома, серебра и других металлов (медные покрытия не обладают надежными антикоррозионными свойствами), а также в технологических целях для защиты отдельных поверхностей стальных деталей от цементации, при изготовлении проводников печатных плат. Толщина пленок составляет 3 – 25 мкм. Для меднения применяются кислые (CuSO_4, H₂SO₄) или цианистые (CuCN, NaCN, NaCO₃) электролиты. Медные покрытия обозначаются – М.6 (цифра 6 обозначает толщину слоя в мкм).

Кадмиевое покрытие применяется для защиты от коррозии стали, чугуна, меди и медных сплавов, алюминия и его сплавов – в этом случае применяют многослойное покрытие. Кадмий обладает более высокой коррозийной стойкостью, чем цинк. Более стоек к действию минеральных кислот, совершенно не растворим в щелочах. Кадмиевое покрытие не разрушается при гибке, вытяжке, развальцовке, хорошо паяется. Под действием влажной атмосферы кадмиевое покрытие покрывается тонкой пленкой окиси. Если в атмосфере присутствуют сернистые соединения, то кадмиевая пленка быстро разрушается. Поэтому для увеличения стойкости против действия внешней среды кадмиевые покрытия подвергаются хроматированию. После хроматирования кадмиевые покрытия приобретают радужный оттенок.

Кадмиевое покрытие применяют для защиты от внешних воздействий при средних (толщина слоя 9 – 15 мкм) и жестких (толщина слоя 15 – 30 мкм) условиях эксплуатации радиоэлектронных средств. На чертежах кадмиевое покрытие обозначают Кд.15. хр, а при многослойном покрытии деталей из алюминиевых сплавов – Н9.М6. Кд9 хр (Н – слой никеля, М – слой меди).

Для кадмирования используют кислые и цианистые электролиты. Последние обладают высокой рассеивающей способностью и образуют плотный мелкокристаллический слой, поэтому их применяют для покрытия сложных и ответственных деталей. Ограничением по применению кадмиевых покрытий является более высокая стоимость по сравнению с цинковым покрытием и высокая токсичность кадмия и его соединений.

Никелевое покрытие широко применяется как защитно-декоративное покрытие деталей РЭС из сталей и алюминиевых сплавов, работающих в легких и средних условиях эксплуатации. Это покрытие имеет высокую механическую прочность, коррозионную стойкость и красивый внешний вид. Однако никелевое покрытие по стали и алюминиевым сплавам является катодным, а следовательно, не защищает их электрохимически и вместе с тем оно отличается пористостью. Поэтому никелирование стальных и алюминиевых покрытий производят с подслоем меди; толщина слоя никеля обычно составляет 3–9 мкм. Никелевые покрытия также являются основой многослойных систем Ni-Cr и Cu-Ni-Cr.

Операция никелирования выполняется в электролитах, главной составной частью которых являются сернокислый никель, хлористый калий и борная кислота (NiSO₄, KCl, H₃BO₃). Условное обозначение никелевых покрытий в конструкторской документации имеет вид: М6.Н3 – для деталей из стали; Н9.М6.Н9 – для деталей из алюминиевых сплавов.

Хромовое покрытие используется для защиты от коррозии деталей из стали, меди, алюминия и никеля, а также для повышения отражательной способности поверхности (до 70%), износоустойчивости, жаростойкости и твердости. Хром отличается высокой коррозийной стойкостью во влажной среде, щелочных, азотной и органических кислотах, в атмосфере большинства газов, не тускнеет при нагревании до 500^оС. Недостатком хромовых покрытий является плохое смачивание маслами и припоем, высокая пористость и неравномерное распределение по поверхности. Применяют два вида хромирования: защитно-декоративное и функциональное для увеличения твердости и износостойкости поверхности (инструментов, штампов и др.). Толщина слоя хрома в первом случае составляет 1–2 мкм и хромирование производят с подслоем никеля. При функциональном назначении покрытия толщина слоя хрома находится в пределах 10–60 мкм, а хромирование осуществляют без подслоя. В качестве электролита при хромировании применяют растворы на основе хромового ангидрида (CrO₃) и серной кислоты (H₂SO₄). Аноды изготавливают из сплава свинца (92%) и сурьмы (8%). Поэтому при хромировании необходимо следить за содержанием хромового ангидрида в электролите и своевременно добавлять его в электролит. Процесс хромирования производят при температуре 50 ^оС и плотности тока около 2500 А/м² (для защитно-декоративного покрытия) Т = 60^оС и плотности тока 4500 А/м² (для функционального покрытия). В процессе хромирования происходит насыщение пленок хрома водородом, что придает ему хрупкость. Для устранения водородной хрупкости детали после хромирования тщательно промывают и затем подвергают термообработке при температуре 150–200^оС в масле.

Необходимость использования высокой температуры и большой плотности тока при хромировании требует применения эффективной вытяжной вентиляции, так как выделяющиеся пары хромовых соединений очень вредны для человека.

В конструкторских и технологических документах хромовые покрытия имеют следующие обозначения: М6.Н3.Х1 – защитное покрытие по стали; Н6.Х1 – защитное покрытие по меди; Н9.М6.Н9.Х1г – защитно-декоративное покрытие алюминия (г – глянцевое); Х.48 – покрытие стали для увеличения твердости и защиты от коррозии.

Оловянно-свинцовое покрытие применяется для защиты деталей из стали, меди и ее сплавов от коррозии и подготовки поверхности к пайке. Луженые поверхности хорошо противостоят воздействию многих органических кислот и воздействию паров серы. Толщина покрытия жил медного провода составляет 4–6 мкм, для подготовки поверхности к пайке – 10–20 мкм.

В качестве анода применяется припой ПОС-61. В электролит входит борфтористоводородная кислота (HBF₄), ее оловянные и свинцовые соли и борная кислота H₃BO₃. Для уменьшения образования крупных кристаллов (дендритов), имеющих слабую адгезию к основанию, в раствор вводят фенол. Гальванический слой через 10 суток хранения быстро окисляется, что затрудняет пайку. Кроме того, при хранении может наблюдаться появление игольчатых наростов "усов", которые в микроэлектронике могут вызвать короткое замыкание. Поэтому после гальванического осаждения поверхность оплавляют, что устраняет эти нежелательные эффекты.

Оловянно-свинцовое покрытие обозначают: ПОС-61.9 – покрытие по меди и ее сплавам (цифра 9 – толщина слоя); М18 ПОС-61.9 – покрытие по стали.

Серебряное покрытие применяется в основном для улучшения электропроводности поверхности детали: высокочастотных разъемов; деталей, работающих в СВЧ диапазоне, и др. Оно отличается высокой электропроводностью и отражающей способностью, коррозионной стойкостью против щелочей и некоторых органических кислот (растворяется в азотной кислоте).

Недостатком серебряных покрытий является невысокая механическая прочность, и на него сильно действуют сернистые соединения (серебро тускнеет и чернеет). Серебрению подвергают изделия из черных и цветных металлов, причем детали из стали предварительно покрывают медью. Серебрение производится в электролитах, содержащих цианистые электролиты (на основе хлористого серебра и цианистого калия) и безцианистые электролиты (на основе хлористого серебра, углекислого калия и железисто-синеродистого калия). При серебрении в цианистых электролитах необходимо соблюдать особые меры предосторожности из-за высокой токсичности этих соединений.

Для увеличения механической прочности серебряных покрытий, например контактных пар штепсельных разъемов, электрических контактов и др., их покрывают пленкой родия или палладия, имеющих большую твердость, химическую стойкость и стойкость против электрической эрозии.

Для защиты от действия сернистых соединений серебряные покрытия подвергают хромированию в растворе двухромового натрия (Na₂CH₄O₇).

Серебряные покрытия имеют следующие обозначения: Ср.9 хр – покрытие по меди и ее сплавам; Н9.М6. Ср9 – многослойные покрытия по алюминию и его сплавам; Ср6. Пд3 – покрытие по меди и ее сплавам с пленкой палладия; Ср9. Рд1 – покрытие меди и ее сплавов с пленкой родия.

Золотое покрытие применяют для защиты: от внешних воздействий, повышения износостойкости и увеличения электропроводности деталей наиболее ответственного назначения, деталей высокочастотных и СВЧ трактов; электрических контактных пар; электрических выводов интегральных схем и др. Золото является наиболее коррозионно-стойким металлом, оно не подвержено действию кислот, щелочей, сероводорода и других соединений серы, обладает высокой прочностью и электропроводностью (по электропроводности оно уступает только серебру и меди). Только немногие химические соединения растворяют золото. К ним принадлежит смесь из трех объемных частей соляной кислоты и одной – азотной кислоты ("царская водка"), а также цианидные растворы, агрессивные в присутствии кислорода.

В зависимости от назначения деталей толщина золотого покрытия колеблется в пределах 1–5 мкм. Для повышения твердости поверхности золото осаждают вместе с никелем (твердое золочение). При золочении стальных деталей их предварительно меднят.

В качестве электролитов при золочении применяют цианистые (на основе комплексной цианистой соли золота и цианистого калия) и бесцианистые (на основе золотохлористой водородной кислоты и железистосинеродного калия) электролиты. При золочении необходимы особые меры предосторожности, так как цианистые электролиты сильно ядовиты.

Золотые покрытия имеют следующие обозначения: З.1 – покрытие по меди и ее сплавам; М35.З1 – покрытие по стали и сплавам на основе железа.