材料表面化学镀铜及其应用

综 述

材料表面化学镀铜及其应用

ElectrolessCopperPlatingonMaterialSurfaceandItsApplications

张万利, 宣天鹏, 汪 亮, 周 赟

(合肥工业大学材料科学与工程学院,安徽合肥230009)ZHANGWan-li, XUANTian-peng, WANGLiang, ZHOUYun

(CollegeofMaterialScienceandEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

摘要: 化学镀铜作为优良的表面处理技术,在电子、机械、航空航天等工业中得到广泛应用。有关化学镀铜的机理及化学镀铜新工艺的研究是电子产品表面金属化研究的热点。介绍了化学镀铜的原理及其应用,指出了其所面临的主要问题和未来的主要研究方向。

关键词: 化学镀铜;表面金属化;机理;应用

Abstract: Asafinesurfacetreatmenttechnology,electrolesscopper-platinghasbeenwidelyusedinelectronics,mechanical,aerospaceindustries,etc.Theresearchonthemechanismandnewprocessesofelectrolesscopper-platingisahotsubjectinsurfacemetallizationofelectronicproducts.Themechanismandtheapplicationsofelectrolesscopper-platingtechniquearedescribed.Itsmainproblemsfacedandfutureresearchdirectionsarepresented.Keywords: electrolesscopper-plating;surfacemetallization;mechanism;application

中图分类号:TQ153 文献标识码:A 文章编号:1000-4742(2011)04-0001-04

0 前言

化学镀铜是利用合适的还原剂使镀液中的金属

铜离子在具有催化活性的基体表面还原沉积出金属铜,形成铜镀层的一种工艺。1947年首次报道了有关化学镀铜技术,到上世纪50年代中期,随着印制线路板(PCB)通孔金属化的发展,化学镀铜得到了最早的应用。由于化学镀铜技术不受基体大小、形状和导电与否的影响,可通过镀液中的还原剂将铜离子直接均匀地沉积到基体表面,是实现材料表面金属化的一种非常有效的方法,从而衍生出装饰性表面保护,电路互连,电子元器件封装,电磁屏蔽等一系列应用,日益成为化学家和材料学家研究的热点。

[1]

个半电池反应描述。

阳极反应:R O+2e(1)阴极反应:[Cu L]2++2e Cu+L(2)式中:R为还原剂,O为氧化产物,[Cu L]2+为铜配位离子,L为配位剂。

用于化学镀铜的还原剂有甲醛、次磷酸钠、硼氢化钾和乙醛酸等。早期普遍使用的是甲醛,近年来,由于各国加强了对甲醛的使用限制,促进了以非甲醛为还原剂的化学镀铜的研究与应用。1.1 甲醛还原化学镀铜

以甲醛为还原剂的化学镀铜工艺的优点是原料易得,较便宜,工作温度较低。其缺点是镀液不稳定,甲醛在碱性溶液中会发生自身氧化还原反应而损耗,同时产生有害的甲醛蒸气,污染环境;其在碱性溶液中主要是以亚甲基二醇CH2(OH)2及其阴离子CH2OHO-的形式存在。化学镀铜过程是甲醛将处于同一溶液中的Cu2+还原析出金属的过程,从反应结果来看,总反应式为:

Cu2++2HCHO+4OH- Cu+2HCOO-+H2+2H2O(3)1.2 次磷酸钠还原化学镀铜

与用甲醛作还原剂的化学镀铜法相比,用次磷酸盐做还原剂配制的化学镀铜液没有毒雾溢出,没有副反应,溶液有很长的使用寿命,镀层显微组织呈针状结晶,镀层性能好,与基体结合力强。镀液中的

1 化学镀铜机理

迄今为止,人们已经对化学镀铜机理进行了全面的研究,并通过大量的实验得出了化学镀铜反应规律和经验速率公式。早期根据化学镀铜过程中都有氢气析出,提出了原子氢理论、氢化物理论、金属氢氧化物机理和纯电化学机理4种不同的机理,但是至今还没有得到统一的认识。将早期的电化学理论与混合电位理论结合起来,就形成现在较普遍接受的电化学混合电位理论。根据电化学混合电位理论,研究者普遍认为化学镀铜过程中,在基体的同一表面同时伴随着阴极和阳极反应的发生,并可用2

主要氧化还原反应是铜离子还原成铜和次磷酸根离子氧化成亚磷酸根离子。因为金属的催化活性顺序为:Au>Ni>Pd>Co>Pt>Cu,为了使化学镀铜持续进行,镀液中需保持适当数量的镍离子。总反应式为:

2H2PO+CuH2

1.3 硼氢化钾还原化学镀铜

选用硼氢化钾作化学镀铜还原剂的优点是能在较低pH值(一般为8左右)下发生反应,并且不会产生对环境有害的气体。但其缺点是价格昂贵,铜沉积层中含有硼及作为二次活化剂的钴或镍等,它们将提高微电子线路的电阻,影响铜镀层的性能。总反应式为:

Cu7H2

1.4 乙醛酸还原化学镀铜

乙醛酸作为碱性化学镀铜的还原剂,其在碱性溶液中以乙醛酸根阴离子形式存在,同时,其还原能力及反应原理都与甲醛相似,但无毒性气体产生,安全、无环境污染问题。该方法镀速高、镀液稳定且所得铜镀层的纯度高。用乙醛酸来替代甲醛作为化学镀铜的还原剂,将有很大的发展前景。总反应式为:

Cu

2+2+

-2

2+

对次磷酸钠阳极氧化和铜离子阴极还原的影响,结果表明各反应参数强烈地影响阴极与阳极过程。徐

桂英,LiJ等[5-6]通过研究非金属化学镀铜各因素对沉积速率和镀液稳定性的影响,确定了以次磷酸盐代替甲醛作为还原剂的化学镀铜新工艺具有镀速快、无毒、铜层致密光亮、镀液更稳定等特点,完全优于以甲醛为还原剂的化学镀铜技术。2.2 化学镀铜在电磁屏蔽中的应用

电子设备的电磁辐射会影响周围其它电子设备的正常工作,乃至危害人体健康,开发性能优良的电磁屏蔽材料成为学者研究的热点问题。根据电磁场理论,性能良好的电磁屏蔽材料应具有较高的电导率及磁导率。根据导电性、 …… 此处隐藏：5876字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……