不溶性陽極設計制造及應用

一、不溶性陽極定義

電鍍過程中電流通過時，陽極自身不溶解只發生氧化反應的陽極，統稱為不溶性陽極。電鍍中不溶性陽極的材料有鉛、碳、鉑、石墨、鎳、不銹鋼、鈦底鍍鉑、鍍銥鉭、鍍釕銥、銠等。

二、線路板行業電鍍銅高端陽極用

不溶性陽極特點

線路板行業應用不溶性陽極的場景主要有電鍍銅，電鍍金，電鍍銀還有環保處理氨氮及COD等。線路板目前應用最廣泛的HDI板鍍銅不溶性銥鉭陽極對光劑耗用量有較高的要求，電鍍光劑在電鍍過程中的穩定對電鍍品質有至關重要的影響。

不溶性陽極在整個電鍍過程中起到陽極導電作用，析出氧氣或者氧化金屬離子。線路板用不溶性陽極對槽液的影響主要有兩個，第一陽極表面析氧同時會造成電鍍光劑的額外損耗，在陽極催化涂層表面上發生的是一個直接的氧化反應，其主要反應是槽液中的氫氧根被貴金屬催化涂層催化以較低的電位失去一個電子變成氧氣，同時槽液中的有機物也有機會在陽極上放電被氧化，陽極制作過程中的要點就是控制析氧電位，不要讓槽液中的有機物有機會直接在陽極上放電被氧化。第二影響槽液的溶氧量。陽極表面產生的氧氣需要盡快的脫離陽極跑出槽液，減少其在槽液中的停留時間。(脈沖含鐵離子的反應機理不同，析出非常少的氧氣)。

不溶性陽極在使用上比銅球有以下幾個優點：

01、陽極電流不受限制，可以突破陽極銅球4.2asd（電流密度過高陽極膜易脫落鈍化）電流密度瓶頸，提高產速，提高產能，尤其對于FPC產線，RTR的連續生產，已經有全廠都是不溶性陽極。

02、在電鍍過程中，陽極發生氧化反應從氫氧根上獲得電子產生氧氣，沒有陽極泥，只放出氧氣能使電鍍液中的金屬離子濃度分布保持在一個穩定水平；（在解決脈沖對陽極壽命影響后，對于脈沖生產線有很大的好處，可以顯著提高產品品質，減少保養成本，提高產品稼動率）。

03、陽極的尺寸穩定，在電鍍過程中陽極面積不發生變化，一次電流密度分布可以認為是恒定狀態對于改善電流密度分布有極大好處，尤其對于HDI細密線路，填孔，脈沖有較大幫助。

三、不溶性陽極工藝要求

我們在線路板電鍍中常用的不溶性陽極與普通的不溶性陽極差別在于有機物的損耗。此取決與貴金屬涂層即催化層的成分及結構。

在生產制作過程中需要確保兩個方面，一，保證有很牢固的結合力，指涂層與鈦基板的結合力。二，保證涂層的貴金屬轉化成有效催化劑的轉化率。

在第一個方面保證結合力需要：1.清潔干凈的表面；2.合適的表面粗糙度;3.催化層的結晶結構與底層結晶結構相似（金紅石結構）根據相似相溶的原理，形成鉚合的結構可以極大增強結合力。

第二方面涂層貴金屬的轉化率，這個需要在配方及生產工藝上做大量的實測數據，找出最佳的配方及生產工藝。

四、不溶性陽極生產流程簡介

鈦錠熱軋/冷軋 海綿鈦變成不同厚度鈦板：

沖網（裁切） 鈦板制作成不同網眼鈦網：

前處理 清洗鈦網表面，得到潔凈的鈦網表面：

涂層/燒結均勻涂覆貴金屬形成需要的氧化物：

焊接組裝 焊接組裝成成品：

經過以上幾個大的步驟，嚴格按生產品質管控，生產高性能低成本的陽極，為客戶提供高品質保障的陽極。

鈦陽極的設計原理

一、鈦陽極的使用需求

從使用者實際需求出發，當鍍銅制程從磷銅球切換成鈦陽極以后，首要的需求就是能夠切實穩定地提升電鍍均勻性，并由此帶來品質的提升；其次要求鈦陽極品質穩定，能夠達到預期的使用壽命以及在此期間穩定的添加劑消耗量水準，以保證運行成本可控。因此，概括來說，主要的要求有以下幾點：優良的電鍍均勻性、穩定的使用壽命、可控的添加劑消耗量水準。

對于陽極制造商而言，如何將客戶需求轉化為內部對于產品設計的要求，這是陽極制造商最需要研究并給予相應支持的地方。鈦陽極結構主要由兩部分組成：鈦基材和涂層。針對具體要求分解開來，電鍍均勻性要求主要是由鈦基材的機械設計決定的，而另外兩個要求則與涂層的設計密切關聯。

二、鈦陽極放電均勻性設計

鈦陽極主要的機械設計由于需要與設備匹配，主要工作是由設備商完成的。面對如何優化鈦陽極放電均勻性的設計問題，陽極制造商應當給予相應的建議和支持，主要可以從以下幾個方面來考慮。

1、電阻率問題

鈦陽極放電均勻性設計，首先需要關注的點就是鈦材的電阻率問題。純鈦的電阻率約為0.47μΩ·m，接近于同等條件下純銅的30倍。使用磷銅球時，陽極電流通過整個鈦籃引入，陽極內部是通過銅球進行傳導阻值基本可以忽略不計。而使用鈦陽極的話，由于鈦材的導電性相對較差，尤其是當鈦陽極工作在較高電流密度下，電流通過陽極上部傳導到下部時，本身鈦材的電阻會導致電壓從上到下存在明顯降低。這樣會導致在鈦陽極最下部，放電電流密度會顯著低于鈦陽極最上部。

在進行陽極設計時，首要考慮的是如何減少由于鈦材的長距離傳導導致電壓降問題。主要可以通過以下兩個方面來進行優化：①降低傳導電阻率，使用更寬更厚的鈦材進行電流傳導，或者使用鈦銅復合材料來輔助電流傳導；②分散電流傳導點，在陽極表面設置多個電流傳導點，避免傳輸距離過長。

2、陽極基材類型的針對性優化

目前鈦陽極的設計中，陽極基材類型的選用基本有兩種：一種是鈦板，另一種是鈦網。

鈦網是由鈦板進行沖切拉伸而成，其主要優點有是鈦網只能做雙面涂覆，即使是不面對產品的背面，由于網狀材料是鏤空的結構，背面涂層也可以參與放電，因此整個網狀陽極的有效放電面積比鈦板要大，這樣可以降低實際陽極工作條件的電流密度。網狀陽極往往機械強度更差，而且對比板狀陽極，電阻率也更高。針對上述問題，設計合適的框架并優化焊點位置，可以改善鈦網陽極的平整性和放電均勻性問題。

使用板狀陽極最大的優點在于，板狀陽極的基材是可以重復利用的。在陽極涂層失效以后，可以對殘余涂層剝離，并對基材表面進行徹底清潔后，可以重新涂覆涂層，這樣今后在陽極的應用中，可以一定程度上節省長期使用的成本（雖然一次性投入會稍大些）。另一方面，板狀陽極基材厚度通常選擇2mm和3mm，而網狀陽極一般適合由1mm鈦板拉制而成（中間鏤空），因此板狀陽極的導電性要好于網狀陽極。同時，板狀陽極相對機械強度要比網狀陽極更強，平整度會更好。但這并不意味著板狀陽極放電均勻性一定優于網狀陽極。相比而言，板狀陽極的整體機械設計會比網狀陽極（帶框架）更為簡單，但如果要適應于更高的電鍍均勻性要求，板狀陽極電流接入點的分布還是有優化空間的。

3、氣泡對導電均勻性的影響

由于鈦陽極在使用過程中，陽極反應會產生氧氣，因此氧氣的產生會形成陰陽極之間的屏蔽效應，并對放電均勻性造成一定的影響。由于產生的氧氣氣泡會上浮，導致陽極上部和下部累積的氧氣氣泡量形成了一定的梯度，從而造成屏蔽效果，也呈現了一定的梯度效應。需要平衡氧氣氣泡的屏蔽作用對電鍍均勻性的影響。

三、催化涂層的設計

陽極涂層的設計工作，是陽極制造商的核心價值體現。鈦陽極是一種高度定制化的產品，其高度定制化不僅通過基材多變的加工形狀體現，更重要的是針對客戶端的需求，選取合適的涂層配方設計，以最終滿足客戶個性化需求為最終目標。陽極涂層設計通常從貴金屬含量和涂層結構的設計兩個方面來進行考慮。針對適用于PCB鍍銅制程的陽極，貴金屬含量主要是指銥金屬的含量；而涂層結構則包含了涂層具體原材料種類的選用、涂層配比的調整、涂層涂覆先后次序的改變等各種加工制造環節的設計。

首先，陽極涂層的設計需要與具體的電鍍條件相適配。PCB鍍銅條件有直流電鍍和反向脈沖電鍍之分，而兩種鍍銅條件相適配的涂層設計是完全不同的。如果選用了錯誤的涂層設計，不僅無法滿足電鍍產品最終的要求，陽極的壽命和表現也會出現嚴重的問題。

其次，陽極涂層如何達到壽命要求，主要依靠實際使用條件，以及客戶預期壽命要求等具體情況綜合考慮。決定貴金屬含量多少，不只是根據陽極過電量多少進行簡單轉化，還需要根據使用條件，例如藥水中有機物含量的多少，是否具有嚴重影響陽極壽命的物質存在，設備是否具有設計缺陷導致的陽極無法正常工作等多種因素確定。如果對涂層結構設計進行優化，也能在一定程度上降低貴金屬消耗率，選擇適合的涂層設計方案比簡單規定貴金屬含量更為符合實際和更為重要。

對于電鍍陽極涂層設計最重要就是針對添加劑消耗量的控制要求，這是陽極涂層設計最為核心的部分。簡單而言，控制添加劑消耗量，需要對具有高度催化活性的涂層進行一定的屏蔽，使其減少對添加劑的直接接觸機會。通常，我們將這類特殊的涂層稱之為隔離涂層（barrier coating）。同時，針對各廠商的添加劑，以及添加劑性質的不同，我們也需要對涂層設計進行相應的優化和適配。通過改變涂層性質（例如表面粗糙度、表面能、電荷性質等），可以針對某些添加劑做出針對性吸附或排斥，從而一定程度上調整某些添加劑的消耗量水準。總而言之，涂層的設計真正體現了陽極高度定制化以及廠商核心專業能力和競爭力。

四、總結

隨著PCB產品要求的提升，PCB工廠自動化的提升，鈦陽極憑借其優秀的性能，將會逐漸取代磷銅球在PCB鍍銅制程中的地位。設備自動化程度的提高，尤其在脈沖電鍍領域，不溶性陽極取代銅球的趨勢較為明顯。同時一些新應用的出現，也對鈦陽極的產品開發提出了新要求。這對于鈦陽極的設計開發，既是機遇，也是挑戰。

審核編輯：郭婷