автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Технологические основы высокоэффективного электролитического формования

оО 10, о О/73/01

1/с

На правах рукописи

/

СУНДУКОВ Владимир Константинович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ФОРМОВАНИЯ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-химической обработки, станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консуль чт: чл.-корр. АТН РФ,

д.т.н.,профессор Любимов В.В.

Тула - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................................................................7

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОС А.ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................................13

1.1 Факторы, влияющие на получение качественных электрохимических осадков................................................................................................................................................................................16

1.1.1. Тип электролита и его состав......................................................................................................................16

1.1.2. Условия электроосаждения............................................................................................................................18

1.2 Физико-механические свойства осадков. Влияние технологических параметров электролитического осаждения на структуру

и физико-механические свойства осадков..............................................................................................23

1.2.1. Структура осадков меди......................................................................................................................................23

1.2.2. Шероховатость осадков........................................................................................................................................26

1.2.3. Микротвердость и внутренние напряжения......................................................................28

1.2.4. Пористость и удельное электрическое сопротивление..................................29

1.2.5. Предел прочности и относительное удлинение.......................................31

1.3. Современные методы изготовления сложнофасонных объектов..........32

1.4. Методы интенсификации электролитического осаждения

никеля и №-Со сплавов..............................................................................................................................................................44

1.4.1. Электролиты для электролитического осаждения №-Со сплава... 46

1.4.2. Влияние температуры на осаждение никеля и №-Со сплавов................49

1.4.3. Влияние гидродинамического режима в электролизере

на скорость осаждение металлов и сплавов..............................................................................................50

1.4.4. Применение нестационарных электрических режимов при осаждении металлов и сплавов........................................................................................................................................53

1.4.5. Зависимость производительности электроосаждения №-Со сплавов от анодного процесса..........................................................................................................................................56

1.5. Теоретические предпосылки математического моделирования процессов ВЭФ....................................................................................................................58

1.6. Анализ схем и методов электролитического формования................................60

Выводы. Цель и задачи исследования......................................................................................63

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ФОРМОВАНИЯ...65

2.1. Расширение технологических возможностей электролитичес

кого формования объектов........................................................................ 65

2.2. Синтез схем высокоэффективного электролитического формования............................................................................................................ 73

2.3. Разработка схем высокоэффективного электролитического формования................................................................................................ 87

2.4. Изучение процесса высокоэффективного электролитического осаждения металлов и сплавов............................................................. 96

2.4.1. Оценка предельно допустимых плотностей тока в условиях

ВЭФ........................................................................................................... 96

2.4.2. Исследование кинетики роста зародышей меди при электрокристаллизации................................................................................... 98

2.5. Моделирование электрических и гидродинамических полей

при ВЭФ..................................................................................................... 104

2.5.1. Моделирование процесса скоростного электролитического осаждения металлов и сплавов............................................................. 104

2.5.2. Численное моделирование гидродинамических процессов при высокоэффективном электролизе............................................................. 115

2.5.3. Моделирование электрических и гидродинамических полей

на поверхности .платы ив отверстиях.................................................. 121

2.5.4. Моделирование схемы последовательного электролитического формования объектов в струе электролита............................................. 126

2.5.5. Моделирование электрического поля в межэлектродном промежутке при скоростном катодном формовании............................ 133

2.6. Исследование точности аддитивного электролитического формообразования.................................................................................................. 141

Выводы........................................................................................................... 151

Глава 3. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................................................................................... 155

3.1. Методики исследований процесса высокоэффективного элект-' ролитического осаждения металлов и сплавов...............г....................Л 55

3.1.1. Методика исследования кинетики электрокристаллизации

меди и сплава олово-висмут...................................................................... 155

3.1.2. Методика изучения начальной стадии электрокристал -лизациимеди.............................................................................................. 158

3.2. Методики исследования геометрических характеристик

осадков, полученных при ВЭФ............................................................... 160

3.2.1. Методика исследования рассеивающей способности электролита в условиях нестационарного электролиза.................... 160

3.2.2. Методики оценки геометрических характеристик осадков...... 162

3.2.2.1. Методика исследования влияния электрических и гидродинамических параметров на равномерность распределения

осадка......................................................................................................... 162

3.2.2.2. Методика изучения влияния режимов ВЭФ на шероховатость осадков..................................................................................................................................................................................................166

3.2.3. Методика изучения влияния режимов ВЭФ на геометрические характеристики осадков при изготовлении СВЧ-модулей................ 167

3.2.4. Методика изучения влияния параметров ВЭФ на точность формообразования..................................................................................... 171

3.3. Методики изучения физико-химико-механических характеристик осадков, полученных в условиях ВЭФ............................................. 178

3.3.1. Методика исследований влияния режимов ВЭФ на микротвердость, химический состав и внутренние напряжения осадков.................. 178

3.3.2. Методика изучения влияния режимов высокоинтенсивного электроосаждения на структуру осажденной меди................................. 180

3.3.3. Методика исследований удельного электрического сопротивления электролитических осадков меди................................... 181

3.3.4. Методика проведения комплексных исследований электроосаждения никеля и никель-кобальтового сплава.................................. 181

Выводы........................................................................................................... 185

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

СОЗДАНИЯ ОБЪЕКТОВ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ........ 188

4.1. Экспериментальные исследования кинетики электрокристаллизации металлов и сплавов....................................................................... 188

4.1.1. Поляризационные исследования при электрокристаллизации

меди................................................................................................................ 188

4.1.2. Поляризационные исследования при электроосаждении

сплава олово-висмут................................................................................... 195

4.1.3. Поляризационные исследования при осаждении никеля и

сплава никель-кобальт.............................................................................. 197

4.1.4. Исследование кинетики роста зародышей меди при электрокристаллизации............................................................................. 199

4.2. Изучение рассеивающей способности электролитов.................... 203

4.2.1. Изучение рассеивающей способности электролита меднения... 203

4.2.2. Изучение микрорассеивающей способности сернокислого электролита меднения............................................................................. 205

4.2.3. Изучение рассеивающей способности электролитов для никелирования и осаждения сплава никель-кобальт................................................207

4.3. Исследование влияния режимов ВЭФ на физико-химико-механические свойства осадков............................................................. 212

4.3.1. Изучение микроструктуры электролитических осадков меди... 212

4.3.2. Экспериментальные исследования удельного электрического сопротивления осадков меди.................................................................. 214

4.3.3. Исследование влияния технологических параметров на

скорость формообразования рисунка объемных печатных плат........ 218

4.3.4. Исследование микротвердости и пористости осадков меди....... 220

4.3.5. Оценка внутренних напряжений в осадках меди, полученных

при высокоскоростном электролизе...................................................... 222

4.3.6. Изучение влияния режимов ВЭФ на физико- механические свойства осадков никеля и никель-кобальтового сплава...................... 225

4.3.7. Изучение режимов осаждения покрытий Sn-Bi импульсным

током............................................................................................................ 230

4.3.8. Влияние режимов высокоэффективного электролиза на

тонкую структуру осадков меди............................................................... 233

4.4. Изучение влияния режимов ВЭФ на геометрические характеристики объектов.................................................................................... 238

4.4.1. Изучение влияния режимов скоростного электролиза на

разновысотность проводников............................................................... 238

4.4.2. Изучение влияния технологических параметров на качество поверхности и точность формирования рисунка.............................. 239

4.4.3. Изучение спектральной характеристики шероховатости электролитических осадков меди............................................................ 241

4.4.4. Изучение геометрических характеристик СВЧ-фильтров, полученных скоростным осаждением металлов и сплавов.................. 244

4.4.5. Исследование точности аддитивного электролитического

формообразования в условиях высокоинтенсивного электролиза...... 248

Выводы........................................................................................................ 253

Глава 5. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВЭФ ОБЪЕКТОВ С ЗАДАННЫМИ ФИЗИКО-ХИМИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ И

ГЕОМЕТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ......................................... 257

5.1.Разработка технологий и оборудования для высокоэффективной гальваностегии............................................................................................. 257

5.1.1. Разработка схемы ВЭФ при металлизации печатных плат с отверстиями................................................................................................ 257

5.1.2. Разработка технологических рекомендаций по высокоэффективной металлизации ПП с отверстиями......................................... 260

5.1.3. Разработка технологического процесса ВЭФ слоев на диэлектрических основаниях.................................................................... 261

5.1.4. Разработка оборудования для ВЭФ слоев на диэлектрических основаниях................................................................................................ 265

5.1.5. Разработка оборудования и технологии для высокоинтен сивного размерного электролитического наращивания медных

пленок......................................................................................................... 278

5.1.5.1. Изготовление печатных плат с микропроводниками на жестком основании..................................................................................... 279

5.1.5.2. Разработка оборудования и технологии для изготовления объемных печатных плат........................................................................... 283

5.1.6. Разработка технологии и оборудования для последовательного нанесения слоев никеля и меди на переферию КАОК................. 289

5.2. Разработка технологии и оборудования для создания многослойных систем при изготовлении ФОЭ пресс-форм............................. 294

5.2.1. Разработка технологии изготовления деталей сложной пространственной формы......................................................................... 294

5.2.2. Разработка технологии изготовления формообразующих элементов пресс-форм для литья деталей с узкими пазами................. 302

5.2.3. Применение метода ВЭФ в инструментальном производстве.... 304

5.2.4. Применение ВЭФ для изготовления оснастки для производства изделий из пластмасс.......................................................................... 311

5.2.5. Изготовление деталей с повышенными требованиями к точности сформированных геометрических размеров методом

ВЭФ............................................................................................................... 317

5.2.6. Разработка технологии и оснастки для изготовления

волноводов................................................................................................. 320

5.2.7. Разработка технологии и оборудования для изготовления объектов с микрорельефным изображением.......................................... 325

5.2.8. Разработка способа изготовления объектов с макро-

льефом........................................................................................................ 337

5.2.9. Изготовление тонкостенных оболочек методом ВЭФ................. 340

5.2.10. Разработка метода и схемы установки высокопроизводительного получения медной фольги..................................................... 342

5.2.11. Разработка технологиии изготовления тонких мембран для электретных микрофонов.......................................................................... 344

5.3. Изготовление объектов методом переноса...................................... 349

Выводы.......................................................................................................... 351

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................... 357

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................. 360

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................................... 380

ВВЕДЕНИЕ

Расширение области применения электролитического осаждения металлов и сплавов ограничено, во-первых, низкими скоростями осаждения, особенно, при обеспечении заданных или программируемых физико-химико-механических и геометрических характеристик многослойных систем, а во-вторых, отсутствием системного подхода при проектировании или выборе схем электролитического формования. Это связано с недостаточной изученностью процессов и явлений, происходящих в условиях высокопроизводительного электролиза.

Поиску путей повышения скорости осаждения и изучению возможности создания многослойных систем методом электролитического формования посвящены работы Давыдова А.Д., Вячеславова П.М., Каданера Л.И., Козака Е., Кудрявцева Н.Т., Кукоза В.И., Любимова В.В., Мордехая В.М.,Садакова Г.А., Сафранека У.(8а&апек и др.

Однако и в настоящее время актуальность работы заключается:

- в расширении области осуществления процесса электролитического формования;

- в повышении скорости осаждения металлов и сплавов при обеспечении возможности создания принципиально новых изделий с улучшенными технологическими параметрами, конструктивными и эксплуатационными характеристиками за счет управления процессом электролитического формования объектов с заданными или программируемыми свойствами;

- в разработке технологий и оборудования для реализации высокоэффективного электролитического формования (ВЭФ) нового класса объектов.

Подтверждением этого является включение проведенных исследований:

- в Программу ГКНТ СССР по проблеме 016.05;

- Программу ГК по науке и технике Минвуза РФ "Катион";

- МНТП "Восстановление";

- приказ Миноборонпрома № 874 от 07.12.89г. (тема "Рисунок") и

приказ № 67 от 24.01.91г., изданный на основании Постановления

СМ СССР № 1278 от 15.12.90г "О Госпрограмме конверсии...";

- госзаказ № 1.22.96; № 1.1.97; № 1.1.98.;

- гранты № 61201 (г. Липецк); № 96463 (г. Москва); № 46602/ГР №11096 (г. С-Петербург), № 112803 (г. Брянск),

а также проведение НИР, выполненных по хоздоговорам: № 83-216/4; № 86-516/4; № 87-492/4, № 88-573/4; № 90-883/4; № 46106; № 46205; № 46214; № 46305; № 46403; № 46503; № 46606.

Вопросы теории и практики получения объектов с использованием процесса традиционного электролитического формования подробно изложены в работах П. М. Вячеславова, Г.А. Садакова, Г.А. Волянюк и других авторов. В работах В.В. Любимова, А.Д. Давыдова, Е. Козака и других сделана попытка интенсификации процесса электролитического осаждения металлов и сплавов при формовании объектов.

Процесс электрокристаллизации металлов и сплавов в значительной степени зависит от электрических режимов электролиза, что позволяет без изменения характеристик электролизера получать осадки с различными физико-механическими и химическими свойствами, используя для электролиза периодические токи различной формы с определенными электрическими параметрами. На основании известных зависимостей предельной по качеству осадков плотности тока от состава электролита, температуры, гидродинамических условий в электролизере и характеристик технологического тока определены пути повышения скорости электролитического осаждения металлов и сплавов: интенсивная прокачка электролита в межэлектродном промежутке и электроосаждение импульсным униполярным током прямоугольной формы на малых МЭЗ (менее 1-5мм).

Выбор для процесса высокоинтенсивного осаждения в основном сернокислых электролитов сделан ввиду их низкой стоимости и широкого распространения в промышленности, а также наибольшей экологической безопасности по сравнению с другими электролитами.

Неравномерность распределения плотности электрического тока на сложнопрофильной оправке в процессе электроосаждения �