CN106702468B

CN106702468B - 一种等电位立式全浸没阴极高效连续制备金属薄膜的方法

Info

Publication number: CN106702468B
Application number: CN201611261396.0A
Authority: CN
Inventors: 王群; 周东伟; 陈志强
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2036-12-30
Also published as: CN106702468A

Abstract

一种等电位立式全浸没阴极高效连续制备金属薄膜的方法属于薄膜材料制造领域。本发明以金属闭合环形带为阴极，该阴极采取立式的安装方式，使其侧面与镀槽底面呈垂直关系，并采用双向电沉积的形式进行镀膜，镀膜过程中环形阴极完全浸没在镀液中。本发明有效解决了环形阴极内侧的沉积问题，同时解决了析氢累积对金属薄膜质量的影响，实现了高效率连续制备金属薄膜的目的。

Description

一种等电位立式全浸没阴极高效连续制备金属薄膜的方法

技术领域

本发明属于薄膜材料制造领域，尤其涉及一种等电位立式全浸没阴极高效连续制备金属薄膜的方法。

背景技术

随着电子信息产业的飞速发展，具有特殊性能的金属薄膜在电子工程及微器件等领域得到了广泛的应用。

金属薄膜的制备方法有很多，如轧制、喷射法、双辊超急冷却法、电沉积法等。相比于其他方法，采用电沉积法制备金属薄膜具有独特的优势，其优点在于：晶粒细小，可达到纳米级别；厚度、成分均匀可控；设备简单，操作方便；经济效益高。然而目前电沉积法也存在较大的不足，主要表现为镀液析氢在阴极容易累积，影响产品整体质量；电沉积法制备金属薄膜的效率低下，生产成本高昂,不能满足大规模的工业化生产。

中国专利CN100564606C介绍了一种电沉积制备金属薄膜的方法，然而该方法存在诸多缺陷，电沉积效率较低，整个电镀过程中，阴极带只有浸入镀液的底面能实现电沉积，两侧及上部都未能有效利用；同时阴极带底端为水平面，阴极析氢在底面会逐渐累积，容易产生氢脆、起泡等问题，影响镀膜质量；并且在阴极内侧采用的绝缘处理长时间在电镀环境中容易破损脱落，进而影响镀层剥离的完整性，阴极电连接方式也易划伤阴极表面，严重损害镀膜质量。美国专利US20010042686A1采用圆形辊的形式来制备薄膜，该方法也存在析氢累积、电沉积效率低下等一系列的问题，不利于大规模高效率的制备金属薄膜。

发明内容

本发明的目的是为了实现高效连续化的制备金属薄膜，避免环形阴极内侧面的沉积问题，解决阴极析氢对镀膜质量的影响，在保持主盐离子浓度动态稳定的同时，实现高效低成本的工业化生产。

一种等电位立式全浸没阴极高效连续制备金属薄膜的方法，应用如下装置，该装置包括电镀槽；集液槽；阴极传动系统；镀液循环过滤系统；电源和张力收卷控制系统；其特征在于，采用的阴极为闭合的环形金属带，该阴极的安装方式为立式安装，即环形带的侧面与镀槽的底面呈垂直状态；该环形阴极完全浸入在镀液中。

进一步，调节环形带的相对的两个内侧面之间的距离(a)，使其小于50mm，环形阴极随传动辊的转动方向运动。

进一步，该阴极的沉积方式为双向电沉积，即在阴极的相对的两个外侧面同时进行金属薄膜的电沉积过程，阳极与镀槽底面垂直，并与阴极的两外侧面呈立体平行的关系。

本发明提供了一种等电位立式全浸没阴极高效连续制备金属薄膜的方法，采用的技术原理如下所示:

1.由于采用电沉积的方式制备金属薄膜，必然伴随着阴极析氢的过程，析出的氢气将使薄膜产生氢脆、起泡等一系列的质量问题，而在本发明中，采用金属闭合环形带为阴极，该阴极的安装方式为立式安装，即环形带的侧面与镀槽的底面垂直，该环形阴极完全浸入在镀液中，这样的阴极安装形式可使析出的气体立即上浮到镀液表面，完全避免了析出的气体在阴极的吸附累积，不会对阴极镀层质量造成影响。

2.把阴极浸入到镀液中，其内侧面也将会沉积上金属薄膜，而内侧面薄膜厚度、成分不易控制，并且不能剥离出来形成连续薄膜，对阴极外侧薄膜的均匀性、完整性也产生不利影响，为了解决该问题，达到只在阴极外侧沉积薄膜的目的，在本发明中，阴极传动系统由主动端和从动端两部分组成,环形阴极随传动辊的转动方向运动；挂靠的阳极垂直于镀槽底面，与环形阴极平行相对。这种结构使得阴极具有隔离外部电场的作用，在阴极内侧形成等势体，而等势体内部的电场强度处处相等且为零，没有电场的作用，镀液主盐离子将不能在阴极内侧面沉积，进而从本质上消除阴极内侧的沉积现象；但实际上由于阴阳极间的电场具有边缘效应，会导致阴极内侧面的上下边缘有部分主盐离子沉积，通过电沉积实验，总结出当调节阴极内侧面的间距a，使其小于50mm时，可有效解决阴极内侧的沉积现象，达到阴极内侧自我保护的目的。

3.为了充分提高制备薄膜的效率，本发明的电沉积技术采用的是双向电沉积的方式，即在阴极的两个外侧表面同时进行电沉积的过程，与之相对的阳极挂靠在多孔隔板上，与阴极构成平行相对的关系，充分增大了阴极沉积的面积。

附图说明

图1为本发明提供的高效连续制备金属薄膜的镀槽系统示意图

图2为电沉积-收卷整体装置示意图

图3为环形阴极示意图

图4为阴极立式安装示意图

图5为阴阳极镀膜系统俯视图

图6为阴极俯视图

具体实施方式

现结合附图和具体实施例对本发明做详细说明：

一种等电位立式全浸没阴极高效连续制备金属薄膜的装置，如图1、图2、图3、图4、图5、图6中所示，1为环形阴极内侧面，2为环形阴极外侧面，3为阴极传动系统主动端传动辊，4为阴极传动系统从动端传动辊，5为第一阳极系统，6为第二阳极系统，7为环形阴极第一外侧面，8为环形阴极第一内侧面，9为环形阴极第二内侧面，10为环形阴极第二外侧面，11为环形阴极，12为镀槽第一进液孔，13为镀槽第二进液孔，14为多孔隔板第一卡槽，15为阳极钛篮，16为多孔隔板，17为镀槽第一出液孔，18为多孔隔板第二卡槽，19为镀槽第二出液孔，20为电镀槽，21为剥离的金属薄膜，22为张力收卷控制系统，23为进液容纳槽，24为中位沉积槽，25为带液分离槽，26为传动系统动力电机，27为镀液，28为集液槽，29为镀液循环过滤系统。

将配制好的镀液加入到集液槽中，把环形带安装到由从动端和主动端组成的传动系统上，在中位沉积槽中放入多孔隔板，将含有沉积金属的钛篮组成的阳极挂靠到隔板上。电源正极与阳极系统相连。将镀液注入到电镀槽中，经过进液容纳槽、中位沉积槽后经多孔隔板第二卡槽上的狭缝，流入到带液分离槽，然后镀液经下方出液孔又进入到集液槽中，形成镀液的循环过程。同时打开电源，调节阳极电流，开启传动电机，设定阴极环形带的转速。等电位立式全浸没阴极在进液容纳槽、中位沉积槽部分完全浸没到镀液中，经多孔隔板第二卡槽上的狭缝进入带液分离槽后，环形带与镀液分离，当在阴极沉积的金属薄膜到达主动端传动辊时，将其剥离，并经张力收卷控制系统缠绕收卷，得到金属薄膜带材。

由于电镀溶液具有一定的腐蚀性，而阴极传动辊又需要一定的强度，因此镀液中的从动端传动辊、轴承均为工程塑料制品；主动端轴承为工程塑料制品，传动辊为强度高、导电性好的不锈钢材料。

阴极环形带的松紧程度可调节，使其保持张紧状态。在等电位立式阴极传动系统中，其主动端以不锈钢金属辊轴作为导电介质，金属辊轴外侧与环形带内侧形成面接触。主动端金属传动辊与电源阴极相连；辊轴下端与电机相连，为阴极传动系统提供循环动力。

阳极系统由钛篮、沉积金属、多孔隔板组成。钛篮外套有阳极袋，防止阳极泥进入镀液。采用多孔隔板为钛篮提供挂靠位点，在隔板两端设计有多个卡槽，隔板放在不同的卡槽位置，阴阳极的间距不同，因此可根据隔板的卡位来调节阴阳极的距离，调节范围可达10-300mm。

为了满足阴极等电位立式全浸没的要求，电镀槽整体设计为三个模块，分别为：进液容纳槽、中位沉积槽、带液分离槽。其中带液分离槽两侧面均开有狭缝，方便镀液的循环流出与环形带的出带收卷，各模块都开有流液孔，通过导管与集液槽形成镀液循环系统。

实施例

本专利提供的制备金属薄膜的技术,可高效连续的制备各种金属或合金薄膜，现以制备铁镍合金薄膜和制备铜金属薄膜的工艺流程为例进行进一步的说明。

示例1：制备铁镍合金薄膜

镀液组成：

硫酸镍85g/L，硼酸40g/L，氯化钠30g/L，柠檬酸钠13g/L，硫酸亚铁15g/L，抗坏血酸4g/L，十二烷基硫酸钠0.2g/L，苯亚磺酸钠0.3g/L，丁炔二醇0.4g/L，糖精2g/L。

工艺步骤：

⑴配制电镀溶液并将其充分搅拌混合，调节pH为2.6；

⑵将装有铁、镍颗粒的钛篮挂靠到多孔隔板上，形成阳极系统；装配阴极环形带，并调节环形带的张力达到合适大小,调节隔板位置使阴阳极间距为35mm；

⑶将镀液加入到集液槽中，温度加热到50℃后，开启镀液循环过滤系统,调节镀液流量为20L/min；

⑷打开电源开关，设置电流密度3.0A/dm²。调节主动端动力电机参数，进行合金薄膜的电镀过程。

⑸采用本发明的上述技术措施，可制备出连续铁镍合金薄膜，镀膜速率达到3m/h，膜厚为14μm，薄膜宽度为80mm，并且薄膜厚度均匀，表面光亮平整。

示例2：制备铜金属薄膜

镀液组成：

硫酸铜200g/L,硫酸55g/L,四氢噻唑硫铜0.001g/L，苯基聚二硫丙烷磺酸钠0.02g/L，聚乙二醇0.05g/L，十二烷基硫酸钠0.2g/L。

工艺步骤：

⑴配制电镀溶液并将其充分搅拌混合均匀；

⑵将含磷0.1％-0.3％的磷铜颗粒加入到钛篮中并挂靠到多孔隔板上，形成阳极系统；装配阴极环形带，并调节环形带的张力达到合适大小,调节隔板位置使阴阳极间距为30mm；

⑶将镀液加入到集液槽中，温度加热到25℃后，开启镀液循环过滤系统,调节镀液流量为15L/min；

⑷打开电源开关，设置电流密度2.5A/dm²。调节主动端动力电机参数，进行金属薄膜的电镀过程。

⑸采用本发明的上述技术措施，可制备出连续铜金属薄膜，镀膜速率达到2m/h，膜厚为12μm，薄膜宽度为80mm，并且薄膜厚度均匀，表面光亮平整。

Claims

1.一种等电位立式全浸没阴极高效连续制备金属薄膜的方法，应用如下装置，该装置包括电镀槽；集液槽；阴极传动系统；镀液循环过滤系统；电源和张力收卷控制系统；其特征在于，采用的阴极为闭合的环形金属带，该阴极的安装方式为立式安装，即环形带的侧面与镀槽的底面呈垂直状态；该环形阴极完全浸入在镀液中；

所述阴极传动系统由主动端和从动端两部分组成，环形阴极随传动辊的转动方向运动，挂靠的阳极垂直于镀槽底面，与环形阴极平行相对；

调节环形带的相对的两个内侧面之间的距离小于50mm，环形阴极随传动辊的转动方向运动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该阴极的沉积方式为双向电沉积，即在阴极的相对的两个外侧面同时进行金属薄膜的电沉积过程，阳极与镀槽底面垂直，并与阴极的两外侧面呈立体平行的关系。