基于柠檬酸金钾的电镀金工艺研究.pdf

第4 6 卷第5 期 2 0 1 4 年1 0 月 南京航空航天大学学报 J o u r n a lo fN a n j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s8 LA s t r o n a u t i c s 基于柠檬酸金钾的电镀金工艺研究 李寒松张刚雷胡孝昀 ( 南京航空航天大学机电学院，南京，2 1 0 0 0 6 ) V 0 1 4 6N o 5 0 c t 2 0 1 4 摘要：针对现有的有氰镀金体系镀液含有有毒的氰化物，废液污染环境、处理困难等问题，提出低危害电镀金工 艺实验研究。为了极大减少溶液在实验过程中电离出游离态氰离子，选择柠檬酸金钾作为电镀金溶液配方主 盐。在既定的溶液配方基础上，改变电场、流场、冲液方式、阴阳极间距等参数，优化实验工艺，在紫铜基体上进 行基础实验，得到结晶晶粒细致，与基底结合力高，表面光亮度好的电镀层。采用原子力量微镜( A t o m i cf o r c e m i c r o s c o p e ，A F M ) 测试了基体和镀层的微观形貌，镀金层有效复制，基体表面的粗糙度降低。应用扫描电子量 微镜( S c a n n i n ge l e c t i o nm i r c r o s c o p e ，S E M ) 分析了镀层的组成成份，并用W 孓9 7 涂层附着力划痕试验仪检测了 镀层的结合力，其性能满足行业标准的要求。 关键词：微细制造；电镀金；柠檬酸金钾；结合力；光亮度 中图分类号：T Q l 5 3 1文献标志码：A文章编号：1 0 0 5 - 2 6 1 5 ( 2 0 1 4 ) 0 5 一0 7 5 7 一0 6 S t u d yo fG o l dE l e c t r i c a lP l a t i n gP r o c e s sB a s e do nG o l dP o t a s s i u mC i t r a t e L iH a n s o n g ，Z h a n gG a n g l e i ，H uX i a o y u n ( C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s A s t r o n a u t i c s ，N a n j i n g ，2 1 0 0 0 6 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：A ne x p e r i m e n t a ls t u d yo nl o wh a z a r de l e c t r i cp l a t i n gp r o c e s si sc o n d u c t e d ，i nv i e wo ft h ed i s a d v a n t a g e so ft h ee x i s t i n gs y s t e mf o rc y a n i d ep l a t i n g ，w h i c hi n c l u d ec o n t a i n i n gt o x i cc y a n i d eo ft h ep l a t i n g s o l u t i o n ，t h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，d i f f i c u l t i e si nd i s p o s i n ga n dS Oo n T h eg o l dp o t a s s i u mc i t r a t ei s u s e da st h em a i ns a l ti nt h es o l u t i o nf o rg o l de l e c t r i c a lp l a t i n g ，t or e d u c et h ef r e e s t a t ec y a n i d ei o n si o n i z e df r o mt h es o l u t i o ni nt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s B a s e do nt h ee s t a b l i s h e ds o l u t i o n ，e x p e r i m e n t sa r e c a r r i e do u t o nt h ec o p p e rs u b s t r a t e I n f l u e n c e so ft h ee l e c t r i cf i e l d ，f l o wf i e l d ，t h es t y l eo ft h ef l u s ha n d t h ed i s t a n c eb e t w e e na n o d ea n dc a t h o d eo nt h ep l a t i n gp e r f o r m a n c ea r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y W i t ht h e o p t i m i z e dp a r a m e t e r s ，r a t h e rb r i g h ts u r f a c e sw i t hs m a l l e rc r y s t a l l i n eg r a i ns i z ea n dh i g h e rb o n d i n g s t r e n g t ha r eo b t a i n e d T h em i c r o s t r u c t u r eo ft h es u r f a c ea n dt h es u b s t r a t ea r et e s t e db ya t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( A F M ) ，d e m o n s t r a t i n gt h a tt h eg o l d p l a t e dl a y e ri se f f e c t i v e l yc o p i e da n de v e nt h er o u g h n e s so f t h es u b s t r a t es u r f a c ei sr e d u c e d F u r t h e r m o r e ，t h ec o m p o s i t i o no ft h ep l a t i n gi st e s t e du s i n gs c a n n i n ge l e c t i o nm i r c r o s o o p e ( S E M ) a n dt h ep l a t i n ga d h e s i o ni st e s t e db yt h eW S - 9 7c o a t i n ga d h e s i o nt e s t i n gi n s t r u m e n t ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ep l a t i n gp e r f o r m a n c e sm e e tt h ei n d u s t r ys t a n d a r d K e yw o r d s ：m i c r om a n u f a c t u r i n g ；g o l de l e c t r i c a lp l a t i n g ；g o l dp o t a s s i u mc i t r a t e ；b i n d i n gf o r c e ；l u m i n a n c e 黄金镀层具有高导电性、低接触电阻、良好的 焊接性能，它在大气中及一般酸碱条件下都具有良 好的化学稳定性及耐蚀性1 。这使得金零件或者 镀金产品被广泛应用于电子元器件引线、P C B 板、 集成电路、宇宙空间技术和尖端军事设备等要求电 学性能参数长期稳定的场合2 。3 | 。目前使用历史最 基金项目：国家自然科学基金( 5 1 2 7 5 2 3 3 ) 资助项目；航空科学基金( 2 0 1 2 Z E 5 2 0 6 8 ) 资助项目。 收稿日期：2 0 1 4 0 5 一i 0 ；修订日期：2 0 1 4 0 7 1 0 通信作者：李寒松，男，副教授，E - m a i l ：h s l i n u a a e d u c n 。 万方数据 7 5 8南京航空航天大学学报 第4 6 卷 早、应用最广泛的镀金技术是氰化物镀金 4 。氰化 镀金溶液主要由金氰配盐和游离氰化物组成，镀液 有良好的分散能力和覆盖能力、电流效率高、稳定 性好，镀层结晶细致 5 - 6 。随着社会的发展，环境保 护已经成为人类可持续发展的重要问题之一。氰 化物作为剧毒的化学品，对环境和操作人员构成极 大的威胁。因此，研究无氰电镀金工艺，并用其来 代替氰化物电镀金，是意义深远而又迫在眉睫的。 由于无氰电镀金技术难度较大，实验成本较高， 使得无氰电镀金工艺的开发落后于市场的需求。从 2 0 世纪7 0 年代开始，许多研究机构也对无氰电镀 金进行了广泛的研究。亚硫酸盐电镀金、硫代硫酸 盐电镀金和柠檬酸盐电镀金是研究较多、工艺相对 较成熟的3 种电镀液体系。亚硫酸盐电镀金溶液在 保护环境和安全性方面，都优于氰化物镀金液。此 外，亚硫酸盐镀金液分散能力和覆盖能力好，电流效 率高，镀层光亮细致，与铜、镍、银等金属结合牢固， 耐酸、抗盐雾性能好。但是，金析出结晶晶粒大，亚 硫酸根离子容易被大气中的氧气氧化，导致溶液中 的亚硫酸根离子减少，金的活性增大，容易在渡槽内 壁等处析出金单质 7 。9 。硫代硫酸盐电镀金溶液成 分简单，配制方便，覆盖能力好，镀层细致。但其存 在的问题是镀液不够稳定，允许使用的阴极电流密 度范围较窄，镀层中含有少量的硫 1 。 本文采用柠檬酸金钾作为镀金溶液配制的主 盐，通过对电沉积机理进行分析，优化电镀实验工 艺，得出各个工艺参数对采用柠檬酸盐作为镀金主 盐的电镀镀层质量的影响。 1 电镀金实验原理及装置 电镀加工时，阳极用纯金板，与直流电源正极 相连，阴极为紫铜基体，经过前处理后，与电源负极 相连。将阴阳极放入电镀溶液中，当接通电源时， 即可实现对阴极基体表面的电镀。 该电镀金工艺实验装置如图1 所示，包括电源 控制系统、镀液循环系统、温度控制系统和电镀加 工装置。电镀阴阳极用夹具夹固，镀液的搅拌方式 为高速冲液。 电镀金采用高速冲液的方式。供液系统由一 个计量泵和一个节流阀组成。电镀夹具分正冲 和侧冲两种，由上下夹具体构成，阳极固定在上夹 具体上，阴极基体固定在下夹具体上，恒定流量的 电镀液在阴阳极间流过，实现阴阳极间的镀液实 时更换，保证电镀区域内的金离子浓度的动态平 衡。 6543 1 不溶性金片阳极；2 夹具体；3 阴极基体；4 镀液 槽；5 水浴；6 加热槽；7 恒流泵；8 节流阀；9 温控 装置；1 0 电子p H 计 图1电镀金实验装置系统图 F i g 1S y s t e m t i cd i a g r a mo fe x p e r i m e n t a lf a c i l i t y o f g o l de l e c t r i c a lp l a t i n g 2 柠檬酸盐镀金溶液电镀实验 2 1 电镀实验过程 电镀实验包括3 大步骤：电镀前处理，施镀和 后处理。其工艺流程如下：水洗一化学除油一水 洗一酸洗活化一水洗一电镀金一水洗一风干一检 验一保存。 前处理：实验采用紫铜片为电镀基体，预施镀