電鑄技術及其在電子產品中的應用

劉仁志

(武漢風帆表面工程有限公司，湖北武漢 430015)

電鑄技術及其在電子產品中的應用

劉仁志

(武漢風帆表面工程有限公司，湖北武漢 430015)

電鑄技術一直被認為是電鍍技術中的一個分支，并且主要用于精密模具的制造。實際上電鑄技術在現代制造中已經不只是用于模具制造，而且也是一種直接的產品制造新方法，并且在有些領域具有不可替代性，是一項很有發(fā)展空間的電化學工藝技術。特別是在電子產品領域，更是如此。

電鑄;精密鑄造;電子產品

引 言

電鑄一直作為電鍍技術的一個分支發(fā)揮著獨特的作用。由于以往電鑄的應用局限于模具、模版制造等一個相對專業(yè)的領域，使電鍍工作者對其既感到熟悉，又覺得陌生。所謂熟悉，是因為電鑄的基本原理和設備與電鍍幾乎完全一樣;說陌生，則是因為電鍍企業(yè)很少接觸電鑄加工的實際運作，對電鑄的具體工藝并不是很了解。實際上，電鑄是電沉積技術的三大應用領域之一，并且可以說是電沉積技術中其他兩個應用領域即電鍍和電冶金(也叫濕法冶金)的綜合。隨著現代制造技術的快速發(fā)展，電鑄技術的重要性日益顯示出來，已經從原來主要是用于模具制造的領域，向現代制造的許多領域擴展。同時，一些從事電鍍加工的企業(yè)也開始承接電鑄加工業(yè)務，特別是電子產品的制造，已經較多地采用著電鑄技術，了解和掌握電鑄技術的工藝特點，已經是一種趨勢。本文擬就電鑄技術的概況和應用加以簡要的介紹，以供同仁參考。

1 電鑄技術概要

1.1 電鑄簡史

電鑄是利用電沉積方法在作為陰極的原型上進行加厚電鍍，從而復制出與原型一樣的制品的方法。利用電鑄法獲得的制品可以是模具的模腔，也可以是成型的產品，還可以是一種專業(yè)型材。廣義地說，為獲得一定結構的較厚鍍層的電沉積過程，都可以叫做電鑄。

電鑄最早是由俄國的雅柯比院士于1837年發(fā)明的，此后，將電鑄技術用于實際生產最早也是在俄國開始的，在1841年的俄國，已經有人對石蠟或石膏進行導電化處理后，用來制作工藝品銅電鑄的模具，至今已經有160多年的歷史［1］。19世紀的電鑄是以銅電鑄為主，限于印刷胎版的復制和雕像、浮雕等工藝品的制作，到20世紀初期，鐵的電鑄漸漸取代銅成為主流，應用也擴大到橡膠和塑料模具的制作，到20世紀后半期，鎳取代鐵而成為電鑄的主流，應用也擴大到錄音原盤、波導管、鑄造和注塑模、壓模、金屬薄膜、金屬網格 、印制線路板和工藝美術品等諸多方面。

采用電鑄制作注塑或壓塑模具已經是當代精密模具加工的重要方法之一。一些異型的構件和難以用機械方法精確制作的原型，采用電鑄成型法都能精確地復制出原型的模樣。電鑄不僅能制造用于生產高精度產品的型腔，而且還能生產表面為皮革紋理的大型模腔，例如長度超過10 m的汽車組件［2］。

1.2 電鑄的特點

電鑄與電鍍的原理基本相同，工藝也相近，但是對鍍層的作用和要求不同。電鍍對鍍層的外觀質量要求很嚴格，特別是裝飾性電鍍，外觀質量是首要的質量指標，同時要求鍍層與基體有良好的結合力。而電鑄就不一樣。就模具制造的應用而言，電鑄對鍍層的外表面基本不做要求，所要求的是鍍層與基體接觸的內表面，必須能完全復制原型的表面狀態(tài)。因為電鑄的目的，就是要用所復制的模具來批量制作出和原型一樣的產品，因而對鍍層的外觀基本不作要求，對鍍層的結合力，則要求鍍層容易從基體上整體脫離下來。

電鑄也不同于電解冶金。電解冶金只要求獲得還原態(tài)的金屬結晶，并要求鍍層有高的純度。而電鑄則對沉積的純度沒有嚴格要求，有時為了提高其硬度，還要在鍍層中加入提高其機械性能的合金成分。概括起來，電鑄有如下特點:

1)高仿真性。電鑄可以精密地復制出原型的細部，尺寸誤差很小，僅為±0.25 μm左右;模具內表面的粗糙度很低，可以達到鏡面光亮，因此，可以以較低的成本和較高的效率制造形狀復雜的模具。

2)應用領域寬。電鑄既可以用于各種模具的型腔制造，也可以用于修復性電鑄，還可以直接用于制造產品構件，同時也可以用于制作特殊的材料，特別是一些微小、復雜零件的制造，可以用電鑄的方式進行。

3)材料的選擇范圍寬。電鑄加工所需要的原型可以是金屬原型，也可以是非金屬原型，且無論是金屬還是非金屬，都有很多材料可供選擇。比如金屬從銅、鋁、鐵到錫、鉛、鋅以及它們的合金，都可以用于原型制作。而非金屬材料則有更多的選擇，從各種樹脂、塑料到石膏、石蠟等，這些非金屬材料原型可以采用非金屬電鍍技術獲得導電的表面。

電鑄成型物所用的材料也有多種選擇。從理論上講凡是電鍍已經有的鍍種，基本上都可以用于電鑄。當然從實用的角度，電鑄所用的材料主要是鎳、銅、鐵以及它們的合金等。隨著電沉積技術的進步和產品開發(fā)的需要，一些新的鍍種也可以用于電鑄來制造所需要的產品。

4)節(jié)約和高效。無論是從制造模具的角度還是制造產品的角度，電鑄采用的都是加法工藝，即將材料根據需要沉積出來，而不是像通常的機械加中的減法工藝，需要從整塊材料中減去多余的部分，從而可以節(jié)約寶貴的金屬資源。由于可以采用嵌入工藝，也可以在非模型部位采用低價值的材料，可批量制作原型或重復使用原型，因而可以批量生產，使效率得到提升。

2 電鑄工藝概況

2.1 電鑄的工藝流程

電鑄的流程可以分為四大部分，這就是原型的選定或制作、電鑄前處理、電鑄和電鑄后處理。每一個部分又都包括完成這個部分的多個子流程或工序。原型的選定前實際上還有一個原型設計的過程，在設計確定以后，才是原型的選定，包括如下流程:原型脫模方式的確定→原型材料的確定→原型的制造→檢驗→安裝掛具。

金屬原型電鑄前處理工藝流程:除油→水洗→酸蝕→水洗→活化(預浸)→水洗。

非金屬原型電鑄前處理工藝流程:表面整理→除油→水洗→敏化→水洗→蒸餾水洗→活化→水洗→化學鍍銅(或鎳)→水洗→檢驗。

電鑄流程:預鍍→電鑄→水洗→檢驗。

無加鍍工序的后處理流程:拋光或鈍化處理→清洗→干燥。

有加鍍的后處理流程:除蠟(除油)→水洗→活化→鍍鉻(或化學鍍鎳)→水洗→干燥。

2.2 電鑄的原型

對于電鑄過程來說，首先要確定原型，因為電鑄是在原型上進行的。因此，如何選定原型和如何根據設計要求制作原型是電鑄的關鍵。

原型根據其所用材料的不同而分為金屬原型和非金屬原型兩大類。根據功能的不同又分為一次性原型和反復使用性原型兩大類。采用什么樣的原型要根據所加工產品的結構、造型、產品材料和適合的加工工藝來確定。當然，在需方有明確要求的情況下，完全可以按照需要進行原型的設計和制作。對于選定了的原型形式，要采用相應的方法按設計意圖加工成原型，以便用于電鑄。

原型的制作有很多方法，包括手工制作原型，機械加工制作原型，利用快速成型技術制作原型和從成品上翻制原型等［3］。

2.3 電鑄常用的鍍種

用于電鑄的鍍種基本上是單金屬電鑄液。如鍍銅、鍍鎳、鍍鐵、鍍鉻或鍍銀等。但是有些電鑄也采用合金電鍍技術，以滿足某些產品的技術要求。每個鍍種又因所用鍍液的組成不同而又分為若干種類。進行分類的理由是不同的鍍種或同一鍍種的不同鍍液，所電鑄出的金屬的物理性質有所不同。幾種常用的電鑄液列舉如下:

2.3.1 銅電鑄液的種類

1)酸性硫酸銅鍍液。以硫酸銅和硫酸為鍍液的電鑄液，是最基本的鍍液。鍍層呈暗紅色或紅銅色，為了改善鍍層的性能，也有加入無機和有機添加劑，使鍍層的結晶細化。由于電鑄對外觀要求不高，因此這種電鑄銅仍然在采用，特別是電鑄層的脆性比較敏感時，多采用有添加物的純銅鍍液。

2)酸性硫酸銅光亮鍍液。在硫酸銅和硫酸的鍍液中加入光亮劑的光亮鍍液，可以獲得全光亮的鍍層，由于這種鍍層的結晶非常細致，因此已經在電鑄中比較普遍地采用。

3)氟硼化物鍍液。氟硼化物鍍銅液的主要優(yōu)點是可以在較大的電流密度下工作，但是氟化物由于屬于對環(huán)境有污染的受限使用的化工原料，這種鍍液的采用將受到一定限制。

4)焦磷酸鹽鍍液。焦磷酸鹽鍍銅液的最大優(yōu)點是分散能力好，可以對形狀復雜的制件進行電鑄。但其電流效率比酸性鍍液略低，且絡合劑的廢水處理比較麻煩，成本比酸性鍍銅高。

5)氨基磺酸鹽鍍液。這是可以在較大電流密度下工作的高速電鑄銅鍍液，但是化學原材料的成本較高，廢水處理比硫酸鹽鍍銅復雜。

2.3.2 鎳電鑄液的種類

1)瓦特型鍍鎳。最基本的鍍鎳液，可以獲得硬度較低的鍍層，但電流密度不是很高，因而沉積速度不高。

2)全氯化物鍍鎳。全氯化物鍍液可以有較高的電流密度，且陽極的溶解性能很好，以保證在高電流密度沉積下金屬離子的及時補充。

3)氟硼化物鍍鎳。氟硼化物鍍液是為了提高電沉積物的效率而設計的鍍液，但現在已經不多用，主要是涉及到廢水處理的問題。

4)氯化銨鍍鎳。是與全氯化物類似的鍍液，可能有更好一些的鍍層分散性能和抗雜質性能。

5)氨基磺酸鹽鍍鎳。這是用得較多的高速鎳電鑄液，可以在較高電流密度下工作而鍍層的脆性較小。

2.3.3 鐵電鑄液的種類

1)氟硼化物鍍鐵。氟硼化物鐵電鑄液的穩(wěn)定性高，鍍層結晶細致，但存在氟離子污染問題，使用受到一定限制。

2)氯化物鍍鐵。氯化物鍍鐵是比較簡單的鍍鐵工藝，存在三價鐵影響的問題，也即鍍液的穩(wěn)定性問題，加入各種添加劑可以改善鍍層性能和提高鍍液穩(wěn)定性。

3)氨基磺酸鹽鍍鐵。氨基磺酸鹽鍍鐵是穩(wěn)定性較高且電沉積效率也較高的電鑄液，鍍液的成本要比氯化物高。

3 電鑄技術的應用

3.1 模具制造中的應用

無論是傳統制造還是現代制造，模具都是為了提高生產效率的極為重要的批量和重復生產的工具，因此，從模具制造水平，可以衡量其工業(yè)技術水平，而電鑄正是模具制造中的一項重要技術，也是電鑄的最重要的應用領域之一。

采用機械或人工的方法制作模具型腔，很難達到原設計的逼真度和精確度，而采用電鑄的方法，則可以從精確制作的原型上逼真地復制出與原型一樣的型腔，從而獲得高精密度的模具。這在錄音原盤的制作等對失真要求控制極為嚴格的產品方面有重要價值，因而電胎版、錄音原盤或異型模具等都要用到電鑄技術，特別是現代大量采用的精密塑料制品的加工模具，幾乎都是通過電鑄制造的。

電鑄制模的最大優(yōu)點是快速和準確。對于一個形狀復雜的塑料制件，采用機械的方法用金屬材料加工，不僅費時費工，還難以完全真實地復制出原設計構想。但是電鑄可以先用易加工材料比如木材、石膏或石蠟等，精確地制出原型，再在這個原型上電鑄，一個與原型完全一樣的模腔就這樣制作了出來。更重要的是，現在可以利用CAD和CAM技術，在電腦中對造型進行三維設計，然后再用與電腦聯接的自動成型裝置快速地制出原型，這種技術與電鑄的結合，使新品上市的周期大大縮短。

3.2 現代制造中的應用

隨著現代制造業(yè)的快速發(fā)展，電鑄技術的應用從模具制造發(fā)展到新型材料和產品的制造，例如金屬薄膜、金屬網格、線路圖形制造及波導管制造等諸多方面。現在，銅、鎳、金、鉑及銀等都可以做為電鑄加工的材料，在半導體、CD(MD)或DVD等的磁信息記錄、光電子、微電子及DNA增幅器等超精細加工中，都已經有了應用。電鑄已經成為微電子技術時代的重要加工手段，電鑄還是獲得一些特殊材料、構件和直接生產特殊結構產品的加工方法。有些制品如果沒有電鑄法加工，用機械加工的方法制作將很困難，有些制品甚至除了電鑄，沒有其他辦法可以加工出來，比如微波異形波導、泡沫型多孔電池電極片及電動剃須刀網罩等。

采用連續(xù)電鑄的方法制作特殊金屬材料的箔材已經是很成熟的工藝。印制線路板用的銅箔也是采用這種方法加工制作的。波導用的異形管材和特殊電極材料的電鑄也都可以看作是型材加工的過程。作為生產銅箔的連續(xù)電鑄設備與普通電鑄設備的最大區(qū)別，是連續(xù)電鑄的陰極在工作中始終是在緩慢地旋轉，同時在陰極上形成初始的鍍層并達到所需要的厚度后，要從陰極上剝離出料頭由與陰極轉速同步的牽引收料卷邊電鑄邊收卷，從而實現連續(xù)電鑄。

手機電池、筆記本電腦電池、隨身聽電池及數碼相機電池等已經是家喻戶曉的電子產品，決定電池壽命的一個很重要的參數是電池內電極的表面積，為了增加電池電極的表面積而采用泡沫鎳電極，就是電鑄技術制造的。

電鑄技術還在醫(yī)學、考古學、工藝品和藝術品制造等方面有著多種應用實例，其在微電子制造中的應用，更是不可替代。隨著微電子產品和微型機器人的出現，以精密加工、微細加工和納米加工等為代表的精密工程越來越引起人們的關注［4］。比如計算機芯片、磁盤和磁頭及復印機的感光鼓等都要經過超精密加工才能達到要求。民用產品中的許多產品，如隱形眼鏡就是用超精密數控車床加工而成的。

但是，隨著微細制品的超精細要求越來越高，靠機械方法已經無法加工出類似半導體集成器件的微型結構件。這時，在用樹脂制成的異形微空間內或蝕刻出的模腔內利用電鑄成型法制做微型金屬結構件就成為重要的微加工方法。這種加工方法的原理類似于印制線路板的孔金屬化過程，是在非金屬或金屬腔體的內壁生成電鑄層，在去掉外表面的原型后，就可以獲得與模腔造型一樣的金屬陽模成品，采用這種方法已經可以制作微型陀螺儀制件、光纖光導制件等微加工制品。而微控制系統和微型機器人也都是現代科技和工業(yè)各領域必不可少的高科技技術工具，這些高科技工具的構件，不少都要用到電鑄制造技術。

3.3 電鑄技術展望

3.3.1 模具應用進一步普及

可以預期的是，電鑄將成為一門獨立的專業(yè)加工技術，并在更多的領域里獲得應用。首先是將有更多塑料制品采用電鑄法制做模具，而此前大多數塑料加工模具是機械加工和依靠高級技工手工開出來的，這種相對落后的模具加工方法導致我們的塑料制品的外觀、表面粗糙度等都與世界先進水平有著明顯的差距。同時，機械加工方法是減法加工，從產品的下料到制造需要預留許多加工余量，還有許多切削廢料產生，是一種比較浪費資源的加工方法。隨著電鑄模具的采用，這種狀況已經有了很大改善，采用電鑄的方法制作模具，比用傳統的機械加工和人工修飾的方法制作模具更為有效，不僅提高了制作模具的效率，成本也會更低，而且電鑄制品更符合原設計的造型和結構要求，這些優(yōu)點將使其他工業(yè)制品也將擴大采用電鑄模的份額。

3.3.2 陰模電鑄的應用

另一個值得重視的發(fā)展將是從微加工成型引伸出來的陰模電鑄工藝。現在絕大多數電鑄的原型都是陽模形式。電鑄制品多半是腔體類的，也就是從陽模原型上獲得陰模形式的制品，這對于制作型腔模具當然是最好的方法。但是也有一些制品需要從陰模上成長出陽模形式的制品，這時的原型就是陰模。比如泡沫鎳電極材料的制作，就是讓電沉積物占據泡沫塑料中的空隙，然后去掉作為陰模的泡沫，就制成了從陰模上生長出來的連續(xù)的金屬泡沫鎳。從陰模原型上進行電鑄存在一定技術難度，要想讓金屬電沉積物完全填充陰模原型很困難，只有當陰模是開放形式時，才可能完全填充。

目前在微電鑄上已經可以做到陰模原型電鑄。一些小型標牌、銘牌就采用了陰模電鑄模式。另外，微電鑄成型加工本身還有很大的發(fā)展空間，可以預知，微型機器人的制造將大量采用微電鑄技術。微電子器件所需要的微型金屬結構也都要用到微電鑄加工技術，而這些微電鑄加工所采用的是不同于傳統電鑄的工藝。所謂陰模電鑄法則是讓電鑄層從原型的內表面或者說從陰模的內表面生長起來，最終基本充滿陰模，在脫去外面的陰模后，所獲得的電鑄制品是呈陽模形態(tài)的金屬制品，這對于作為加工型技術的電鑄，是一項重要的技術改進。這里所說的陰模法當然也不是新的發(fā)明，陰模法在高浮雕制品的電鑄中也都有著實際的用例，這里所說的是在圓雕的陰模內，尤其是基本封閉的腔體內壁生長鍍層的方法。如果只生長出一層裝飾鍍層，那也不是什么很困難的事，但是，如果要形成電鑄產品，則要求鍍層要有相當的厚度，有時要占據整個空間。比如微電鑄中的電鑄制品就必須填滿整個微孔，陰模完全填充要求在對傳質過程、生成的氣體的排出及金屬結晶形態(tài)的控制等方面都要有新的突破。

3.3.3 無模電鑄

一個更為令人神往的預測是對無模電鑄的期待。這也許會被電化學專家認為是科學幻想，但是，這種幻想有可能真的會催生出一項杰出的科技成果。

無模電鑄之所以有實現的可能，是因為已經出現了一些可以讓這種技術成為現實的前沿技術，包括激光技術、CAD/CAM技術及化學鍍技術等。將這些技術進行組合，就有可能出現無模電鑄技術，而實現這種技術的理論基礎也是存在的。我們知道，電結晶過程的理論是建立在一定的電極上的，也就是說電結晶只能在一定的載體上發(fā)生，因此如果要想在電鑄液中進行電結晶過程，就必須有電極。但是，化學鍍技術為我們提供了另一種金屬離子獲得電子的途徑，并且同樣可以獲得金屬的結晶。而化學鍍雖然也是在一定的載體上實施才有意義，但是化學鍍也存在自催化的情況，當出現某種條件時，化學鍍液在沒有任何載體的情況下，會自行發(fā)生劇烈的還原反應，直至鍍液完全分解，這與過飽和溶液中會出現結晶是類似的。對于化學鍍來說，當溫度過高時，當還原劑過量時，或者當鍍液中出現了某種不為人眼所見催化物質時，就相當于出現了達到過飽和狀態(tài)，這些催化化學鍍的因素有時是雜質，有時是光照。

當然，化學鍍液的問題是一旦發(fā)生自催化過程，這種過程就在全鍍液內發(fā)生，成為不可控的過程，直到反應終止，這是我們不希望出現的非正常過程。但是這個過程對于無模電鑄是一個提示，那就是可以設計出一種鍍液，這種鍍液是以電結晶為主要工作模式的鍍液，但是它又是可以在特定條件下局部被催化而發(fā)生化學還原的鍍液。就是說，在整體鍍液中，某個部分被催化，這個部分就發(fā)生金屬離子的還原，由于這種自還原鍍只能在很特殊的條件下才能實現，就可以防止一旦某個區(qū)域發(fā)生了自催化，整個鍍液就會被催化的結果。當然要點是不能讓這種自催化持續(xù)地發(fā)生，否則最終會導致整個鍍液的自催化而失敗。這就要求這個特定區(qū)域的化學鍍一旦發(fā)生，就要接通光導的電化學反應系統，使電化學結晶在先期還原出來的金屬結晶上進行，最終形成電鑄層。這種特定的區(qū)域可以由CAD/CAM技術加以界定，也就是我們可以按需要在鍍液內特定的圖形內實現由化學鍍到電鍍的轉變，從而實現無模電鑄。

4 結語

電鑄技術已經是現代制造中一項不可缺少的加工技術。現在很多產品的加工都用到了電鑄技術，從日常生活用品、兒童玩具和各種工業(yè)產品到汽車、飛機或航天器上的制品，從傳統的機械產品到現代的電子和微電子產品，無不要用到電鑄技術。

不過，電鑄作為一項與電鍍幾乎有著同樣發(fā)展歷程的技術，至少在我國還沒有引起與電鍍一樣的關注，這也和多年來我國的制造業(yè)落后于世界先進水平有關。同時，我國習慣上將電鑄看做是電鍍的一個特例，是電鍍技術在加工制造中的應用。當然，電鑄技術現在也已經很好地利用了電鍍技術中的所有進步，包括配方技術、添加劑技術、電鍍設備與測試技術等。

隨著現代制造特別是電子制造的快速發(fā)展，電鑄技術作為一種電成型技術將有很大發(fā)展空間，值得從事電鍍技術的同仁持續(xù)加以關注。

［1］陳國華，王光信.電化學方法應用［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2003:160.

［2］Stoeckhert K，Mennig G.模具制造手冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2003:348-350.

［3］劉仁志.實用電鑄技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2007:124-131.

［4］安井學など.マイクロマシニングとしてのニッケル電鑄技術の應用［J］.表面技術，2001，52(11):10.

Electroforming Technology and Its Application in Electronic Products Manufacturing

LIU Ren-zhi
(Wuhan Fengfan Surface Engineering Co.，Ltd，Wuhan 430015，China)

Electroforming had been considered as a branch of electroplating technologies，and was mainly used in precision mould manufacturing.In fact，it was not only used in mould manufacturing but also was a new technology in other products manufacturing，and was irreplaceable in some area.So it is an electrochemical technology with more room for development，particularly in electronic products manufacturing.

electroforming;precision casting;electronic products

O643

A

1001-3849(2012)01-0018-05

2011-04-26