電子元件用金屬種類及其製造工藝
現代電子技術不僅體現在電路設計和晶片的精密程度上，也體現在為每個元件選擇合適的金屬材料。金屬在導電、接觸、防腐塗層、元件引腳、焊接材料，甚至散熱器和電磁屏蔽的結構材料等方面都發揮著至關重要的作用。每種金屬都具有不同的特性——導電性、耐腐蝕性、機械強度、熔點和加工性能——因此必須根據應用需求進行選擇。本文將探討電子元件中常用的金屬類型及其在工業製造中的應用。
1. 銅（銅/Cu）：導體的脊梁
銅是電子產業最主要的金屬，因為它具有極高的導電性、延展性和相對於貴金屬的相對低廉的價格。銅被用於印刷電路板（PCB）、電纜、馬達/變壓器繞組、母線和連接器等產品。
製造工藝：
精煉和電解精煉：銅礦石經過精煉以達到高純度（通常>99,9%）。對於電子應用而言，純度至關重要，以確保低電阻。
– 軋製和退火：將銅軋製成用於 PCB 的薄片（箔），然後進行退火（以可控的方式加熱和冷卻），使其更具延展性，更容易加工。
– 銅電鍍：在 PCB 製造過程中，可以透過在某些區域進行電鍍來「生長」銅線，以增加線路厚度。
2. 鋁（Al）：輕量、便宜、散熱性能可靠
鋁廣泛用於散熱器、外殼、設備框架和電解電容器（作為陽極箔）。雖然其導電性低於銅，但鋁具有重量輕、耐腐蝕（由於其天然氧化層）和導熱性好等優點。
製造工藝：
– 壓鑄和擠壓：散熱器通常採用擠壓（將鋁推過模具）來形成散熱片，或採用壓鑄來製造複雜的形狀。
陽極氧化：一種電化學工藝，可形成更厚、更穩定的氧化層。陽極氧化可提高耐腐蝕性，並能改善散熱性能（取決於表面處理）。
– 蝕刻（用於電容器箔）：蝕刻鋁表面以增加表面積，從而在小體積內增加電容。
3. 錫 (Sn) 和焊料合金：元件間的連接器
錫是焊料的主要成分。焊料將元件連接到印刷電路板 (PCB) 上，確保電氣接觸和機械強度。如今，許多行業使用無鉛焊料，例如錫銀銅 (SAC) 焊料，如錫銀銅 (Sn-Ag-Cu)。
製造工藝：
– 合金化（製造合金）：將錫與銀和銅以一定比例混合，以獲得適當的熔點和連接強度。
– 回流焊接：將焊膏印刷（鋼網印刷）到 PCB 焊盤上，然後在回流焊爐中加熱，使焊錫熔化並形成連接。
– 波峰焊接：對於通孔元件，將電路板通過一波熔融焊錫，從而將元件引腳焊接在一起。
4. 黃金 (Au)：優質抗腐蝕接點
金因其優異的抗氧化性和高導電性，被廣泛應用於連接器、焊盤、鍵合線和接點塗層。即使在重複使用和潮濕環境下，金也能確保連接的穩定性。
製造工藝：
– 鍍金：在連接器或焊盤表面鍍上一層薄薄的金層。此厚度經過最佳化，既能保證耐磨性，又不會增加過多的成本。
– 引線鍵合：在半導體產業中，使用金線（或其他替代材料）透過熱聲/超音波鍵合製程將晶片連接到引線框架。
– PCB上的ENIG：PCB上一種流行的表面處理工藝是ENIG（化學鍍鎳沉金）：在沒有電流的情況下鍍鎳，然後在表面鍍上一層薄薄的金。
5. 銀（Ag）：在特定路徑上具有最高的導電性
銀是常見金屬中導電性最高的，因此被用於高性能導體、導電膏、按鈕薄膜和某些連接器等特殊應用。但銀的缺點是會與硫發生反應而失去光澤。
製造工藝：
– 銀漿（網版印刷）：在柔性電路或薄膜中，使用特殊的網版印刷技術印刷銀導體的圖案，然後乾燥/固化。
– 鍍銀：對某些連接器進行電鍍，以降低接觸電阻，尤其是在高電流下。
6. 鎳（Ni）：阻隔塗層與耐磨性
鎳通常用作連接器中的阻隔層，以防止金屬擴散並提高耐磨性。在PCB表面處理中，鎳通常先於金使用（例如，ENIG製程），因為它能增強焊盤的強度和穩定性。
製造工藝：
– 化學鍍鎳：無需電流即可形成均勻的鎳層，適用於複雜幾何形狀。
– 鎳電鍍：用於厚度控制要求更高的鍍層。
7. 鈀 (Pd) 和鉑 (Pt)：適用於接觸和塗層，性質穩定
鈀金用於某些連接器中，也可作為鍍金的替代品，以提高耐磨性，有時成本更低。鉑金由於成本高而較少使用，但其優異的耐化學腐蝕性使其適用於某些感測器應用。
製造工藝：
– 選擇性鍍膜：為了降低成本，鈀通常只會選擇性地鍍在接觸區域。
– 感測器電極的製造：Pt 可以透過光刻沉積和圖案化形成薄電極（特別是在感測器和微元件中）。
8. 鐵、鋼和結構合金：機械強度和屏蔽性能
鋼和鐵合金用於製造需要高強度的框架、螺絲、底盤和外殼。此外，某些金屬薄板可用作電磁幹擾屏蔽材料。
製造工藝：
– 沖壓和彎曲：鋼板經過切割成型（沖壓）和彎曲，製成支架、蓋子和框架。
– 防腐塗層：鋼材通常會塗上鋅（鍍鋅）、鎳或油漆/粉末塗層，使其防鏽。
– 屏蔽罩的形成：PCB 上的 EMI 屏蔽罩通常由沖壓成型的薄金屬片製成，然後用焊料或夾子固定。
9. 引線框架：用於積體電路封裝的銅和銅合金
在某些積體電路封裝中，引線框架採用銅或其合金製成，因為它們導電性佳且易於精密成型。
製造工藝：
– 連續沖壓：透過模具分階段加工金屬薄板，形成積體電路的接腳。
– 化學蝕刻：一種用於精細細節的替代方法，使用化學物質「雕刻」引線框架圖案。
– 電鍍（錫、鎳、銀、金）：引線框架經過電鍍，以提高可焊性和耐腐蝕性。
10. 電子材料金屬選擇標準
金屬的選擇不僅取決於導電性。設計師也會考慮以下因素：
1. 導電性和接觸電阻（例如銅、銀、金）。
2. 抗氧化/耐腐蝕性（金非常優異，鎳可作為屏障）。
3. 機械強度和耐磨性（鋼、鎳、鈀）。
4. 熱性能（鋁製散熱器）。
5. 製造流程的兼容性，例如回流焊接、電鍍和沖壓。
6. 材料的成本和可用性以及供應鏈的穩定性。
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金屬是電子設備中實現電訊號傳輸、散熱和連接持久性的「物理基礎」。銅是主要的導電材料，鋁具有卓越的散熱性能，錫及其合金透過焊接將元件牢固地連接在一起，而金、銀、鎳和鈀則確保了接觸品質和耐腐蝕性。在這些金屬的背後，軋製、沖壓、擠壓、蝕刻、電鍍和回流焊接等製造流程是實現高品質電子元件大規模生產的關鍵。透過了解金屬的特性及其製造工藝，我們可以設計出更可靠、更有效率、更耐用的裝置。
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