CN1384222A - 无电解铜电镀液和高频电子元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无电解铜电镀液,该溶液能保证铜镀膜对粗糙度低的平坦陶瓷表面具有优异的粘合性,且能形成高频导电率优良、Q值高的高频电子元件。还提供一种用这种无电解铜电镀液形成的高频电子元件。该无电解铜电镀液含有铜离子、镍离子、甲醛或其衍生物和酒石酸或酒石酸盐,镍与铜离子的克分子含量之比约为0.0001~0.015。
Description
发明领域
本发明涉及无电解铜电镀液和具有用无电解铜电镀液形成的铜电镀膜的高频电子元件。
背景技术
在形成用作高频导体的铜电镀膜时,通常使用一种碱性无电解铜电镀液,这是一种水溶液,包含铜离子、用作还原剂的甲醛和用作铬合剂的乙二胺四乙酸(EDTA)。此外,在高频电子元件中,诸如应用于800~2000MHz频段的介电同轴谐振器和应用于20~30GHz频段的毫米波谐振器,一般把用无电解铜电镀液形成的约2~4微米厚的铜电镀膜用作电极。
在这方面,铜电镀膜优异的导电率在介电谐振器等高频电子元件中很重要,另外,铜电镀膜不起泡而且对陶瓷粘性好也很重要。此外,在使用含EDTA的普通无电解铜电镀液时,陶瓷片表面预先用含氟化氢的蚀刻剂强腐蚀,可充分利用用粗糙陶瓷表面的锚定作用,确保铜电镀膜的粘附性。
然而,当用强腐蚀提高陶瓷表面粗糙度时,高频导电率减小了,而且除了降低用作电极的铜电镀膜自身的Q值(谐振锐度)即所谓的Qc值以外,也降低了介电谐振器的Q值,即所谓的Q0值。为避免这些麻烦,在使用普通含EDTA的无电解铜电镀液时,腐蚀要适度,以减小陶瓷表面粗糙度。
然而,当减小了陶瓷表面粗糙度并然后电镀时,铜电镀膜会起泡,无法可靠地获得铜电镀膜与陶瓷片的优异粘附性。据信这一现象的原因在于甲醛分解时强烈产生氢,而甲醛作为还原剂而包含在无电解铜电镀液中,产生的氢影响了铜在表面粗糙度低的陶瓷片上的淀积,故减弱了锚定作用。
发明内容
考虑到上述问题作出本发明,本发明的一个目的是提供一种无电解铜电镀液,它能形成高频导电率优异的铜电镀膜,且与粗糙度小的光滑陶瓷表面粘合优良。此外,本发明还提供一种用这种无电解铜电镀液形成的高Q。值的高频电子元件。
根据本发明的一个方面,提供的无电解铜电镀液会包括:铜离子、镍离子、甲醛或其衍生物、以及酒石酸或其盐。此外,在该无电解铜电镀液中,镍离子含量与铜离子含量的摩尔比,较佳为约0.0001~0.015,更佳为约0.0001~0.01。
当无电解铜电镀液含有作为络合剂的酒石酸或酒石酸盐而不含镍时,电镀在铜充分沉淀之前停止,所以实际上无法形成厚度约2微米或更厚的铜电镀膜。然而,运用本发明的无电解铜电镀液,该溶液含镍,而镍起着沉淀催化剂作用使铜不断沉淀,所以很容易形成通常供高频导体使用的厚铜膜。
另外,当在对表面粗糙度小的陶瓷片电镀的情况下使用本发明的无电解铜电镀液时,减小了甲醛分解所产生的氢量,这一分解作用是将镍与起络合剂作用的酒石酸加在一起造成的。因此,铜容易沉淀在表面粗糙度小的陶瓷表面上,而且铜镀膜不起泡,故铜电镀膜与陶瓷片粘合优异。此外,由于镍含量小,导电率相当于纯铜导电率。还有,少量添加的镍也可与氧一起提高铜镀膜与陶瓷片的粘合性。
根据本发明的另一个方面,提供一种高频电子元件,该元件含有用上述无电解铜电镀液电镀形成的铜镀膜。此外,根据本发明另一个方面提供了一种高频电子元件,包括介电陶瓷与在其表面上形成的金属膜,其中金属膜主要包含带少量镍的铜,镍与铜的克分子含量之比约为0.0001~0.015。
上述形成的诸如介电谐振器等高频电子元件,较佳地将其铜镀膜用作高频导体,即有厚铜镀膜的电极,这样可有利地获得优异的高频导电率与高Qo值。
附图说明
图1是第一例介电谐振器的局剖切透视图;和
图2是第二例介电谐振器局部剖切透视图。
具体实施方式
以下参照附图描述本发明诸实例。
第一实例
该第一例无电解铜电镀液,包含铜离子、镍离子、甲醛或其衍生物、酒石酸或其盐。图1是介电谐振器的局部剖切透视图,该介电谐振器的铜镀膜用作电极,使用该例的无电解铜电镀液电镀而成。下面将描述用无电解铜电镀液制造介电谐振器的步骤,还描述第一例的无电解铜电镀液和用上述电镀液形成的介电谐振器,即把该介电谐振器作为一例高频电子元件来描述。
作为制造第一例介电谐振器的一个步骤,首先制备由含BaTi4O9·Ba2Ti9O20与BaSm2Ti4O12的混合陶瓷组成的盘形陶瓷单元1。该陶瓷单元1的外径为27毫米。陶瓷单元1经研磨处理,将厚度减至约5毫米,并用#1000、#2000与#4000砂纸和镜面处理,具有不同的表面粗糙度。如此磨光的陶瓷单元1用碱性表面活化液清洗,经中和后,浸入含碱性钯离子(作为还原催化剂)的溶液,使陶瓷单元1活化。
独立地制备含铜离子、镍离子、甲醛或其衍生物(如仲甲醛或乙醛酸)和酒石酸或酒石酸盐的无电解铜电镀液。如表1所列,制备的无电解铜电镀液含有水溶铜盐(硫酸铜:CuSO4·5H2O)、水溶镍盐(硫酸镍:NiSO4·6H2O)、络合剂酒石酸盐如酒石酸钠钾四水合物(罗谢尔盐:KNaC4H4O6·4H2O)和还原剂甲醛(HCHO)。1升中各个组分的含量列于表1,该无电解铜电镀液的PH用NaOH设置为12.7。此外,对该无电解铜电镀液添加了作为表面活化剂的聚乙二醇。
表1 | ||||
CuSO4·5H2O | NiSO4·6H2O | KNaC4H4O6·4H2O | HCHO | |
克分子/升 | 0.04 | 0.00008 | 0.1 | 0.12 |
接着将各陶瓷单元1浸入表1列出成分的这种无电解铜电镀液中,在36℃下按预定时间作电镀处理,并对该无电解铜电镀液馈送空气。如图1所示,在各陶瓷单元1整个表面形成无电解铜镀膜2,根据用X射线荧光厚度计的测量,无电解铜镀膜2的厚度约3.5微米。在该步骤中,陶瓷单元1上形成的各铜镀膜2不起泡。
另外,为了与第一实例的无电解铜电镀液作比较,作为一比较例,制备了含络合剂EDTA的普通无电解铜电镀液。如表2所示,制备了一种含硫酸铜、EDTA与甲醛(HCHO)的无电解铜电镀液,成分浓度列于表2,PH为13(用NaOH控制)。此外,还对该无电解铜电镀液添加了作为表面活化剂的聚乙二醇。
表2 | |||
CuSO4·5H2O | EDTA | HCHO | |
克分子/升 | 0.03 | 0.06 | 0.09 |
然后,把各个陶瓷单元1浸入具有如表2所列成分的这种无电解铜电镀液里,在37℃下按预定时间作电镀处理,同时将空气送入该无电解铜电镀液里,直到形成厚约3.5微米的铜镀膜。在用比较例的无电解铜电镀液电镀时,在陶瓷单元1具有镜面进行电镀期间,镀膜容易从陶瓷单元1上剥离,结果形成不了铜镀膜2。当陶瓷单元1用#2000或#4000砂纸处理而具有表面粗糙度时,铜镀膜2就起疤,粘合性不佳。
将这样形成的带铜镀膜2的各陶瓷单元1在氮气氛中以650℃热处理1小时,然后对各陶瓷单元1的外围作无心抛光处理,形成盘形TM模介电谐振器。接着,测量每个如此形成的介电谐振器的Qo值,结果列于表3。此外,在用过硫酸钠溶液腐蚀掉各陶瓷单元1表面上形成的铜镀膜2之后,用触针表面粗糙度测量设备(DEKTAK3ST)测量陶瓷单元1的表面粗糙度,结果列于表4。
表3 Q0值(直径26毫米,谐振频率2GHz) | ||
抛光条件 | #1,000 | #2,000 |
实例1 | 2,342 | 2,406 |
比较例 | 2,120 | 2,253 |
抛光条件 | #4,000 | 镜面 |
实例1 | 2,515 | 2,656 |
比较例 | 2,315 | 未形成 |
表4 粗糙度(微米) | |||
抛光条件 | #1,000 | #2,000 | |
实例1 | 正面 | 0.317 | 0.123 |
反面 | 0.342 | 0.125 | |
比较例 | 正面 | 0.330 | 0.128 |
反面 | 0.325 | 0.121 | |
抛光条件 | #4,000 | 镜面 | |
实例1 | 正面 | 0.092 | 0.009 |
反面 | 0.082 | 0.007 | |
比较例 | 正面 | 0.085 | 0.007 |
反面 | 0.088 | 0.008 |
表3的测量结果表明,在使用第一实例的无电解铜电镀液时,也就是使用含络合剂酒石酸与少量镍的无电解铜电镀液时,发现可以制得高Qo值的介电谐振器。另外,表4的测量结果表明,陶瓷单元1表面即使为镜面,铜镀膜2也不起泡。
第二实例
第二实例的无电解铜电镀液含有铜离子、镍离子、甲醛或其衍生物、酒石酸或其盐,镍离子与铜离子克分子含量之比约为0.0001~0.01。图2是介电谐振器的局部剖切透视图,该介电谐振器的铜镀膜用第二例的无电解铜电镀液形成。下面将描述用无电解铜电镀液制作介电谐振器的步骤,还参照该制作步骤描述第二实例的无电解铜电镀液和具有用这种溶液形成的电极的介电谐振器。
为制作第二实例的介电谐振器,首先制备多个陶瓷单元3。各陶瓷单元3为3毫米长、3毫米宽与5毫米高的长方体形成,由混合的BaTi4O9·Ba2Ti9O20与BaSm2Ti4O12陶瓷组成,在图中垂直于纵向的表面中心开有直径1毫米的通孔3a。接着制备一种含水HF溶液的腐蚀液,浓度为每升0.25克分子量,在70℃下将各陶瓷单元3浸入该腐蚀液10分钟,腐蚀各陶瓷单元3的表面。此外,陶瓷单元3用碱性表面活化溶液清洗,中和后浸入含碱性钯离子还原催化剂的溶液里,使陶瓷单元3活化。
与形成陶瓷单元3分开制备多种无电解铜电镀液,这些溶液含有铜离子、镍离子、甲醛或其衍生物和酒石酸或酒石酸盐,而且具有不同的镍离子与铜离子克分子量之比,即不同的镍浓度。像表1列出的无电解铜电镀液一样,每种无电解铜电镀液都含有硫酸铜、硫酸镍、起络合剂作用的酒石酸钠钾四水合物及起还原剂作用的甲醛,其PH由NaOH控制。然而,如表5所示,硫酸镍在各无电解铜电镀液中的添加量,即镍离子对100克分子铜离子的添加量,为0.01~1.5克分子,即该实例的无电解铜电镀液相互具有不同的镍含量。对这种无电解铜电镀液还添加了作为表面活化剂的聚乙二醇。
表5 Qo值(谐振频率2GHz) | ||||
镍添加量(克分子) | 0.00 | 0.01 | 0.05 | 0.10 |
Qo值 | 392 | 432 | 475 | 483 |
镍添加量(克分子) | 0.20 | 0.50 | 1.00 | 1.50 |
Qo值 | 495 | 464 | 435 | 415 |
接着将陶瓷单元3装桶,并把每个桶浸入无电解铜电镀液之一。然后,以36℃温度按桶每分钟转1圈(rpm)的转速电镀,同时对无电解铜电镀液送空气,直到在各陶瓷单元3表面上形成厚约3微米的铜镀膜4。在该步骤中,空气送入量定为每分钟0.1~0.5升,使镍离子对100克分子铜离子的添加量为0.01~1.5克分子。
控制对电镀液送气量的理由在于,当空气量为每分钟0.1升或更小时,即使镍离子对100克分子铜离子的添加量为0.01~1.5克分子,也会提高铜的沉淀速度,沉淀颗粒变得粗大,结果降低了高频导电率。当空气量为每分钟0.5升或更大时,铜镀膜4应力增大,故容易起泡。因此,送入电镀液的空气量最好为每分钟0.2~0.4升。
作上述电镀后,可在各陶瓷单元3的整个表面形成无电极铜镀膜4。带铜镀膜4的各陶瓷单元3在氮气氛中以650℃热处理1小时后,抛光除去在陶瓷单元3垂直于图示纵向的一个端面上形成的铜镀膜4,形成裸露表面3b,由此形成具有图2结构的TEM模介电谐振器。另外,测量如此形成的各介电谐振器的Qo值,结果列于表5。
从表5的结果可以看出,当镍离子对100克分子铜离子的添加量为约0.01~1克分子时,提高子介电谐振器的Qo值。即在本例中,主要由含镍的铜组成的铜镀膜4,在由介电陶瓷形成的陶瓷单元3表面上形成为金属膜,而该铜镀膜4就是镍与铜的克分子含量之比为约0.0001~0.015的金属膜。
在使用镍离子对100克分子铜离子的添加量小于0.015克分子的无电解铜电镀液时,得不到形成该膜必需的厚度,铜镀膜4会起泡。在镍离子对100克分子铜离子的添加量大于1克分子时,发现高频导电率降低了,而且由于形成在介电谐振器转角上的铜镀膜4因其柔顺性变劣而出现缺陷,Qo值也减小了。
接下来将描述形成介电谐振器的陶瓷片与铜镀膜4的表面粗糙度的关系。首先,制备含表1所列同样成分的无电解铜电镀液,即含有铜离子、镍离子、酒石酸和甲醛的无电解铜电镀液,相对100克分子铜离子,含0.2克分子镍离子。
把陶瓷单元3在70℃下浸入含HF浓度为每升0.25克分子的水溶液里腐蚀5、10、15、20或30分钟,然后把经不同腐蚀时间处理的陶瓷单元3装入不同桶里,桶浸入上述无电解铜电镀液。接着,在36℃温度下,桶以1rpm转速作电镀,同时对无电解铜电镀液送空气,直到在各陶瓷单元3表面上形成约3微米厚的铜镀膜4。
另外,作为一个比较例,制备含起络合剂作用的EDTA的无电解铜电镀液,即含表2所列成分的无电解铜电镀液。将陶瓷单元3装桶后浸入该无电解铜电镀液,接着以37℃温度电镀,同时对无电解铜电镀液送空气,直到在各陶瓷单元3表面上形成厚约3微米的铜镀膜4。
接着,在650℃氮气氛中对带如此形成的铜镀膜4的各陶瓷单元3热处理而形成介电谐振器,并测量如此形成的各介电谐振器的Qo值,结果示于表6。此外,对各陶瓷单元3表面上形成的铜镀膜4,还研究了起泡状况和泡大小,结果列于表7。
表6 Qo值(谐振频率2GHz) | |||
腐蚀时间(分钟) | 5 | 10 | 15 |
实例2 | 474 | 485 | 496 |
比较例 | 423 | 437 | |
腐蚀时间(分钟) | 20 | 25 | 30 |
实例2 | 472 | 453 | 436 |
比较例 | 431 | 428 | 410 |
表7 起泡状况与泡大小 | |||
腐蚀时间(分钟) | 5 | 10 | 15 |
实例2 | 无 | 无 | 无 |
比较例 | 镀膜剥离 | 约300μm | 约100μm |
腐蚀时间(分钟) | 20 | 25 | 30 |
实例2 | 无 | 无 | 无 |
比较例 | 约50μm | 约20μm | 约20μm |
根据表6与7所示结果,在使用普通无电解铜电镀液时,未形成铜镀膜4,还出现大的泡。对照之下,在使用含作为络合剂的酒石酸和少量镍的无电解铜电镀液时,发现即使陶瓷单元3表面因腐蚀时间短而未强烈腐蚀,铜镀膜4也不剥落,而且不起泡。此外还发现,可制得高Qo值的介电谐振器。
接着,测量铜镀膜4的粘合强度。测量中制备一种抗拉强度测量工具,它包括一金属块,底面呈方形,1.5毫米宽,1.5毫米长,并连接一个钢丝环。把上述工具焊接到起介电谐振器电极作用的铜镀膜4后,沿垂直于铜镀膜4的方向拉该工具,测量铜镀膜4与陶瓷单元3表面剥离的抗拉强度(N),结果列于表8。
表8 粘合强度 | |||
腐蚀时间(分钟) | 5 | 10 | 15 |
实例2 | 75 | 78 | 86 |
比较例 | 15 | 32 | |
腐蚀时间(分钟) | 20 | 25 | 30 |
实例2 | 94 | 90 | 93 |
比较例 | 43 | 44 | 41 |
根据表8结果,当使用本例无电解铜电镀液时,即无电解铜电镀液含有起络合剂作用的酒石酸和少量镍,发现与使用普通无电解铜电镀液相比,即使腐蚀时间很短,粘合强度仍很高。此外,在有些场合中,必要时还可在带无电铜镀膜的介电谐振器上形成附加无电铜镀膜。
本发明的高频电子元件并不限于介电谐振器,除介电谐振器外,本发明当然适用于其它高频电子元件。在本发明诸实例中,介电谐振器作为高频电子元件来描述,但是实例中描述的本发明的高频电子元件并非限于介电谐振器。例如,本发明的高频电子元件可以是用介谐振器形成的滤波器或双工器,而且本发明还适用于介电谐振器之外的高频电子元件。
如上所述,本发明的无电解铜电镀液含有铜离子、镍离子、甲醛或其衍生物、酒石酸或酒石酸盐。此外,这种无电解铜电镀液在制备时,镍、铜离子的克分子含量之比为约0.0001~0.015。镍之外的组分量是常规的。由于电镀时产生的氢气量很少。容易在平坦陶瓷表面上形成厚的铜镀膜,而且铜镀膜不起泡,因而能有利地使铜镀膜对陶瓷片具有优异的粘合性。
本发明的高频电子元件包含用无电解铜电镀液电镀形成的铜镀膜,即本发明的高频电子元件包括一介电陶瓷和在其表面形成的金属膜,该金属膜主要包括含最少量镍的铜,其中镍与铜的克分子含量之比约为0.0001~0.015。由于使用了本发明的无电解铜电镀液,本发明的高频电子元件具有由粘合性能优异的厚铜镀膜组成的电极,该电极适合用作高频导体。因此,优点在于这种高频电子元件能可靠地获得高频导电率与Qo值。
Claims (20)
1.一种无电解铜电镀液,其特征在于,包括:
铜盐;
镍盐;
甲醛或其衍生物;和
酒石酸或酒石酸盐。
2.如权利要求1所述的无电解铜电镀液,其特征在于,镍、铜离子克分子含量之比约为0.0001~0.015。
3.如权利要求2所述的无电解铜电镀液,其特征在于,镍、铜离子克分子含量之比约为0.0001~0.01。
4.如权利3所述的无电解铜电镀液,其特征在于,镍、铜离子克分子含量之比约为0.0005~0.05。
5.如权利要求4所述的无电解铜电镀液,其特征在于,所述镍、铜盐为硫酸盐。
6.如权利要求5的无电解铜电镀液,其特征在于,酒石酸或酒石酸盐是罗谢尔盐。
7.如权利要求2所述的无电解铜电镀液,其特征在于,所述镍、铜盐是硫酸盐。
8.如权利要求7所述的无电解铜电镀液,其特征在于,酒石酸或酒石酸盐是罗谢尔盐。
9.如权利要求1所述的无电解铜电镀液,其特征在于,所述镍、铜盐是硫酸盐。
10.如权利要求9所述的无电解铜电镀液,其特征在于,所述酒石酸或酒石酸盐是罗谢尔盐。
11.一种在支架上含有铜镀膜的高频电子元件,其特征在于,所述铜镀膜用权利要求6所述的电镀铜溶液电镀形成。
12.一种在支架上含有铜镀膜的高频电子元件,其特征在于,所述铜镀膜用权利要求2所述的电镀铜溶液电镀形成。
13.一种在支架上含有铜镀膜的高频电子元件,其特征在于,所述铜镀膜用权利要求1所述的电镀铜溶液电镀形成。
14.一种高频电子元件,其特征在于,包括:
有一表面的陶瓷;和
所述陶瓷表面上的金属膜;
其中金属膜包括含镍的铜,镍与铜的克分子含量之比约为0.0001~0.015。
15.如权利要求14所述的高频电子元件,其特征在于,所述金属膜包括含镍的铜,镍与铜的克分子含量之比约为0.0001~0.01。
16.如权利要求15所述的高频电子元件,其特征在于,所述金属膜包括含镍的铜,镍与铜的克分子含量之比约为0.0005~0.05。
17.一种形成权利要求16所述的高频电子元件的方法,其特征在于,包括在一种通气的溶液中对陶瓷作无电镀,所述溶液含有铜盐、镍盐、甲醛或其衍生物和酒石酸或酒石酸盐,其中镍与铜离子的克分子含量之比约为0.0005~0.05,通气速率约为0.2~0.4升/分钟。
18.一种形成权利要求15所述的高频电子元件的方法,其特征在于,包括在一种通气的溶液中对陶瓷作无电镀,所述溶液含有铜盐、镍盐、甲醛或其衍生物和酒石酸或酒石酸盐,其中镍与铜离子的克分子含量之比约为0.0001~0.015,通气速率约为0.1~0.5升/分钟。
19.一种形成权利要求14所述的高频电子元件的方法,其特征在于,包括在一种通气的溶液中对陶瓷作无电镀,所述溶液含有铜盐、镍盐、甲醛或其衍生物和酒石酸或酒石酸盐,其中镍与铜离子的克分子含量之比约为0.0001~0.015,通气速率约0.1~0.5升/分钟。
20.一种形成权利要求19所述的高频电子元件的方法,其中陶瓷在无电镀之前已腐蚀。
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