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了解化学镀铜工艺技术
发布时间: 2020-01-14 08:00:01
内容来源: 现代表面技术
标签: 化学镀铜 镀液
化学镀铜的主要目的是在非导体材料表面形成导电层,目前,在印制电路板孔金属化和塑料电镀前的化学镀铜已广泛应用。化学镀铜层的物理化学性质与电镀法所得铜层基本相似。

化学镀铜的主要目的是在非导体材料表面形成导电层,目前,在印制电路板孔金属化和塑料电镀前的化学镀铜已广泛应用。化学镀铜层的物理化学性质与电镀法所得铜层基本相似。

化学镀铜的主盐通常采用硫酸铜。使用的还原剂有甲醛、肼、次磷酸钠、硼氢化钠等,但生产中使用最普遍的是甲醛。故这里仅以甲醛为还原剂的化学镀铜液作为对象进行讨论。

1.甲醛还原铜的原理

(1)原子氢态理论。在碱性溶液中,甲醛在催化表面上氧化为HCOO-,同时放出原子氢,原子氢使铜离子还原为金属铜。

HCHO +OH-→HCOO-+2H

HCHO+OH-→HCOO-+H2

Cu2++2H+2OH-→Cu+2H2O

(2)电化学理论。甲醛还原镀铜,在金属铜上存在着两个共轭的电化学反应,即铜的阴极还原和甲醛的阳极氧化。

阳极反应:HCHO+OH-→HCOO-+H2+2e-

阴极反应:Cu2++2e-→Cu

2.镀液成分及工艺条件

生产中广泛使用的化学镀铜液,以甲醛为还原剂,以酒石酸钾钠为络合剂。表1为此类化学镀铜的工艺规范。

化学镀铜液主要由两部分组成:甲液是含有硫酸铜、酒石酸钾钠、氢氧化钠、碳酸钠、氯化镍的溶液;乙液是含有还原剂甲醛的溶液。这两种溶液预先分别配制,在使用时将它们混合在一起。这是因为甲醛在碱性条件下才具有还原能力,再就是甲醛与碱长期共存,会有下列反应发生:

2HCHO+NaOH→HCOONa+CH3OH

HCOONa+NaOH→Na2CO3+H2

引起镀液稳定性降低和甲醛消耗。

化学镀铜液配制时发生如下反应:

CuSO4+2NaOH→Cu(OH)2+Na2SO4

Cu(OH)2+3C4H4O62-→[Cu(C4H4O6)3]4-+2OH-

镀液使用一段时间后,反应速度变慢,镀层结合力变差。此时,应将溶液进行澄清或进行过滤,然后加入已配制好的补充液,便可重新使用。补充液同样分甲、乙两种溶液,但各成分的含量视消耗而定。

表1 化学镀铜的工艺规范

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硫酸铜是化学镀铜液中的主盐。镀液中铜离子含量越高,沉积速度越快,当其含量达到一定值时,沉积速度趋于恒定。铜离子含量多少对镀层质量影响不大,因此,其含量可在较宽范围内变化。

酒石酸钾钠是化学镀铜液中的络合剂,用于与铜离子形成络合物,防止Cu(OH)2沉淀生成。同时酒石酸钾钠又是一种缓冲剂,可以维持反应所需的最适宜的pH值范围。

甲醛是一种强还原剂,在化学镀铜中普遍采用。甲醛的还原能力随pH值增高而增强,同时,甲醛的还原能力随甲醛浓度的增加而提高。

氢氧化钠的作用是调节镀液的pH值,保持溶液的稳定性和提供甲醛具有较强还原能力的碱性环境。

为了提高镀液的稳定性,改善镀层外观和韧性,常在镀液中加入二乙基二硫代氨基甲酸钠、2•2-联吡啶等添加剂。但添加量不能过多,否则,由于它在金属表面的吸附量增多,会使镀铜速度降低。另外,镀液中加入金属离子也会对化学镀过程产生影响,如钙离子可以提高沉积速度;镍离子降低沉积速度,但可提高镀层的结合力;锑和铋离子使沉积速度降低,但可提高镀层的韧性和镀液稳定性。

化学镀铜反应消耗OH-,所以随着沉积过程的进行,镀液pH值会不断降低;铜层的沉积速度随pH值增高而加快,镀层外观也得到改善。因此,化学镀铜溶液的pH值不能过低;但若pH值过高,则会引起甲醛分解速度加快,副反应加剧,消耗增大,铜层沉积速度不再增加,导致镀液老化、自然分解。

化学镀铜过程中,必须严格控制反应温度。虽然升高温度能增大沉积速度,提高铜层韧性,降低内应力,但生成的Cu2O也多,镀液稳定性下降。若温度过低,易析出硫酸钠,它附着在镀件表面影响铜的沉积,形成针孔,产生绿色斑点。因此,化学镀铜工作温度应控制在15~25℃。

搅拌在化学镀铜过程中是必要的,其目的是:①使镀件表面溶液浓度尽可能同槽内部的浓度一致,维持正常的沉积速度;②排除停留在镀件表面的气泡;③使Cu+氧化成Cu2+,抑制Cu2O生成,使镀液稳定性得到改善。搅拌方式可釆用机械搅拌和空气搅拌。

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