铜基低温化学镀镍工艺因素对结合力的影响研究

侯俊英，高洪江，刘肖林，白杨

（青岛科技大学，山东青岛 266061）



铜基低温化学镀镍工艺因素对结合力的影响研究

侯俊英，高洪江，刘肖林，白杨

（青岛科技大学，山东青岛 266061）

摘要：在外加磁场的条件下对影响铜基体化学镀镍工艺的因素进行实验分析，结果表明，随着主盐浓度比的变化、施镀温度的改变以及外加磁场的不同，化学镀镍镀层的形貌、镀层与基体的结合力有所改变。其中化学镀液中主盐的浓度比对镀层与基体的结合强度影响最小，但对镀层中镍磷的含量影响较大。温度对镀层的形貌及镀层与基体的结合强度有明显影响，在40 ℃时结合力最好，温度越高结合力下降。随着外加磁场强度的增加镀层与基体的结合强度也随之增大。

关键词：外加磁场；结合强度；表面形貌；铜基材料

稿件编号:1509- 1075

0 引言

化学镀技术以其良好的均镀性、较低的孔隙率、简单的操作方法等技术优势以及其镀层所具有的良好的耐磨、耐蚀、硬度高、易焊接、化学稳定性好等性能特点，越来越受到人们的关注。化学镀镍技术是一种极有发展前途的表面强化技术。从20世纪50年代后期用于工业生产以来，现已经广泛应用于航空、航天、汽车、电子等各项工业生产中[1,2]。

在铜基体上进行化学镀镍磷是应印刷电路板耐蚀性要求而生的新的工艺技术，由于镍磷镀层优良的耐蚀性，化学镀镍层已经被广泛的应用于印刷电路的保护中[3]。然而对于次磷酸根离子的氧化来说铜是一种惰性金属，在铜基体的表面很难自发的进行化学镀镍过程。因此对铜基体表面进行活化以产生易于次磷酸盐氧化的活化点是必须的[4,5]。铜基化学镀镍的活化方法主要有两种：钯离子活化法和原电池法[6]。

本文用引镀的方法通过改变基体的电负性从而诱发镍磷离子的沉积，同时施加外部磁场进行化学镀镍实验，通过正交实验来分析研究配方中主盐配比、外加磁场强度以及施镀温度，对低温条件下铜基化学镀层的形貌性能、镀层与基体的结合力等的影响。

1 实验

1.1 铜基体的前处理

实验所用试样为2 mm×20 mm×20 mm的黄铜板，经过金相砂纸逐次打磨，在施镀之前要对铜基体进行一定的前处理以得到优质的镀层。

本文的前处理工艺流程为：丙酮超声清洗 →温水洗（50～70 ℃）→碱性除油 →温水洗→酸洗→ 温水洗→活化液活化→引镀（60 s）→化学镀镍。

所用的水均为蒸馏水，碱液为氢氧化钠溶液，酸洗的溶液为硫酸与硫脲的混合液，活化液为盐酸溶液。

1.2 引镀

在铜、黄铜材料表面上进行化学镀镍，必须先对基体进行诱发。本文采用了铁钉引镀的方法在铜基体上进行化学镀的诱发方法，操作方法简单有效且成本低，得到外观光亮完整、结合力强、硬度高的镀层。

1.3 铜基体化学镀镍

本实验采用镀液配方中硫酸镍与次亚磷酸钠含量比作为正交实验的影响因素之一，根据硫酸镍与次亚磷酸钠含量比的不同设置了三个水平的镀液1∶2，1∶1，2∶1，最终确定化学镀液配方，具体如表1所示。

表1 化学镀液配方

运用正交实验的处理方法，本文设计的实验方案为三个因素各取三个水平，需要根据不同的组合进行9组试验，故可采用如表2所示的L9(33)正交表,施镀时间均为2 h。

表2 实验因素水平表

2 结果与讨论

按照正交实验表中的条件分别进行了实验，得到镀有较好镍磷镀层的试样。对每个试样用自动划痕仪进行了结合力的测定，所得的结合力划痕曲线如图1所示。

图1 铜基试样划痕曲线

根据自动划痕仪所得到的曲线从斜率变化情况可以得到实验结果如表3所示。

表3 实验方案及结果

2.1 试验因素优水平和最优水平组合的确定

分析A因素各水平对试验指标的影响，可以看出，A1的影响反映在第1、2、3号试验中，A2的影响反映在第4、5、6号试验中，A3的影响反映在第7、8、9号试验中。

A因素的1水平所对应的试验指标之和为：

A因素的2水平所对应的试验指标之和为：

A因素的3水平所对应的试验指标之和为：

从上面的计算结果可以发现，kA1、kA2、kA3的结果并不相等。这充分说明，该试验结果受到A因素水平变动的影响。因此，根据kA1、kA2、kA3的大小可以判断A1、A2、A3三个水平对试验指标的影响大小。由于试验指标为结合力，而kA2>kA3>kA1，所以可断定A2为A因素的优水平。同理，可以根据表中数据计算并确定，B因素中的优水平为B3，C因素的优水平为C1。三个因素的优水平组合A2B3C1为本试验的最优水平组合，即静磁场对铜基材料化学镀镀层与基体结合力的影响的最优工艺条件为：配方b(硫酸镍25 g/L、次亚磷酸钠25 g/L、柠檬酸钠10 g/L、氯化铵30 g/L)，磁场强度为25 mT，温度为40℃。实验各因素所对应极差分析如表4所示。

表 4 试验方案及结果分析表L9（33）

2.2 确定因素的主次顺序

极差Rj计算结果如表4所示。

比较各R值大小，可见RC>RB>RA,所以因素对试验指标影响的主次顺序是CBA，即温度影响对镀层与基体的结合力影响最大，其次是外加磁场的磁场强度，而镀液中主盐的含量比对镀层与基体的结合力影响较小。

由于三个因素之间的极差相差不大，并且各数值相对较小，因此，各因素对化学镀均有一定影响且影响结果相差不大。

2.3 不同磁场条件下基体与镀层的组织形貌和成分分析

在扫描电子显微镜下对正交试验组合2、5、8实验方案所得试样进行观察,并对镀层进行能谱分析,从而对镀层中的成分进行分析,进而分析外加磁场以及镀液中主盐比例对镀层的形貌以及镀层成分的影响。

通过分析，得到三种不同配方试样的表面SEM照片如图2所示。

图2 三种配方的镀层表面形貌和能谱分析

图中2.1为正交试样2（镍盐磷盐比 1∶2）的SEM照片，试样表面光亮整洁，经能谱分析镀层中磷的含量为8.28%(质量)，属于高磷镀层，鼓泡状形貌明显，胞状大小相对均匀。

图中2.2为正交试样5（镍盐磷盐比1∶1）的镀层形貌。可以看出，相对试样2试样5的镀层鼓泡状更为明显且胞状更大。由能谱分析可以得出镀层中磷的含量为5.03%（质量），属于中磷镀层。

图中2.3为正交组合8（镍盐磷盐比2∶1）试样的表面形貌。由图可以看出，试样8的表面更为平整，鼓泡状不太明显且胞状较小。由能谱分析得出镀层中磷的含量为3.65%（质量），属于低磷镀层[2-7]。

3 结论

在低温条件下进行化学镀镍磷实验，通过改变外加磁场强度、改变镀液中主盐的含量比、改变实验的温度进行九组实验。得出三种因素对镀层与基体结合力的影响大小关系，其中温度对镀层与基体结合力的影响最大，随着温度的升高结合力越小，在40 ℃时所得到的镀层与基体的结合力最大。磁场强度对其影响次之，磁场强度提高结合强度也会提高，在25 mT的磁场强度条件下镀层与基体的结合力最大为38.34 N。配方中主盐比例的影响最小，在一定的范围内结合力基本不变。另外在相同外加磁场的条件下，通过扫描电镜和能谱分析可以看出镀层的表面形貌受镀液中主盐的含量比的影响。随着磷盐比例的增大（P盐与Ni盐比从0.5到2）镀层中磷的含量也增大（P含量从3.65%升到8.28%（质量））。

从而，得到最佳镀层与基体结合力的实验条件为：硫酸镍25 g/L、次亚磷酸钠25 g/L、柠檬酸钠10 g/L、氯化铵30 g/L，温度为40 ℃，磁场强度为25 mT，PH8.0±0.5。

参考文献

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Effects of bonding strength by technological parameters of electroless nickel plating on copper matrix at low temperature

HOU JunYing ,GAO HongJiang ,LIU XiaoLin ,BAI Yang
(Qingdao University of Science & Technology,Qingdao 266061,Shandong,China)

Abstract:In addition of magnetic field, the influence factors of the copper matrix electroless plating technology have explored. The results showed that with the ratio change of the main salt concentration, the temperature and the strength of external magnetic fi eld, the morphology of electroless plating layer and bonding force between coating and the substrate changes. The main salt concentration ratio of the plating solution has a minimum infl uence to the bonding strength between coating and the substrate, but the phosphorus content of the coating has large infl uence. Temperature has signifi cant effect on the morphology of the fi lm and on the coating bonding strength between coating and substrate. When it is 40 ℃ the bonding force is best ,and the higher the temperature the lower of the bonding force. On the other hand, with the increase of the strength of external magnetic fi eld, the bonding strength between coating and the substrate also increase.

Keywords:external magnetic fi eld, bonding strength, surface topography, copper matrix material

中图分类号：TG174.41；

文献标识码：A；

文章编号:1006-9658（2016）02-0009-04

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.02.003

收稿日期:2015- 09- 23

作者简介：侯俊英（1967—），女，副教授，主要从事材料成型与控制工程专业的教学与科研工作.