无氰镀铜工艺及镀层结构与性能研究

作     者：秦足足 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李建三;徐金来

授予年度：2016年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：HEDP 无氰镀铜 正交试验 阴极极化 滚镀 

摘      要：氰化镀铜工艺镀液均镀能力好,镀层结晶细致,技术成熟,工艺简单,但氰化物毒性巨大,开发出环保、安全的无氰镀铜工艺来彻底取代氰化镀铜工艺,是今后电镀行业的发展趋势。HEDP无氰镀铜工艺,研究时间较长,具有诸多优点,展现了良好的应用前景。目前已有的HEDP无氰镀铜工艺还不是十分成熟,仍需进行不断改进和优化。为此,本文在前人研究基础上,对现有工艺进行改进优化,确定了该工艺的最优镀液配方和工艺条件,并对镀层结构与性能进行研究探讨。通过霍尔槽试验,对工艺配方各组分及添加剂进行筛选,探讨各组分含量变化对镀液性能和镀层质量的影响,初步确定新工艺配方成分,在此基础上,采用正交试验对基础配方各组分和添加剂进行进一步优化,确定最优镀液配方及工艺条件为HEDP210g/L,碱式碳酸铜7.7g/L,氢氧化钾87g/L,碳酸钾152g/L,镀液pH值为10.5,温度为50℃,添加剂T04 6.0mg/L,T12 3.7mg/L,T15 0.4mg/L,电流密度为1.5.0A/dm2。该工艺镀液稳定性良好,覆盖能力强,分散能力为61.6%,所得镀层结合力良好,镀层结晶细致,孔隙率低。该工艺应用于钢铁件直接预镀滚镀铜,转速为12r/min,电流控制在8A/kg,无论是否加入添加剂,镀层结合力都可以达到工艺应用要求,添加剂的加入会大大提高镀层光亮度,但会降低滚镀镀速。通过阴极极化曲线、循环伏安曲线等电化学测试方法研究工艺镀液电化学性能,采用扫描电镜、X-射线衍射以及能谱对该工艺镀层结构进行表征,试验结果表明,该工艺体系的铜离子阴极还原反应过程是不可逆的;铜含量、HEDP浓度、碳酸钾含量、添加剂以及镀液温度都会影响镀液阴极极化度,铜离子浓度越大,HEDP浓度和碳酸钾含量越低,相对应的镀液阴极极化程度也会减小;溶液温度越高,分子热运动越剧烈,溶液中离子扩散速度增加,浓差极化降低,阴极极化逐渐减少;加入适宜量混合添加剂后,铜沉积电位负移,阴极极化增大,阴极还原电流变小,铜离子沉积速度减慢,从晶体结构上来看,是由于加入添加剂后,镀层(111)晶面的衍射峰强度得到提高,有更多的能量用来促使晶核的形成,更有利于得到符合电镀质量要求的致密铜镀层。镀液温度、电流密度、空气搅拌等工艺条件影响镀层表面微观形貌、镀层结构和镀层成份。在工艺允许条件范围内,随电流密度和镀液温度的增大,镀层结晶晶粒越大、均匀性越差、致密度降低;镀液温度为30℃时,镀层以(111)晶面为择优取向;镀液温度为70℃时,镀层以(200)晶面为择优取向;镀液温度越高,镀层中铜元素质量百分比逐渐升高;空气搅拌和加入适宜量添加剂(T04 6.0mg/L,T12 3.7mg/L,T15 0.4mg/L)会使镀层表面晶粒更细致均匀,有利于得到质量更好的铜镀层。