CN103806050A - 一种降低镀铜层空隙率的无氰电镀铜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种降低镀铜层空隙率的无氰电镀铜的方法:对基体交替进行直流电镀单元和脉冲电镀单元,电镀液pH控制在12~13之间,温度为50~70℃。其中,每一个直流电镀单元电镀铜的阴极电流密度为0.5~3.0A/dm2,电镀时间为2-3min;其中,每一个交流电镀单元电镀铜的脉冲平均电流密度为0.5-3.0A/dm2;占空比为15%,电镀时间为2-3min。所述方法获得的镀层在镀层厚度为10-20μm时具有极小的空隙率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电镀铜的方法,特别是涉及一种降低镀铜层空隙率的无氰电镀铜的方法。
背景技术
氰化电镀铜层结晶细致、结合力好、镀液的均镀性、整平性、稳定性也非常好,可以在钢铁、锌及锌合金基体零件上直接电镀。但氰化电镀铜液中含有氰根离子,毒性大,废水及废液难处理,污染环境严重,而且危害人体健康。因此,人们一直在寻找可以替代氰化物电镀铜的无氰镀铜工艺。现有的无氰镀铜工艺主要有以下几种:
(1)硫酸盐镀铜
硫酸盐酸性镀铜液以硫酸铜、硫酸为主要成分,由于此种镀液易在钢件、锌铸件、铝件上生成置换层而导致结合力不够,加之该溶液的分散性不好,镀层粗糙、不光亮,所以在20世纪50年代以前的应用较少。20世纪60年代后,人们开发出了硫酸盐镀铜添加剂。获得的镀层具有优异的光亮性和整平性,并且镀层十分柔软;镀液的电流效率高(接近100%),沉积速度快,价格便宜,适于铜箔、塑料件电镀底层。高浓度的酸性镀铜溶液有着很好的分散能力与覆盖能力,适合于印刷电路板的通孔镀。由于从硫酸镀液中获得的铜层的内应力非常低,即使是施镀很厚的镀层也不会引起工件的变形,因此可用做电铸。但该镀种最大的缺点是对光亮剂的要求较为苛刻,并且在钢件、锌铸件、铝件上施镀需要预镀氰铜。
(2)焦磷酸盐镀铜
焦磷酸盐镀铜液以焦磷酸铜为主盐,焦磷酸钾为主络合剂,并配以其他辅助成分,是一种近中性溶液,对锌压铸件、铝上的浸锌层或塑料上的化学镀层无浸蚀作用。镀液稳定性较好,易于控制,镀液的分散能力与覆盖能力均较好,阴极电流效率也很高,能用于大批量生产,镀层结晶细致,抗蚀性好。缺点是成本较高,钢铁件不能直接镀铜,需要预镀或预浸提高镀层的结合力;电解液中焦磷酸盐易水解成正磷酸盐,当磷酸盐积累量达80~100g/L时,铜沉积速度下降,并且废水不易处理。
(3)氟硼酸盐镀铜
氟硼酸盐镀铜液以氟硼酸盐为主的简单离子镀液,其最大的特点是阴极电流密度大,镀层沉积速度快,易获得较厚的镀层,因此常用于电铸,但缺点是镀液成本高,对设备腐蚀大,废水处理难。
(4)乙二胺镀铜
乙二胺镀铜以乙二胺为主络合剂,镀液的均镀能力好,镀层结晶细致,外观好,但镀铜后再镀镍结合力差,此种工艺不常使用。
(5)HEDP镀铜
HEDP(羟基乙叉二膦酸),对金属离子有强的螯合作用。HEDP镀铜采用无氰碱性镀液,配方中含有二价铜、HEDP、缓冲剂或稳定剂、润湿剂等,此种工艺可以在铁基、铜基和锌基体上镀取有延展性的结合力良好的细晶镀层。但是由于镀液成分复杂、工艺难于控制,并且废液难于处理,限制了其广泛应用。
(6)一价铜镀铜
在有机膦酸盐碱性镀铜电解液中添加有效量的卤素离子添加剂Cl-、Br-、F-或其混合物,从而在有机膦酸盐二价铜镀液中实现一价铜镀铜。在锌压铸件上得到结合力很好的铜镀层,质量接近或相当于氰化物铜型的铜底层。
一价铜的配位阴离子镀液不仅具有很好的电化学和电镀综合性能,而且节能。但这种以使用强还原剂和低pH值为特征的亚铜镀液维护困难,不符合工业化生产的需要。
(7)其他镀铜
除上述各工艺外,人们还研究了以酒石酸钾钠、氨三乙酸、柠檬酸等为主络合剂的镀铜液,虽然各工艺镀液的稳定性都比较好,也能获得光亮、结合力好的镀层,但是镀液的配制比较繁琐,镀液维护较难,对操作者要求较高,镀液成本较高,难于实现工业生产。
其中,焦磷酸盐镀铜体系已大规模应用于生产,但一般还需要进行氰化预镀铜处理,而且镀液维护复杂,成本较高。柠檬酸-酒石酸电镀铜体系也有少量用于生产,但结合力不够理想,镀液成本也较高,长期放置易于生霉。硫酸盐电镀铜体系直接电镀时结合力极差。HEDP电镀铜体系几乎可以与氰化镀铜相媲美,但污水处理费用仍较高。其他的几种工艺也因都存在不同缺陷,基本上是停留在实验研究阶段,还没有完全用于工业生产。
为解决上述问题,文献CN101550570A公开了一种新的EDTA体系无氰电镀铜液,该无氰电镀铜液的主要优点是镀液配方简单,易于控制和操作,镀液使用温度范围宽,电流效率高,镀层结晶细致,外观色泽好,镀液稳定,均镀和覆盖力强,成本低,废水处理容易。可以代替含有剧毒的氰化电镀铜工艺,作为预镀铜或直接电镀铜使用。
但是使用上述溶液进行电镀是存在镀层的空隙率较大,在某些对空隙率要求较高的应用环境中,通常控制空隙的方法是增加铜层的厚度(50~70um),但这样做费时、费力。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述不足,提供一种降低镀铜层空隙率的电镀铜的方法。所述方法获得的镀层在镀层厚度为10-20μm时具有极小的空隙率。
本发明提供的降低镀铜层空隙率的无氰电镀铜的方法为:对基体交替进行直流电镀单元和脉冲电镀单元,电镀液pH控制在12~13之间,温度为50~70℃。
其中,每一个直流电镀单元电镀铜的阴极电流密度为0.5~3.0A/dm2,电镀时间为2-3min;
其中,每一个交流电镀单元电镀铜的脉冲平均电流密度为0.5-3.0A/dm2;占空比为15%,电镀时间为2-3min。
本发明的无氰电镀铜液的主要优点是镀液配方简单,易于控制和操作,镀液使用温度范围宽,电流效率高,镀层结晶细致,外观色泽好,镀液稳定,均镀和覆盖力强,成本低,废水处理容易。可以代替含有剧毒的氰化电镀铜工艺,作为预镀铜或直接电镀铜使用。
本发明提供的无氰电镀铜液的特征是:所说的电镀铜液的配方是:
主络合剂:乙二胺四乙酸二钠或乙二胺四乙酸二钾120~170g/L;
辅助络合剂:柠檬酸三钠或柠檬酸三钾25~40g/L,或酒石酸钾钠20~40g/L;
主盐:硫酸铜25~45g/L或碱式碳酸铜12~18g/L;
导电盐:硝酸钠或硝酸钾4~8g/L;
pH值调节剂:氢氧化钠或氢氧化钾20~40g/L。
与现有技术相比,本发明有如下优点或积极效果:
1、电镀铜液为无氰镀液,成分简单,容易操作和维护,可适用于钢铁零件表面的直接电镀。
2、电镀铜液极化性能好。镀液中不添加硝酸钾时,阴极电流效率较高,一般都在80%以上。当电流密度在1A/dm2左右时,电流效率在90%左右。
3、添加有硝酸钾的电镀铜液有较高的极限阴极电流密度,镀层光亮区的电流密度范围较宽,电流密度的上限可达3A/dm2。
4、电镀铜液的均镀能力好于现有的无氰电镀铜体系。添加柠檬酸钾和硝酸钾后,电镀铜液的深镀能力明显改善,可达到100%。
5、镀层厚度一样时,镀铜层孔隙率明显低于氰化物电镀铜体系。
6、镀层结合力能够满足需要,可用作铜-镍-铬防护装饰性镀层的预镀层使用。结合力强度高于氰化体系。
7、电镀铜液的稳定性高,经170h连续作业,镀液依然能够使用。
具体实施方式
为便于理解本发明,本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
电镀铜液的配方为:
乙二胺四乙酸二钠120g/L
碱式碳酸铜12g/L
氢氧化钾30g/L
柠檬酸三钾30g/L
硝酸钾6g/L;
电镀时的工艺条件为:对基体交替进行直流电镀单元和脉冲电镀单元,电镀液pH控制在12~13之间,温度为50℃。
其中,每一个直流电镀单元电镀铜的阴极电流密度为0.5A/dm2,电镀时间为2min;
其中,每一个交流电镀单元电镀铜的脉冲平均电流密度为0.5A/dm2;占空比为15%,电镀时间为2min。
实施例2
电镀铜液的配方为:
乙二胺四乙酸二钾145g/L
碱式碳酸铜14g/L
柠檬酸三钠25g/L
硝酸钠5g/L
氢氧化钠20g/L;
电镀时的工艺条件为:对基体交替进行直流电镀单元和脉冲电镀单元,电镀液pH控制在12~13之间,温度为70℃。
其中,每一个直流电镀单元电镀铜的阴极电流密度为3.0A/dm2,电镀时间为3min;
其中,每一个交流电镀单元电镀铜的脉冲平均电流密度为3.0A/dm2;占空比为15%,电镀时间为3min。
实施例3
电镀铜液的配方为:
乙二胺四乙酸二钠155g/L
碱式碳酸铜18g/L
酒石酸钾钠30g/L
硝酸钠5g/L
氢氧化钾40g/L;
电镀时的工艺条件为:对基体交替进行直流电镀单元和脉冲电镀单元,电镀液pH控制在12~13之间,温度为60℃。
其中,每一个直流电镀单元电镀铜的阴极电流密度为1A/dm2,电镀时间为2min;
其中,每一个交流电镀单元电镀铜的脉冲平均电流密度为1A/dm2;占空比为15%,电镀时间为2min。
实施例4
电镀铜液的配方为:
乙二胺四乙酸二钠170g/L
硫酸铜25g/L
氢氧化钠40g/L
酒石酸钾钠20g/L
硝酸钾4g/L;
电镀时的工艺条件为:对基体交替进行直流电镀单元和脉冲电镀单元,电镀液pH控制在12~13之间,温度为60℃。
其中,每一个直流电镀单元电镀铜的阴极电流密度为2A/dm2,电镀时间为3min;
其中,每一个交流电镀单元电镀铜的脉冲平均电流密度为2A/dm2;占空比为15%,电镀时间为3min。
实施例5
电镀铜液的配方为:
乙二胺四乙酸二钠120g/L
碱式碳酸铜12g/L
氢氧化钾30g/L
柠檬酸三钾30g/L
硝酸钾6g/L;
电镀时的工艺条件为:对基体交替进行直流电镀单元和脉冲电镀单元,电镀液pH控制在12~13之间,温度为60℃。
其中,每一个直流电镀单元电镀铜的阴极电流密度为1.5A/dm2,电镀时间为2.5min;
其中,每一个交流电镀单元电镀铜的脉冲平均电流密度为1.5A/dm2;占空比为15%,电镀时间为2.5min。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程,但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程,即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (5)
1.一种降低镀铜层空隙率的无氰电镀铜的方法:对基体交替进行直流电镀单元和脉冲电镀单元,电镀液pH控制在12~13之间,温度为50~70℃;
其中,每一个直流电镀单元电镀铜的阴极电流密度为0.5~3.0A/dm2,电镀时间为2-3min;
其中,每一个交流电镀单元电镀铜的脉冲平均电流密度为0.5-3.0A/dm2;占空比为15%,电镀时间为2-3min。
2.一种权利要求1所述的方法,其特征是:所说的电镀铜液的配方是:
主络合剂:乙二胺四乙酸二钠或乙二胺四乙酸二钾120~170g/L;
辅助络合剂:柠檬酸三钠或柠檬酸三钾25~40g/L,或酒石酸钾钠20~40g/L;
主盐:硫酸铜25~45g/L或碱式碳酸铜12~18g/L;
导电盐:硝酸钠或硝酸钾4~8g/L;
pH值调节剂:氢氧化钠或氢氧化钾20~40g/L。
3.权利要求1所述的方法,其特征是:直流电镀单元电镀铜的阴极电流密度为1~2A/dm2。
3.权利要求1所述的方法,其特征是:直流电镀单元电镀铜的电镀时间为2.5min。
4.权利要求1所述的方法,其特征是:交流电镀单元电镀铜的脉冲平均电流密度为1-2A/dm2。
5.权利要求1所述的方法,其特征是:交流电镀单元电镀铜的电镀时间为2.5min。
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