銅基低溫化學鍍鎳工藝因素對結合力的影響研究

侯俊英，高洪江，劉肖林，白楊

（青島科技大學，山東青島 266061）

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銅基低溫化學鍍鎳工藝因素對結合力的影響研究

侯俊英，高洪江，劉肖林，白楊

（青島科技大學，山東青島 266061）

摘要：在外加磁場的條件下對影響銅基體化學鍍鎳工藝的因素進行實驗分析，結果表明，隨著主鹽濃度比的變化、施鍍溫度的改變以及外加磁場的不同，化學鍍鎳鍍層的形貌、鍍層與基體的結合力有所改變。其中化學鍍液中主鹽的濃度比對鍍層與基體的結合強度影響最小，但對鍍層中鎳磷的含量影響較大。溫度對鍍層的形貌及鍍層與基體的結合強度有明顯影響，在40 ℃時結合力最好，溫度越高結合力下降。隨著外加磁場強度的增加鍍層與基體的結合強度也隨之增大。

關鍵詞：外加磁場；結合強度；表面形貌；銅基材料

稿件編號:1509- 1075

0 引言

化學鍍技術以其良好的均鍍性、較低的孔隙率、簡單的操作方法等技術優勢以及其鍍層所具有的良好的耐磨、耐蝕、硬度高、易焊接、化學穩定性好等性能特點，越來越受到人們的關注。化學鍍鎳技術是一種極有發展前途的表面強化技術。從20世紀50年代后期用于工業生產以來，現已經廣泛應用于航空、航天、汽車、電子等各項工業生產中[1,2]。

在銅基體上進行化學鍍鎳磷是應印刷電路板耐蝕性要求而生的新的工藝技術，由于鎳磷鍍層優良的耐蝕性，化學鍍鎳層已經被廣泛的應用于印刷電路的保護中[3]。然而對于次磷酸根離子的氧化來說銅是一種惰性金屬，在銅基體的表面很難自發的進行化學鍍鎳過程。因此對銅基體表面進行活化以產生易于次磷酸鹽氧化的活化點是必須的[4,5]。銅基化學鍍鎳的活化方法主要有兩種：鈀離子活化法和原電池法[6]。

本文用引鍍的方法通過改變基體的電負性從而誘發鎳磷離子的沉積，同時施加外部磁場進行化學鍍鎳實驗，通過正交實驗來分析研究配方中主鹽配比、外加磁場強度以及施鍍溫度，對低溫條件下銅基化學鍍層的形貌性能、鍍層與基體的結合力等的影響。

1 實驗

1.1 銅基體的前處理

實驗所用試樣為2 mm×20 mm×20 mm的黃銅板，經過金相砂紙逐次打磨，在施鍍之前要對銅基體進行一定的前處理以得到優質的鍍層。

本文的前處理工藝流程為：丙酮超聲清洗 →溫水洗（50～70 ℃）→堿性除油 →溫水洗→酸洗→ 溫水洗→活化液活化→引鍍（60 s）→化學鍍鎳。

所用的水均為蒸餾水，堿液為氫氧化鈉溶液，酸洗的溶液為硫酸與硫脲的混合液，活化液為鹽酸溶液。

1.2 引鍍

在銅、黃銅材料表面上進行化學鍍鎳，必須先對基體進行誘發。本文采用了鐵釘引鍍的方法在銅基體上進行化學鍍的誘發方法，操作方法簡單有效且成本低，得到外觀光亮完整、結合力強、硬度高的鍍層。

1.3 銅基體化學鍍鎳

本實驗采用鍍液配方中硫酸鎳與次亞磷酸鈉含量比作為正交實驗的影響因素之一，根據硫酸鎳與次亞磷酸鈉含量比的不同設置了三個水平的鍍液1∶2，1∶1，2∶1，最終確定化學鍍液配方，具體如表1所示。

表1 化學鍍液配方

運用正交實驗的處理方法，本文設計的實驗方案為三個因素各取三個水平，需要根據不同的組合進行9組試驗，故可采用如表2所示的L9(33)正交表,施鍍時間均為2 h。

表2 實驗因素水平表

2 結果與討論

按照正交實驗表中的條件分別進行了實驗，得到鍍有較好鎳磷鍍層的試樣。對每個試樣用自動劃痕儀進行了結合力的測定，所得的結合力劃痕曲線如圖1所示。

圖1 銅基試樣劃痕曲線

根據自動劃痕儀所得到的曲線從斜率變化情況可以得到實驗結果如表3所示。

表3 實驗方案及結果

2.1 試驗因素優水平和最優水平組合的確定

分析A因素各水平對試驗指標的影響，可以看出，A1的影響反映在第1、2、3號試驗中，A2的影響反映在第4、5、6號試驗中，A3的影響反映在第7、8、9號試驗中。

A因素的1水平所對應的試驗指標之和為：

A因素的2水平所對應的試驗指標之和為：

A因素的3水平所對應的試驗指標之和為：

從上面的計算結果可以發現，kA1、kA2、kA3的結果并不相等。這充分說明，該試驗結果受到A因素水平變動的影響。因此，根據kA1、kA2、kA3的大小可以判斷A1、A2、A3三個水平對試驗指標的影響大小。由于試驗指標為結合力，而kA2>kA3>kA1，所以可斷定A2為A因素的優水平。同理，可以根據表中數據計算并確定，B因素中的優水平為B3，C因素的優水平為C1。三個因素的優水平組合A2B3C1為本試驗的最優水平組合，即靜磁場對銅基材料化學鍍鍍層與基體結合力的影響的最優工藝條件為：配方b(硫酸鎳25 g/L、次亞磷酸鈉25 g/L、檸檬酸鈉10 g/L、氯化銨30 g/L)，磁場強度為25 mT，溫度為40℃。實驗各因素所對應極差分析如表4所示。

表 4 試驗方案及結果分析表L9（33）

2.2 確定因素的主次順序

極差Rj計算結果如表4所示。

比較各R值大小，可見RC>RB>RA,所以因素對試驗指標影響的主次順序是CBA，即溫度影響對鍍層與基體的結合力影響最大，其次是外加磁場的磁場強度，而鍍液中主鹽的含量比對鍍層與基體的結合力影響較小。

由于三個因素之間的極差相差不大，并且各數值相對較小，因此，各因素對化學鍍均有一定影響且影響結果相差不大。

2.3 不同磁場條件下基體與鍍層的組織形貌和成分分析

在掃描電子顯微鏡下對正交試驗組合2、5、8實驗方案所得試樣進行觀察,并對鍍層進行能譜分析,從而對鍍層中的成分進行分析,進而分析外加磁場以及鍍液中主鹽比例對鍍層的形貌以及鍍層成分的影響。

通過分析，得到三種不同配方試樣的表面SEM照片如圖2所示。

圖2 三種配方的鍍層表面形貌和能譜分析

圖中2.1為正交試樣2（鎳鹽磷鹽比 1∶2）的SEM照片，試樣表面光亮整潔，經能譜分析鍍層中磷的含量為8.28%(質量)，屬于高磷鍍層，鼓泡狀形貌明顯，胞狀大小相對均勻。

圖中2.2為正交試樣5（鎳鹽磷鹽比1∶1）的鍍層形貌?？梢钥闯觯鄬υ嚇?試樣5的鍍層鼓泡狀更為明顯且胞狀更大。由能譜分析可以得出鍍層中磷的含量為5.03%（質量），屬于中磷鍍層。

圖中2.3為正交組合8（鎳鹽磷鹽比2∶1）試樣的表面形貌。由圖可以看出，試樣8的表面更為平整，鼓泡狀不太明顯且胞狀較小。由能譜分析得出鍍層中磷的含量為3.65%（質量），屬于低磷鍍層[2-7]。

3 結論

在低溫條件下進行化學鍍鎳磷實驗，通過改變外加磁場強度、改變鍍液中主鹽的含量比、改變實驗的溫度進行九組實驗。得出三種因素對鍍層與基體結合力的影響大小關系，其中溫度對鍍層與基體結合力的影響最大，隨著溫度的升高結合力越小，在40 ℃時所得到的鍍層與基體的結合力最大。磁場強度對其影響次之，磁場強度提高結合強度也會提高，在25 mT的磁場強度條件下鍍層與基體的結合力最大為38.34 N。配方中主鹽比例的影響最小，在一定的范圍內結合力基本不變。另外在相同外加磁場的條件下，通過掃描電鏡和能譜分析可以看出鍍層的表面形貌受鍍液中主鹽的含量比的影響。隨著磷鹽比例的增大（P鹽與Ni鹽比從0.5到2）鍍層中磷的含量也增大（P含量從3.65%升到8.28%（質量））。

從而，得到最佳鍍層與基體結合力的實驗條件為：硫酸鎳25 g/L、次亞磷酸鈉25 g/L、檸檬酸鈉10 g/L、氯化銨30 g/L，溫度為40 ℃，磁場強度為25 mT，PH8.0±0.5。

參考文獻

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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

中圖分類號：TG174.41；

文獻標識碼：A；

文章編號:1006-9658（2016）02-0009-04

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.02.003

收稿日期:2015- 09- 23

作者簡介：侯俊英（1967—），女，副教授，主要從事材料成型與控制工程專業的教學與科研工作.