材料表面化學鍍銅及其應用

張萬利, 宣天鵬, 汪 亮, 周 赟

（合肥工業大學材料科學與工程學院,安徽合肥 230009）

材料表面化學鍍銅及其應用

張萬利, 宣天鵬, 汪 亮, 周 赟

（合肥工業大學材料科學與工程學院,安徽合肥 230009）

化學鍍銅作為優良的表面處理技術,在電子、機械、航空航天等工業中得到廣泛應用。有關化學鍍銅的機理及化學鍍銅新工藝的研究是電子產品表面金屬化研究的熱點。介紹了化學鍍銅的原理及其應用,指出了其所面臨的主要問題和未來的主要研究方向。

化學鍍銅;表面金屬化;機理;應用

0 前言

化學鍍銅是利用合適的還原劑使鍍液中的金屬銅離子在具有催化活性的基體表面還原沉積出金屬銅,形成銅鍍層的一種工藝。1947年首次報道了有關化學鍍銅技術,到上世紀50年代中期,隨著印制線路板（PCB）通孔金屬化的發展,化學鍍銅得到了最早的應用。由于化學鍍銅技術不受基體大小、形狀和導電與否的影響,可通過鍍液中的還原劑將銅離子直接均勻地沉積到基體表面,是實現材料表面金屬化的一種非常有效的方法,從而衍生出裝飾性表面保護,電路互連,電子元器件封裝,電磁屏蔽等一系列應用,日益成為化學家和材料學家研究的熱點[1]。

1 化學鍍銅機理

迄今為止,人們已經對化學鍍銅機理進行了全面的研究,并通過大量的實驗得出了化學鍍銅反應規律和經驗速率公式。早期根據化學鍍銅過程中都有氫氣析出,提出了原子氫理論、氫化物理論、金屬氫氧化物機理和純電化學機理4種不同的機理,但是至今還沒有得到統一的認識。將早期的電化學理論與混合電位理論結合起來,就形成現在較普遍接受的電化學混合電位理論。根據電化學混合電位理論,研究者普遍認為化學鍍銅過程中,在基體的同一表面同時伴隨著陰極和陽極反應的發生,并可用2個半電池反應描述。

式中:R為還原劑,O為氧化產物,[Cu·L]2+為銅配位離子,L為配位劑。

用于化學鍍銅的還原劑有甲醛、次磷酸鈉、硼氫化鉀和乙醛酸等。早期普遍使用的是甲醛,近年來,由于各國加強了對甲醛的使用限制,促進了以非甲醛為還原劑的化學鍍銅的研究與應用。

1.1 甲醛還原化學鍍銅

以甲醛為還原劑的化學鍍銅工藝的優點是原料易得,較便宜,工作溫度較低。其缺點是鍍液不穩定,甲醛在堿性溶液中會發生自身氧化還原反應而損耗,同時產生有害的甲醛蒸氣,污染環境;其在堿性溶液中主要是以亞甲基二醇CH2（OH）2及其陰離子CH2OHO-的形式存在。化學鍍銅過程是甲醛將處于同一溶液中的Cu2+還原析出金屬的過程,從反應結果來看,總反應式為:

1.2 次磷酸鈉還原化學鍍銅

與用甲醛作還原劑的化學鍍銅法相比,用次磷酸鹽做還原劑配制的化學鍍銅液沒有毒霧溢出,沒有副反應,溶液有很長的使用壽命,鍍層顯微組織呈針狀結晶,鍍層性能好,與基體結合力強。鍍液中的主要氧化還原反應是銅離子還原成銅和次磷酸根離子氧化成亞磷酸根離子。因為金屬的催化活性順序為:Au＞Ni＞Pd＞Co＞Pt＞Cu,為了使化學鍍銅持續進行,鍍液中需保持適當數量的鎳離子。總反應式為:

1.3 硼氫化鉀還原化學鍍銅

選用硼氫化鉀作化學鍍銅還原劑的優點是能在較低p H值（一般為8左右）下發生反應,并且不會產生對環境有害的氣體。但其缺點是價格昂貴,銅沉積層中含有硼及作為二次活化劑的鈷或鎳等,它們將提高微電子線路的電阻,影響銅鍍層的性能。總反應式為:

1.4 乙醛酸還原化學鍍銅

乙醛酸作為堿性化學鍍銅的還原劑,其在堿性溶液中以乙醛酸根陰離子形式存在,同時,其還原能力及反應原理都與甲醛相似,但無毒性氣體產生,安全、無環境污染問題。該方法鍍速高、鍍液穩定且所得銅鍍層的純度高。用乙醛酸來替代甲醛作為化學鍍銅的還原劑,將有很大的發展前景。總反應式為:

2 化學鍍銅的應用

2.1 化學鍍銅在印制線路板中的應用

化學鍍銅在工業上最重要的應用是印制線路板（PCB）的通孔金屬化過程,在各層印制導線的絕緣孔壁內沉積上一層銅,從而使兩面的電路導通,成為一個整體。現階段,印制線路板通孔的化學鍍銅研究主要集中在開發新的環保型還原劑以代替早期有毒的甲醛還原劑,避免甲醛歧化副反應造成的甲醛浪費、鍍液分解失效等問題[2]。目前市場廣泛使用酒石酸-EDTA化學鍍銅體系。以次磷酸鹽作還原劑的化學鍍銅新工藝只適用于鍍薄銅層。這種化學鍍銅液不添加促進劑,在鍍銅液中浸3 min即可獲得0.1μm厚的鍍銅層;然后再在CuSO4·5H2O電鍍液中以1 A/dm2的微電流密度電鍍銅,就可獲得厚度在0.5μm以上的鍍銅層[3]。楊防祖等[4]研究了以次磷酸鈉為還原劑,檸檬酸鈉為配位劑的化學鍍銅體系,研究了溫度、p H值、鎳離子的質量濃度對次磷酸鈉陽極氧化和銅離子陰極還原的影響,結果表明各反應參數強烈地影響陰極與陽極過程。徐桂英,Li J等[5-6]通過研究非金屬化學鍍銅各因素對沉積速率和鍍液穩定性的影響,確定了以次磷酸鹽代替甲醛作為還原劑的化學鍍銅新工藝具有鍍速快、無毒、銅層致密光亮、鍍液更穩定等特點,完全優于以甲醛為還原劑的化學鍍銅技術。

2.2 化學鍍銅在電磁屏蔽中的應用

電子設備的電磁輻射會影響周圍其它電子設備的正常工作,乃至危害人體健康,開發性能優良的電磁屏蔽材料成為學者研究的熱點問題。根據電磁場理論,性能良好的電磁屏蔽材料應具有較高的電導率及磁導率。根據導電性、電磁屏蔽性、鍍層韌性和經濟性等綜合考慮,選用銅作為電磁屏蔽材料較為合適。自1966年Lordi首次建議采用化學鍍銅屏蔽電磁干擾以來,化學鍍銅技術廣泛應用于電磁屏蔽織物、碳纖維、電磁屏蔽粉末填充料以及電磁屏蔽塑料的制備中。目前,研究重點主要集中于制備與基體的結合力好、電磁屏蔽效能高的銅系復合材料。由于碳纖維導電性能好,價格較金屬纖維低,是很有前景的電磁屏蔽材料。在碳纖維表面包覆金屬層,可以顯著提高其導電性或導磁性[7]。季濤,侯偉等[8-9]通過研究影響碳纖維鍍銅工藝的各個因素,同時將化學鍍銅與電鍍銅相比較,分析得出鍍層效果與施鍍時間、碳纖維直徑的變化及電阻變化率的關系,獲得的碳纖維鍍銅層均勻、致密、結合力好,導電性顯著增強。新近興起的導電填料是構成電磁屏蔽材料的主要原料。研究顯示銅系填料導電性能好,但抗氧化性差;銀系填料導電性好,性能穩定,屏蔽效果佳,但成本太高;鎳系填料價格適中,磁性能好。為了提高導電填料的性能,研究人員相繼研制出銀包銅粉、銅-鎳合金鍍層、碳黑鍍銀等一系列導電填料。徐銳等[10]應用化學鍍法制備銅-銀雙金屬粉的新工藝,克服了置換反應消耗過多的銅粉、制備的銅-銀雙金屬粉呈膠狀不易洗滌、干燥后易于結塊等不足。余鳳斌等[11]采用置換法與還原劑還原相結合的方法制備了鍍銀銅粉,改進了銀填料中銀的遷移并克服了銅易氧化的缺點。劉榮立等[12]采用化學鍍技術,實現了滌綸針織物表面鍍銀-鎳-銅,同時對鍍層形貌進行了測試分析,并測試了化學鍍織物的電磁屏蔽效能和拉伸性能,得到了與基體結合力好、電磁屏蔽效能強的銀-鎳-銅復合材料。

2.3 化學鍍銅在材料電子封裝技術中的應用

鋁作為復雜電路和焊墊金屬化的首選材料一直持續了30多年,但是,隨著微電子制造向精細化方向發展,鋁的電阻較大和散熱差的弊端就顯現出來,而銅恰好具有這方面的優勢。化學鍍銅廣泛應用于電子封裝技術中,其中最突出的就是陶瓷電路襯底的金屬化[13]。陶瓷表面金屬化不僅解決了陶瓷微粒與金屬基體的浸潤問題,而且通過焊接可使陶瓷與電子元件相連接。寧洪龍等[14]研究了在氧化鋁和氮化鋁的基板上進行化學鍍銅,對表面進行粗化和改性,經過優化工藝條件后,氧化鋁與鍍層的結合強度可以達到27 MPa,氮化鋁與鍍層的結合強度可以達到22 MPa,有效提高了封裝基板銅導體層與陶瓷基板的結合強度。閆軍等[15]實現了在CuO團聚粉體上直接化學鍍銅,具有鍍液穩定性好、鍍覆能力強、團聚粉體無明顯破壞等優點,為提高復合材料的性能奠定基礎。丁莉莉等[16]研究了硅粉化學鍍銅過程,探討了甲醛的質量濃度、p H值及溫度對化學鍍銅反應時間、復合粉體顏色和鍍層的微觀形貌及結構的影響,在最佳工藝條件下得到鍍覆均勻、晶形良好、沒有Cu2O存在的復合粉體。羅學濤[17]通過實驗獲得了具有優良力學性能的纖維/銅基復合材料,驗證了應用電化學沉積技術制備纖維/銅基復合材料的可行性。Abdel Aal A等[18]研究了在鐵上化學鍍鎳-銅-磷合金工藝,通過掃描電鏡和能譜儀分析該材料的微觀結構,表明該復合材料具有孔隙率高、密度低、能量吸收能力強等特點。吳泓等[19]采用化學鍍銅的方法制備了具有優良綜合性能的封裝材料W/15Cu合金,分析測試結果表明鎢粉化學鍍銅對于提高鎢生坯成形性能、改善鎢-銅復合材料的顯微組織結構及提高材料物理性能方面都有很大作用。

2.4 化學鍍銅在解決振動和噪聲問題中的應用

高阻尼材料在航空、航天和航海領域中有著不可替代的作用,另外還能用于汽車、建筑、家電等行業,對降低環境噪聲,改善人們的生活環境有著重要的作用。利用化學鍍銅法制備的納米微粒作為新型的金屬基復合阻尼材料,具有微粒分散均勻、表面金屬的質量分數可控等特點,可有效克服材料強度與阻尼性能相互矛盾的問題,同時解決了納米微粒與金屬基材相容性差的難題。段志偉等[20]以雙配位劑工藝制備了銅包覆納米Al2O3復合粉體,在最佳工藝配方下可在15 min內成功實現納米Al2O3粉體的化學鍍銅,且鍍后鍍液為無色,可提高鍍液中Cu2+的利用率,降低污染。崔升等[21]將納米SiC粉末經粗化、敏化、活化、烘干處理后,在其表面化學鍍銅,通過XRD、掃描電鏡、透射電鏡和 EDS等測試,表明通過化學鍍銅法實現了在納米SiC表面均勻包覆一層納米量級的金屬銅層,形成了SiC-Cu復合微粒,金屬銅粒徑大約為5 nm,具有較高的阻尼性能。高嵩等[22]針對碳纖維具有疏水性,難以在其表面直接鍍銅的特點,通過對碳纖維進行表面改性處理,應用化學鍍銅法實現了碳纖維表面金屬化,所得鍍層光亮、均勻、致密,具有較好的結合力。

2.5 化學鍍銅在材料表面裝飾中的應用

在裝飾行業中,應用化學鍍銅技術在材料表面鍍一層均勻、致密、光亮的銅層,可使其具有較好的金屬光澤,大大豐富其表面裝飾效果,目前已投入到玻璃行業、塑料行業、紡織行業的生產中。在玻璃生產工藝中添加有色元素用以生產彩色玻璃、在表面噴涂有色物質及制備有機膜等,可大大豐富其表面裝飾效果,但這些解決不了玻璃表面的導電性能、金屬光澤以及鏡面效果。采用離子鍍法、陰極濺射法等生產鍍膜玻璃,又會造成投資大,工藝繁瑣,生產成本高等缺點。為了克服上述缺點,采用化學鍍銅法在玻璃表面鍍一層銅層,可使其表面具有良好的導電性,并使其具有較好的金屬光澤和鏡面效果[23]。工程塑料替代金屬具有重量輕、成本低的優點,以化學鍍銅打底,然后電鍍增重,使塑料件具有金屬一般的閃亮外觀,在門手柄、家用電器旋鈕、日用小五金等輕工業產品上的應用已獲得很大成功。隨著化學鍍銅層環境可靠性能的提高,塑料裝飾鍍被大量應用于性能要求較高的領域,如汽車行業和軍工行業等[24]。

3 化學鍍銅研究展望

目前,為適應日益嚴格的環保要求,加強化學鍍銅的理論研究、開發環保型化學鍍銅新工藝用以降低成本、延長鍍液使用壽命及減少污染仍是科研工作者面臨的一項長期任務。隨著現代工業的飛速發展,尤其是高新技術的發展,為化學鍍銅的應用范圍提供了更廣闊的發展空間,碳纖維化學鍍銅、化學鍍銅基多元合金、納米微粒化學鍍銅等技術將得到高速發展。特別在微電子領域,為滿足電子線路高密度互連的需求,提高化學鍍銅層的均鍍與深鍍能力仍將是化學鍍領域研究的熱點。

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Electroless Copper Plating on Material Surface and Its Applications

ZHANG Wan-li, XUAN Tian-peng, WANGLiang, ZHOU Yun

（College of Material Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China）

As a fine surface treatment technology,electroless copper-plating has been widely used in electronics,mechanical,aerospace industries,etc.The research on the mechanism and new processes of electroless copper-plating is a hot subject in surface metallization of electronic products.The mechanism and the applications of electroless copper-plating technique are described.Its main problems faced and future research directions are presented.

electroless copper-plating;surface metallization;mechanism;application

TQ 153

A

1000-4742（2011）04-0001-04

2010-09-21

·電 鍍·