温度和电流密度对亚硫酸盐电镀金的影响

肖江，张超，张伟，张云望，卢春林

（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900）

电镀金层具有优异的导电性、导热性、耐蚀性、可加工性、化学稳定性、抗变色性等，被广泛应用于印刷电路板、精密仪器、国防科技和精饰加工行业[1]。无氰亚硫酸盐体系电镀金因具有无毒、环保等优点而备受青睐，经过不断发展，该工艺日趋成熟[2]。在激光惯性约束聚变(ICF)靶制备中，金作为黑腔的主要材料，为了满足物理实验的需求，需要满足以下要求：(1)具有优异的表面质量，表面光洁，无凹坑、节瘤等缺陷；(2)厚度较大，一般在50 ～ 200 μm范围内；(3)加工性能良好，能够满足车床、铣床的加工要求[3-5]。电镀金层的加工性能与金层的晶体结构和硬度密切相关[6-7]。本研究以紫铜片为基体，采用自研的亚硫酸钠体系镀液电镀金，研究了镀液温度和电流密度对所得金层晶相结构和纳米硬度的影响，并与冶炼的金片进行对比，为其对金层加工性能的影响提供实验依据。

1 实验

1.1 电镀金层的制备

采用紫铜片作为基体(施镀面积为10 mm × 5 mm)，电镀工艺流程为：除油(使用石油醚和无水乙醇各超声清洗3次，每次30 min，清洗后更换新的清洗剂)→活化(使用质量分数为5%的盐酸活化15 s)→预镀→电镀金。

采用亚硫酸盐体系电镀金。先在约 10 mA/cm2的电流密度下预镀 3 ～ 5 min，再在 pH = 9.20，温度45 ～ 60 °C，电流密度2 ～ 6 mA/cm2，阴极往复运动(距离± 15 mm，频率0.5 Hz)的条件下电镀金。通过控制电镀时间获得厚度为(50 ± 5) μm的金层。

1.2 性能表征

使用日本理学SmartLab9K型X射线衍射仪分析样品的物相，Cu靶，λ= 1.540 6 Å。以最具代表性的(111)峰半高宽(B)为准，按式(1)计算电镀金层的晶粒尺寸(d)[8-9]。

式中θ为衍射角。

使用安捷伦U9820A Nano Indenter G200型纳米压痕仪测量样品的纳米硬度，压痕采用连续刚度法，压入深度为2 000 nm，每个样品测试10个不同部位，取平均值。采用赛默飞FEI Inspect F50型场发射扫描电镜观察样品的微观形貌，放大倍数为16万。

2 结果与讨论

2.1 温度对电镀金层性能的影响

前期实验中发现，当温度低于45 °C时，电镀金层表面具有明显的颗粒状节瘤；当温度高于60 °C时，金盐开始分解，镀液变得浑浊，滤芯上出现暗紫色金沉淀。因此，固定电流密度为3 mA/cm2，考察温度在45 ～60 °C范围内变化对电镀金层性能的影响。

从图1可知，当温度为45 °C时，金层呈(220)晶面择优取向。随着温度的升高，(111)、(200)和(222)晶面的衍射峰强逐渐升高，(220)晶面的峰值呈下降趋势，(311)晶面峰值基本保持不变，温度高于50 °C时，金层开始转变为以(111)晶面为择优取向。

图1 不同温度下所得电镀金层的XRD谱图Figure 1 XRD patterns of gold coatings electroplated at different temperatures

从表1可知，温度在实验范围内对电镀金层的晶粒尺寸影响不大。

表1 不同温度下所得电镀金层的晶粒尺寸Table 1 Grain size of gold coatings electroplated at different temperatures

从图2可知，当温度为45 °C时，金层的平均纳米硬度为2.51 GPa。随温度升高，金层的纳米硬度变化不大，说明温度对电镀金层纳米硬度的影响不大。采取相同参数测得冶炼纯金的纳米硬度为 0.79 GPa，电镀金层的纳米硬度明显高于冶炼纯金，说明电镀金层具有更优的力学性能。这主要与电镀金层的晶粒尺寸较小，织构更紧密有关。

图2 温度对电镀金层纳米硬度的影响Figure 2 Effect of temperature on nanohardness of electroplated gold coating

从图3可知，随着温度的升高，金层外观先变好后变差。在55 °C下电镀所得的金层表面外观最佳。综合考虑金层的各项性能，选择温度为55 °C。

图3 在不同温度下电镀所得金层的外观Figure 3 Appearances of gold coatings electroplated at different temperatures

2.2 电流密度对电镀金层性能的影响

从图4可以看出，当电流密度为2 mA/cm2和3 mA/cm2时，电镀金层以(111)晶面为择优取向面。随电流密度增大，(220)晶面的峰强逐渐增大。当电流密度为6 mA/cm2时，电镀金层转变为以(220)晶面为择优取向面，其他晶面的特征峰变化不大。

图4 不同电流密度下所得电镀金层的XRD谱图Figure 4 XRD patterns of gold coatings electroplated at different current densities

从表2可以看出，在不同电流密度下电镀所得的金层晶粒尺寸相近，都约为30 nm。这表明电流密度对金层晶粒尺寸的影响不大。

表2 不同电流密度下所得电镀金层的晶粒尺寸Table 2 Grain size of gold coatings electroplated at different current densities

从图5可知，当电流密度为2 mA/cm2时，电镀金层的纳米硬度为2.97 GPa，约为冶炼纯金的3.5倍。随电流密度增大，电镀金层的纳米硬度减小。总体来说，电镀金层的纳米硬度显著高于纯金。因此，电镀金层更有利于机械加工。

图5 电流密度对电镀金层纳米硬度的影响Figure 5 Effect of current density on nanohardness of electrodeposited gold coating

从图6可知，随电流密度增大，电镀金层的外观先变好后变差，在电流密度为3 mA/cm2时金层外观最佳，因此选择电流密度为3 mA/cm2。

图6 不同电流密度下所得电镀金层的外观Figures 6 Appearances of gold coatings electroplated at different current densities

综上可知，电镀金的较佳温度和电流密度分别为55 °C和3 mA/cm2。如图7所示，该条件下所得产品零件表面在宏观上呈现镜面光亮，无结瘤，从微观上看结晶细致。

图7 最佳温度和电流密度下所得电镀金零件的外观和微观形貌Figure 7 Appearance and micromorphology of a component electroplated with gold at optimal temperature and current density

3 结论

(1) 镀液温度和电镀电流密度直接影响电镀金层的晶体结构。当电流密度不变，随着镀液温度升高，金层由(220)面择优生长转变为(111)面择优生长；而温度不变时，随着电流密度增大，金层由(111)面择优生长转变为(220)面择优生长。电镀金层的晶粒尺寸为(30 ± 5) nm，与电镀参数关系不大，主要由晶粒生长方式所决定。

(2) 不同温度和电流密度得到的电镀金层的纳米压痕硬度在2 ～ 3 GPa之间，远高于冶炼纯金的值，其原因是电镀金层结晶更为细致，高纳米压痕硬度更有利于机械加工。

(3) 电镀金的较佳温度和电流密度分别为55 °C和3 mA/cm2，该条件下所得金层呈镜面光亮，结晶细致，纳米硬度约为2.6 GPa。