CN102732865A

CN102732865A - 一种化学镀镍液及碳硅铝镀覆方法

Info

Publication number: CN102732865A
Application number: CN201210104319XA
Authority: CN
Inventors: 张韧
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2012-10-17

Abstract

本发明公开了一种化学镀镍及碳硅铝镀覆方法。本发明主要针对碳化硅含量较高的碳硅铝材料，在碳硅铝工件表面打底镀镍层覆盖性良好（镀镍层上按需要可再镀金、银、锡等金属），适合于批量生产，镀层耐温≥300℃，经高温测试后在10×显微镜下检验镀层无起皮和起泡现象，适于模块、组件等，可以满足金锡焊料等高温焊接；且工艺是以铝合金镀覆工艺为基础，操作简便、工艺稳定、成本较低，适合批量生产。

Description

一种化学镀镍液及碳硅铝镀覆方法

技术领域

本发明金属电镀技术领域，尤其涉及碳硅铝材料批量电镀生产技术。

背景技术

随着信息技术的高速发展，当今器部件中的芯片的集成度越来越高，微电路的组装密度也越来越高，芯片的尺寸越来越大，功率也越来越大，散热要求越来越高，同时芯片向大尺寸化不断发展，模块及组件中基板也由软基板（PCB等）过渡到硬基板（LTCC、AlN等）。Al、Cu等传统封装金属尽管导热性能十分理想，但它们的热膨胀系数与Si、GaAs等芯片，以及陶瓷和电容介质材料存在高热错配应力，这样就很容易引起芯片和陶瓷基片的炸裂或某些焊点、焊缝的开裂。近二十年来问世的碳化硅颗粒/铝基(SiC/Al)复合材料（即碳硅铝材料）就可望替代第一、第二代专用电子封装合金，满足需求。它的热胀系数和陶瓷介质芯片等匹配，且在一定范围内精确可控，比重接近铝合金，强度高，且成本很低。另外，SiC/Al电子封装复合材料具备优异的尺寸稳定性，与其它封装金属相比，机加工及钎焊引起的畸变最小。

基于性能优势，SiC/Al电子封装复合材料已在美国航空航天领域获得了大量实际应用。工程应用是在二十世纪九十年代中期兴起的，取得了减重70％的显著效果。由于此种材料的导热率可高达180 W/ (m·K)，从而降低了模块的工作温度，减少了冷却的需要。近年以固态T/R组件为核心的有源相控阵（AESA）技术在国内外都得到了跨越式发展。而硬基板T/R组件外壳材料选择一直是一个大难题，目前只有SiC/Al电子封装复合材料的低比重、低热胀、高导热、高强度、可以气密封装等优良特性，最适合用于硬基板T/R组件外壳材料，尤其是机载雷达。

但SiC/Al复合材料的批量化应用还有两个难题，由于碳硅铝材料中碳化硅体积分数50-60%，碳化硅粒径40±20um正态分布，其电镀困难和机加工性能较差。SiC/Al复合材料镀覆困难主要在于：材料中的两种组分都是难于镀覆的材料，同时它们的镀覆工艺中还有很多冲突的地方。

首先，铝合金因为是两性金属，酸碱都极易腐蚀，化学反应复杂；对氧有高度亲和力，遇氧在表面立即形成氧化膜；铝的线膨胀系数很大(24×10-6/℃)；铝化学性质活泼，电化学电位很负(E＝-1.66V)。决定了铝合金的镀层结合力较差，尤其是高温时镀层极易起皮、起泡、脱落。一般的铝合金镀层使用温度很难超过150℃，而T/R组件的使用温度要达到300℃。

其次，碳化硅是立方体晶体结构。晶体结构是最稳定的，难于前处理，镀层生长性和结合力也最差。而且晶体材料电镀前为提高镀层结合力必须经过粗化工艺，能对晶体表面进行腐蚀粗化的都是强酸强碱等强腐蚀性介质，而这些强腐蚀性介质对铝合金的腐蚀性都很强，会造成材料表面的铝被过腐蚀，空表面粗糙度和孔隙率大增，甚至碳化硅颗粒从材料上脱落，影响材料气密，甚至造成材料失效。前处理不到位则会造成碳化硅晶体上镀层无法生长（露点）或碳化硅上镀层结合力差（镀层起泡）。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种针对碳硅铝材料的化学镀镍液及其前处理及打底镀覆工艺方法，以便于后续可以镀金、镀锡、镀银等，成本较低，适合批量生产。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种化学镀镍液，包括以下组分及其浓度：六水合硫酸镍：25～40克/升；次亚磷酸钠：20～40克/升；磷酸氢二纳：25～40克/升；氨基三甲叉膦酸钠：30～60克/升；碘酸钾：5～20毫克/升；聚乙二醇：2～3.5克/升。

本发明的另一个目的是提供了一种碳硅铝镀覆方法，包括以下工序步骤：（1）首先对碳硅铝工件进行喷丸处理后，进行除油处理；（2）接着将除油后的工件进行活化处理；（3）经过活化处理的工件进行一次浸锌，然后再脱锌，接着进行二次浸锌处理；（4）经过二次浸锌的工件再进行化学镀镍，该工序操作条件如下：pH值为4.0～5.5，温度为75～90℃、时间为5～30分钟；（5）经过化学镀镍后的工件，再进入到后续电镀工序。

作为优选，上述工序步骤（2）活化处理工序的处理液组分及操作条件为：500～900ml/L的硝酸、30～100g/L的氟化氢铵，温度为20～25℃，时间为15～60秒。

作为优选，所述步骤（3）中一次浸锌和二次浸锌工序的浸锌液的组成以及操作条件为：葡萄糖酸钠100-12Og／L，酒石酸钾钠50～80g/L，硫酸锌25～40g/L，碳酸钠3～7g/L，氟化锂3～5g/L，温度20-30℃，时间30-60秒。

作为优选，所述步骤（1）中除油处理工序的处理液组成及其操作条件为：25～40克/升的碳酸钠，25～40克/升的磷酸钠，2～4毫升/升的OP-10乳化剂，温度为55～75℃，时间为30～60秒。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：碳硅铝工件镀镍层覆盖性良好，适合于批量生产，镀层耐温≥300℃，经高温测试后在10×显微镜下检验镀层无起皮和起泡现象，适于模块、组件等，可以满足金锡焊料等高温焊接；且工艺是以铝合金镀覆工艺为基础，操作简便、工艺稳定、成本较低，适合批量生产。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1

一种碳硅铝材料工件的电镀前处理及打底镀覆工艺，具体工艺流程如下：

1、喷丸：首先对工件表面进行喷丸处理，喷丸采用300目的玻璃珠、压强为2.5大气压；

2.除油：经过喷丸的后工件再进行除油处理，除油液的组分为：30克/升的磷酸钠，30克/升的碳酸钠，2毫升/升的OP-10，除油温度控制在65～70℃，时间为45秒左右，并经自来水冲洗后进入活化工序；

3、活化：活化的目的是将碳硅铝材料中的碳化硅进行适度的刻蚀粗化，从而提高镀层的结合力。活化液中的组成是：900ml/L的硝酸，80克/升的氟化氢铵，并在25℃温度下，活化60秒后，经两道纯水清洗，该工序中我们添加了80g/L的氟化氢铵，能提高对碳化硅的腐蚀；

4、一次浸锌，其目的是在工件表面沉积一层沉锌层，有利于后续工艺。其浸锌液组成及操作条件为：葡萄糖酸钠12Og／L，酒石酸钾钠60g／L，硫酸锌3Og／L，碳酸钠5g／L，氟化锂3g／L，并在20℃左右温度下，沉积50s后，经过两道纯水清洗，进入后续工序；

5、脱锌：目的是将一次浸锌获得的较粗糙的沉锌层脱除，其组成是500ml/L的硝酸，并在25℃左右下浸泡60秒，然后再经两道纯水清洗，进入后续工序；

6、二次浸锌，其目的是获得致密的沉锌层，其浸锌液组成和操作条件是：12Og／L的葡萄糖酸钠，60g／L的酒石酸钾钠，3Og／L的硫酸锌，5g／L的碳酸钠，3g／L的氟化锂，并在20℃左右温度下，沉积30秒，再经两道纯水清洗；

7、化学镀镍，其目的是获得致密的镍层，为后续电镀提供打底层。其组成和操作条件是：30克/升的六水硫酸镍，30克/升的次亚磷酸钠，30克/升的磷酸氢二钠，35克/升的氨基三甲叉膦酸钠，10mg/L的KIO₃，以及2.5g/L的聚乙二醇，并在85℃的温度下，反应沉积30分钟，最后经两道纯水清洗后，进入下道工序，例如镀金、镀银、镀锡等。经X-ray检测后，化学镍镀层的厚度为7.0-8.0um。

实施例2～3

实施例2～3与实施例1相比，不同地方是化学镀镍液以及浸锌液的组成不同。表1和表2是实施例2～3与实施例1中化学镀镍液及浸锌液组成对比。

表1 实施例2～3与实施例1中化学镀镍液组成对比

	六水合硫酸镍，g/L	次亚磷酸钠，g/L	磷酸氢二钠,g/L	氨基三甲叉膦酸钠,g/L	KIO3, mg/L	聚乙二醇.g/L	温度,℃	时间，min
									实施例1	30	30	30	35	10	2.5	80	30
实施例2	25	30	25	40	8	2.5	90	20
									实施例3	40	40	40	50	20	3	85	20

表2 实施例2～3与实施例1中浸锌液组成对比

	葡萄糖酸钠，g/L	酒石酸钾纳，g/L	硫酸锌，g/L	碳酸钠，g/L	氟化锂，g/L	温度，℃	时间，s
								实施例1	120	60	30	5	3	20	30
实施例2	100	50	25	4	3	20	60
								实施例3	120	80	40	7	5	20	30

通过实施例2～3工艺得到的镀层，经300℃的高温烘烤后，并在10×显微镜下检验无镀层起皮、起泡现象。

本发明针对碳化硅体积分数50-60%（碳化硅粒径40±20um正态分布）的碳硅铝零件的前处理及化学镀镍工艺。普通的铝合金前处理和化学镀镍工艺无法直接应用于碳硅铝，因为材料表面的碳化硅颗粒表面镀层无法生长，镀后形成基材暴露，俗称“露点”，而且镀层结合力无法达到耐温300℃，满足后道高温焊接的使用要求。本方法在普通铝合金镀覆工艺的基础上做了如下改进：为了减小对基材的腐蚀，首先用机械方法（喷丸）对工件表面进行处理，减轻后道化学处理的强度，选用偏中性的化学除油剂，活化选用对铝材料侵蚀较小的高浓度硝酸体系（硝酸体积比90%），为对材料中的碳化硅颗粒表面进行一定程度的刻蚀，我们在活化溶液中加入了80g/L的NH₄HF₂, 敏化溶液选用偏中性的浸锌溶液，为保证镀层在材料表面的碳化硅颗粒表面生长和足够的镀层结合力，我们改进了普通的化学镀镍配方，提高溶液温度以增加反应速度，便于铝表面的镀层快速向碳化硅表面生长，这样溶液将变得不稳定，为防止镀液自催化分解，我们在溶液中加入KIO₃作为稳定剂，为保证侧向生长上碳化硅表面的镀层有足够的结合力，我们加入了聚乙二醇作为润湿剂。这样得到的镀层覆盖性良好。适合于批量生产，镀层耐温≥300℃，可以应用于模块、组件等碳硅铝外壳。

Claims

1.一种化学镀镍液，其特征在于包括以下组分及其浓度：

六水合硫酸镍：25～40克/升；

次亚磷酸钠：20～40克/升；

磷酸氢二纳：25～40克/升；

氨基三甲叉膦酸钠：30～60克/升；

碘酸钾：5～20毫克/升；

聚乙二醇：2～3.5克/升。

2.一种利用根据权利要求1所述化学镀镍液进行碳硅铝镀覆方法，其特征在于包括以下工序步骤：

（1）首先对碳硅铝工件进行喷丸处理后，进行除油处理；

（2）接着将除油后的工件进行活化处理；

（3）经过活化处理的工件进行一次浸锌，然后再脱锌，接着进行二次浸锌处理；

（4）经过二次浸锌的工件再进行化学镀镍，该工序操作条件如下：pH值为4.0～5.5，温度为75～90℃、时间为5～30分钟；

（5）经过化学镀镍后的工件，再进入到后续电镀工序。

3.根据权利要求2所述碳硅铝镀覆方法，其特征在于：所述工序步骤（2）活化处理工序的处理液组分及操作条件为：500～900ml/L的硝酸、30～100g/L的氟化氢铵，温度为20～25℃，时间为15～60秒。

4.根据权利要求2所述碳硅铝镀覆方法，其特征在于：所述步骤（3）中一次浸锌和二次浸锌工序的浸锌液的组成以及操作条件为：葡萄糖酸钠100-12Og／L，酒石酸钾钠50～80g/L，硫酸锌25～40g/L，碳酸钠3～7g/L，氟化锂3～5g/L，温度20-30℃，时间30-60秒。

5.根据权利要求2所述碳硅铝镀覆方法，其特征在于：所述步骤（1）中除油处理工序的处理液组成及其操作条件为：25～40克/升的碳酸钠，25～40克/升的磷酸钠，2～4毫升/升的OP-10乳化剂，温度为55～75℃，时间为30～60秒。