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小型化被動元件電鍍設備數位模擬與實際驗證

刊登日期：2021/10/01

摘要

未來產品將朝向小型化、薄型化等趨勢發展，被動元件之尺寸也朝向01005之超小型元件發展，由於傳統被動元件體積較大，配合適當導電體，可採用滾鍍方式進行金屬沉積，但隨著被動元件變小，傳統滾鍍製程無法將小型化被動元件有效分離，而使被動元件互相堆疊，導致電鍍金屬無法均勻沉積在端電極上，故本研究將開發高分散性超小型元件電鍍技術，藉由數位模擬進行電鍍流場設計，採用 Comsol Multiphysics 作為分析流場變化的模擬軟體，所建立的物理場則是選用紊流模式中的k-ε模型，採用對稱型流道設計可有效降低流場內部的渦流生成機率，獲得較好的裝置流線分佈均勻狀態並以對稱型且流道寬度16 mm的形式為主要設計。本研究之高分散性超小型元件電鍍設備可進行5000顆被動元件之測試，其電鍍不良率可降為10%以下，且電鍍金屬厚度均勻度達2.91±0.8 µm，滿足產業界對於被動元件電鍍之需求。

Abstract

Future products are developed towards miniaturization and thinning; and thus, the need for ultra-small size passive components substantially increase, in particular for the size of 01005. Due to the large production volume in traditional passive components, metal deposition of these components is carried out by barrel plating with appropriate conductive metals. As the passive components become smaller, the miniaturized passive components are unable to be dispersed effectively during traditional barrel plating process, and the components stack on each other during the process, resulting in ununiform metal plating on the terminal electrodes. Therefore, this research aims to develop a plating technology with ultra-small components being highly dispersed -- by applying Comsol Multiphysics simulation software to design and analyze the changes of the flow field. The physical field is established by the k-ε model in the turbulent flow mode. The 16 mm symmetrical flow channel design can effectively reduce vortex currents generation inside the flow field and obtain a more uniform distribution of the device streamlines. The electroplating equipment of highly-dispersive ultra-small component in this study can plate 5000 passive components with an electroplating defect ratio less than 10 %, and the uniformity of electroplated metal thickness is 2.91 ± 0.8 µm, which meets the requirements for passive components.

簡介
隨著科技快速發展，未來的電子產品除了外觀、重量要輕巧，內在則須朝著多功能性、高頻應用的趨勢發展。電子產品模組構裝中包含許多小型化被動元件，其占據不小的空間，為了順應產品輕量化、薄型化等趨勢，被動元件之尺寸也逐漸從常規尺寸0603縮小至01005 (0.4x0.2 mm)之超小型元件。被動元件是指提供相關被動功能和電子主動元件運作之零組件，具有不影響電路訊號基本特徵，但卻能控制電子迴路者（如過濾、旁路、去耦合(Decoupling)等）。根據研究機構Paumanok的預測，全球被動元件終端產業需求在2020年會達286億美元，並受惠於 5G 智慧型手機滲透率提升、電動車 (Electric Vehicle, EV)及汽車電子等應用帶動，預期 2021 年全球被動元件產值可望年成長約 11.1%。
現行被動元件端電極一般是側邊沾附銀電極膏後，再電鍍鎳與錫，使被動元件能藉由焊錫而與PCB板結合。由於傳統被動元件體積較大，配合適當導電體，可採用滾鍍方式進行金屬鎳與錫沉積，但隨著被動元件變小，例如01005之被動元件需求面積較0201縮小了56%，重量亦減少72%，故滾鍍無法將小型化被動元件有效分離，而使被動元件互相堆疊，導致電鍍鎳與錫無法均勻沉積在端電極上，故本研究將開發高分散性超小型元件電鍍技術，藉由數位模擬快速設計噴流式電鍍流場，針對小型化01005被動元件之端電極能均勻沉積金屬。
傳統被動元件是採用滾鍍方式進行端電極電鍍[1]，滾鍍技術是將滾筒連接於一齒輪驅動裝置，當滾筒治具內放入待鍍被動元件樣品後，置於電鍍槽內運轉該滾筒治具驅動裝置，而使被動元件樣品進行翻轉，促使其與電鍍液充分接觸而產生電化學作用，如圖1所示。為增加元件間之碰撞與電鍍均勻性，將在被動元件樣品加入微鋼珠，使鋼珠能與被動元件混合均勻，使電鍍之電場能均勻分散於各樣品中，此外，為提高元件樣品翻轉效率與鍍液置換速度，滾筒治具將進一步由對稱翻轉改為偏心翻轉，但01005元件因為產品過小，元件間接觸不均或元件互相堆疊，影響電鍍均勻性與品質。

圖1 滾鍍之滾筒治具與電鍍情形

國際被動元件大廠為提高01005小型化元件之電鍍均勻度，紛紛將傳統滾鍍設備改為離心電鍍設備[2-4]，其利用旋轉離心力原理，藉由離心力將01005小型化元件分離，設備架構為電鍍槽為一矩形槽體，放置一隔板，該隔板上方用以放入電鍍液，該電鍍滾筒可被浸泡在該電鍍槽中，將陰極環圍繞於電鍍滾筒壁內，並將驅動器設置在該電鍍槽下，透過卡合機構與驅動馬達相卡合的方式，帶動該電鍍滾筒旋轉，產生離心力。藉由電鍍滾筒作間歇性旋轉，利用該電鍍滾筒在旋轉時的離心力，使該電鍍滾筒體中的被動元件被帶動至該陰極環表面上，而達到小型零件的表面均勻電鍍效果。
噴流式電鍍設計
對於01005小型被動元件而言，離心電鍍雖然較傳統滾筒電鍍均勻性增加，但分散性仍然不足，故本研究將藉由噴流電鍍技術進一步提升小型化被動元件之分散，其設計為電鍍槽為具有錐形底部分的圓柱型容器，電鍍液流體被吸入到電鍍槽中的錐形底部準備進行噴射。此電鍍液帶動小型化被動元件噴射穿透電鍍機構而撞擊上方導流板，進而掉落至下方移動導流板中，形成一重複性循環，而上下方導流板也能藉由不同微小形狀之設計，加速小型化元件分離，使被動元件能藉由噴流、不同角度撞擊與下方導流板機構等分式而均勻分散，如圖2所示。由於小型化被動元件之體積小，且分散方式採用噴流、撞擊等方式，相較於離心式電鍍將可大幅減少電鍍液使用，鍍液使用量可從20-50公升降低至1公升以下，大幅減少鍍液使用20倍，同時具備環保與低成本之優勢。