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日立分析仪器 XRF科普:电子行业电镀指南
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日立分析仪器 XRF科普:电子行业电镀指南
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日立分析仪器
电子行业
XRF科 普 :电 子 行 业 电 镀 指 南
XRF科 普 :电 子 行 业 电 镀 指 南
日立分析仪器
XRF科 普 :电 子 行 业 电 镀 指 南
本指南用途
XRF分析是一项成熟的技术,用于在整个行业范围内验证镀层的厚度和成分。
其基本的无损性质,加上快速测量和结构紧凑的台式仪器等优点,能实现现场
分析并立即得到结果。
虽然XRF技术以简单易用而闻名,但与任何其他分析技术一样,也有可能出错。错误使用仪器可能会
导致结果准确性变差和工作流程效率变低。电镀厚度验证也比其他XRF应 用 略 显 复 杂 ,由 于 所 测 零 件
为电镀零件,因此仪器的几何结构和零件形状本身会对分析产生一定的影响
考 虑 到 这 一 点 ,本 指 南 旨 在 作 为 利 用 XRF进行电镀分析的多合一参考手册。如需了解XRF的工作原理,
请参阅相关解释部分。如需了解最佳实践的具体实施方法以缩短工艺时间而不损失精密度,请参阅测
试效率部分。如未获得预期结果,请首先快速检查可能导致错误的因素。
日立在为电子行业生产厂家设计XRF光谱仪方面拥有超过45年的经验。在此期间,电镀技术和XRF
仪器均有进步。我们希望本指南能够帮助用户确保其产品符合当今应用领域的严格规范要求。
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XRF科 普 :电 子 行 业 电 镀 指 南
日立分析仪器
为何需要对零部件做镀层? 为何需要检测镀层厚度?
我们为何给部件施用镀层? 我们可能不常考虑该问题,但当我们需要检查镀层的
完整性时,了解电镀的作用非常有用。而检查镀层的完整性也正是我们使用XRF
的原因。
为何检查镀层厚度?在众多原因中,通常的原因是平衡功能与成本。因此我们通
常规定有最小和最大电镀厚度— —这不仅仅是关于确保电镀有足够厚度的问题。
需要检测镀层厚度的五个基本原因如下:
从广义角度而言,镀层分为功能性镀层和美观性镀层。单个部件可以拥有多层镀层,每层镀层发挥不
同 的 功 能 。例 如 ,PCB拥有导电镀层以及保护导电镀层免受大气影响的其他镀层。电镀的一些主要功
能如下:
满足基本功能:如果镀层属于功能性镀层,则将有最小厚度规定,小于该厚度将使功能失效。例如,
零件得不到腐蚀或高温保护,或者导电性能过低。因此,大多数镀层应用领域有最小限值规定以保
证良好功能。
避免早期缺陷:在零件寿命内,镀层有时可能会发生一些磨损。与其他零件接触的活动件尤其如此;
在此种情况下,需要满足最小厚度以在零件的预期寿命内避免早期缺陷并满足质量标准。
良好的机械配合:构成复杂部件系统一部分的许多电镀零件必须被装配在一起。例如,发动机中的
可接受公差非常严格,电镀厚度必须低于特定限值。因此过度电镀(导致零件太厚)和电镀不足均不
可接受。
通过减少浪费降低成本:保证电镀有足够厚度但不要太厚有助于避免化学品的过度消耗。也有助于
最大限度降低能源成本,并通过提高产量提升镀层工艺的效率。
适当的视觉外观:对于装饰性表面处理,镀层太薄会导致镀层很快磨损,破坏物件的外观。对于餐具
和珠宝等物件,镀层太厚会导致设计失去原旨。
因此当利用XRF验证镀层厚度时,希望电镀厚度在限值范围内以确保最佳产品质量和性能并获得最
大成本效益。
耐温性:一些部件暴露在极端温度下,例如发动机或熔炉内。专业镀层可用于保护部
件免受高温下的腐蚀。
耐腐蚀性:镀层可用于延长部件的寿命,而此等部件中的底层材料或基材会在预期
寿命内发生腐蚀或氧化。保护不受大气影响对于许多部件而言非常必要。而对于某
些应用,例如可穿戴设备,可能会应用专门的镀层来保护暴露的连接器和组件。
耐磨性:镀层可用于保护部件免受各种类型的磨损,如摩擦滑移、磨耗或冲击。
此类专业镀层特别适用于基材重量较轻的部件,可弥补此类材料的硬度不足。
导电性:在电子产品中,镀层的主要功能是产生高导电性的触点。电阻会产生热量,
因此在处理电气部件的连接器和安装件时,使用高导电性镀层降低电阻变得尤为
重要。
生物相容性:对于植入体内以修复骨骼或置换髋关节的专业医疗器械,专业镀层可用
于帮助身体接受此类器件。设计使用镀层能增加身体接受此类器件的可能性,并降
低术后感染的风险。
装饰性:从珠宝到家用电器,装饰性表面处理可增加物件的吸引力,也可降低服饰珠
宝的成本。
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XRF科 普 :电 子 行 业 电 镀 指 南
日立分析仪器
镀层和电镀涉及的主要行业 常见电镀材料
如上所述,关于对部件进行电镀的原因多种多样,而具体的原因往往取决
于所服务的行业。本节我们将讨论镀层的主要市场及其所面临的挑战。
移动通信
手机和平板电脑,以及智能手表等相关配件处于PCB小 型 化 的 前 沿 。对 电 镀
供应商而言,逐年升级此类设备的动力很大,因其能推动智能手机主板行业
的发展。然而,在狭小空间中安装更多部件的压力给PCB完整性验证带来许
多挑战。
不仅仅是掌上设备需求电镀行业。移动基础设施也需要专业的电镀部件。目
前这方面的发展是5G的兴起。抛开阴谋论不谈,5G基础设施镀层的真正挑战
是对厚印刷电路板的需求。
数字化
工业 4.0、分析领域、人工智能和机器学习正在引领社会发生巨大的变化。
从普通设备到高度专业化的设备中,似乎无穷无尽的数据正在被收集起来,
以便更快地预测和响应不断的变化,而无需人工交互。
电子设备正被整合到更多不同应用的设备中,通过服务器群将收集到的数据
传 回 ,通 过 AI 系统反馈给设备或用户。该链中的所有设备都需要变得更小、
更 高 效 、更 快 ,并 且 对 环 境 条 件 的 抵 抗 力 越 来 越 强 。
交通运输
汽车、航空和海运业共同构成镀层的巨大市场。耐腐蚀、耐磨和耐热电镀以
及 装 饰 性 电 镀 都 很 常 见 。然 而 行 业 发 展 迅 速 。
随着先进的自动化、安全性和娱乐功能被纳入新车以及电气化的推动,电子
元件在制造车辆使用的材料中所占的比例不断增加。
金
金具有高导电性和优异的耐腐蚀性、可焊性和焊接能力,这使其在连接器、IC和PCB等电气行业中非
常有用。但金的高成本、柔软度和相对较低的熔点往往将其限制在一些仅仅是最需要领域。镀金珠宝
因 其 非 过 敏 性 而 闻 名 ,黄 铜 制 品 通 常 镀 金 。
银
银具有许多正面特质,包括良好的耐腐蚀性、化学稳定性、导电性和吸引人的外观。此类特性加上不
断上涨的黄金成本增加了电子行业对浸银镀层的需求。银的其他应用领域包括化学储存容器和装饰
品 的 镀 层 ,如 餐 具 和 珠 宝 。
锡
锡 的 用 途 极 其 广 泛 ,很 容 易 与 其 他 金 属 形 成 合 金 。锡 无 毒 且 具 有 良 好 的 可 焊 性 和 耐 腐 蚀 性 。锡 镀 层 主
要用于食品保存容器和作为电子部件的镀层。锡铅合金可用于保护钢免受腐蚀、耐蚀刻和二次焊接。
镍
镍镀层有助于提高部件强度和延展性。电解镍镀层分为两类:一类是多孔、延展性好的电子部件镀
层,二类是光亮、装饰性好的耐磨镀层。二类部件包括需要装饰性表面处理的汽车格栅。
化学镀镍
对于形状不规则的零件或需要良好耐腐蚀性的零件,化学镀镍是首选镀层。这种沉积镍的方法用于在
铝上提供可焊接表面,也可与模具一并使用以改善润滑效果。镍镀层广泛用于交通运输和移动通信行
业中从轴承到散热器等领域。
铜
铜具有优异的传热和导电性能。但因其表面容易腐蚀而很少单独使用。因此,在PCB等应用领域中,
铜用作底层镀层,上面沉积有更多的惰性金属层。铜也广泛用于管道设备和布线。
钛
碳化钛和氮化钛镀层可提供良好的耐磨性,应用于硬化钢工具,可将带锯的使用寿命延长五倍。
多孔、粗糙的钛镀层因其耐用性而用于医疗植入物,并为骨细胞生长提供良好的表面。钛镀层通常
采 用 化 学 气 相 沉 积( CVD)或 离 子 电 镀 沉 积 。
日立分析仪器
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XRF科 普 :电 子 行 业 电 镀 指 南
日立分析仪器
3.
Characteristic
X-ray
1.
Incident X-ray
2.
Ejected electron
K
L
M
16
XRF光谱仪内部的结构是什么? XRF基础知识
在我们讨论如何使用户的分析仪发挥最佳功能之前,最好先了解一下典型XRF
仪器的主要部件。
XRF指X射线荧光,是一种识别样品中元素类型和数量的技术。对于镀层分析,仪器将此信息转换为厚
度测量值。
在进行测量时,X射线管产生的高能量x射线通过光圈聚集,并照射在样品非常小的区域(该区域的大
小为光斑尺寸)。这些X射线与光斑内元素的原子相互作用。下图对此做出图示:
该图显示XRF光谱仪的主要部件:
该图展示一个单原子,其中心原子核为黄色,红色电子位于轨道上。当进行X射线分析时,入射的X射
线会将其中一个内层电子逐出轨道。上一级轨道上的电子将立刻迁入,填补空穴。在此过程中,这个电
子以发射X射线的形式释放能级间的多余能量,而探测器探测出的正是此种特征X射线。因为特征X射
线的能量对于每种元素而言都具有唯一性,所以仪器可根据探测出的X射线能量告知我们其源于何种
元素。在不同能量段探测出的X射线强度与样品中的元素含量相关。这个信息用于计算厚度和成分。
用红色突出显示的部件将在本指南中进一步讨论。对每个部件的简单解释如下
X射线管:仪器的一部分,产生照射样品的X射线。
光圈:光圈是引导X射线指向样品的装置的第一部分。XRF仪器中的光圈将决定光斑尺寸——正确的
光圈选择对精密度和测量效率至关重要。
探测器:与相关电子设备一并处理从样品中激发出的X射线:探测X射线的能量和强度。本指南中将进
一步讨论不同类型的探测器。
对焦系统:确保每次测量中X射线管、零部件和探测器间的X射线可测量且几何光路连续一致;否则会
导致结果不准确。
相机:帮助用户精确定位测量区域。某些情形下相机用于向自动操作模块提供图像信息,或包括放大
图像以精确定位需要测量的区域。
样品台:样品可放置于固定或可移动的样品台上。快速或慢速移动对于找到测试位置至关重要,随后
聚焦于准确的区域进行测量。工作台移动的精准度是带来测试定位准确的一个因素,并进而贡献于仪
器的整体准确度。
8 9
快门
相机
镜面支架
样品台
样品
聚焦系统
探测器
光圈
X射线管
1.
入射X射线
2.
出射电子
3.
特征X射线
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