脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉對電沉積銅薄膜性能的影響

譚小生，王春霞，曹鑫帥，張玉清

（南昌航空大學 材料科學與工程學院，南昌 330063）

在鍍銅生產中，為避免氰化物鍍銅帶來的環境和生產安全等問題，人們逐漸采用無氰鍍銅工藝來替代氰化物鍍銅。但無氰鍍銅工藝存在鍍層結合力不好、易產生銅粉、電流效率低、電流密度范圍窄、工藝穩定性不足、陽極易鈍化等困難。針對這些問題，人們普遍從鍍液中絡合劑的作用機理和相應電鍍工藝等角度進行研發。現有無氰鍍銅中，絡合劑的研究主要包括焦磷酸鹽、有機胺、酒石酸鹽、檸檬酸鹽、EDTA、HEDP 等。相對而言，乙二胺鍍銅在工業上有一定的應用廣泛[1]。乙二胺具有2 個氨基，可以與二價銅形成穩定螯合物。當pH>7 時，Cu2+與鋼鐵基體不發生置換反應。此外，乙二胺還具有還原性，有利于活化基體，提高鍍層結合力。但在生產應用中，乙二胺鍍銅工藝還存在電鍍時間過長時鍍層表面粗糙，甚至出現毛刺等問題。針對乙二胺鍍銅工藝中存在的問題，有必要通過優化乙二胺鍍銅體系中的表面活性劑，達到改善鍍層性能的目的。

表面活性劑對鍍層性能的改善具有顯著影響，但在鍍液體系中僅添加一種表面活性劑，較難達到實際應用條件對鍍層性能的需求，越來越多的學者開始研究2 種及以上表面活性劑的協同作用[2]。唐孝華等[3]研究了幾種不同類型表面活性劑對鎳基納米復合鍍層性能的影響，認為吸附在納米顆粒表面的陰離子表面活性劑，可提高納米顆粒的潤濕性，減少團聚，提高鍍層沉積初期的形核率，從而改善鍍層的致密性[4]。L. Bonoua 等人[5]采用電化學測量和橢圓偏振法研究了PEG 和Cl–對銅鍍層的影響。當PEG 加入到鍍液中時，溶液中銅沉積機理的改變可以用聚合物與電極相互作用來解釋。研究發現，在2 種添加劑同時存在的條件下，能獲得光亮、致密、均勻的鍍層，沉積物的紋理被改變，粗糙度顯著降低到0.5 μm。

脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES）是由PEG 與脂肪醇縮合而成的醚，兼具硫酸鹽表面活性劑高表面活性和聚氧乙烯型表面活性劑高耐鹽的特點[6]。作為一種陰離子型表面活性劑，AES 具有良好的去污、發泡和抗硬水性能，以及動態吸附和去油污性能，并且對人體無害，對環境友好[7-8]。當前有關AES 的研究主要為AES 的合成分析、性能分析、吸附行為研究以及在洗滌等方面的應用研究[9-12]，未見在電鍍生產領域的應用研究報道。

本文針對乙二胺鍍銅長時間電鍍后鍍層粗糙，甚至出現毛刺的問題，將AES 引入到乙二胺無氰鍍銅工藝中，研究AES 在電極表面的吸附狀態，對離子沉積形核、生長及鍍層表面粗糙度、微觀結構、防滲氫及耐腐蝕性能的影響。利用XRD、SEM 分析了沉積不同時間的鍍層的表面特征，對AES 表面活性劑改善鍍層綜合性能的效果進行了對比。研究結果對改進鍍液體系、提高鍍層性能具有重大意義。

1 實驗

1.1 鍍層制備

以尺寸為5 cm×5 cm 的工業低碳鋼片為陰極，8 cm×5 cm 的電解銅板為陽極。采用基礎配方（硫酸銅90 g/L，乙二胺100 mL/L，氨三乙酸7 g/L，硫酸鈉11.5 g/L），通過硫酸或氨水調節pH 至7～8，添加AES 的體積濃度為5.2 mL/L。

前處理工藝：陰極試片經400#、800#、1000#砂紙打磨后，用流動水洗，再依次進行除油（20 g/L Na3PO4·12H2O、5 g/L NaOH、10 g/L Na2CO3，50 ℃，10 min）、熱水洗、酸洗（20% HCl，室溫）、去離子水洗、活化（10% HCl，室溫）、去離子水洗。

在電流密度為2.0 A/dm2、室溫（20 ℃）條件下沉積不同時間，得到目標鍍層，然后進行表征分析。

1.2 性能測試

采用Nova Nano SEM-450 觀察鍍層形貌。用SDR-990 表面粗糙度儀測試膜層粗糙度。用D8ADVANCED8X 型X 射線衍射儀對晶體結構進行表征，利用jade-5 分析軟件對XRD 測試結果進行擬合計算，晶面擇優取向由式(1)計算。

利用RST-5200 型電化學工作站測試極化曲線。試驗采用三電極體系，工作電極為打磨拋光并用丙酮、酒精擦洗后的低碳鋼試片（S=1 cm2），參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極（S=1 cm2）。陰極極化曲線測試的掃描速率為0.5 mV/s，循環伏安曲線測試的掃描速率為20 mV/s；微分電容測試交流頻率為500 Hz，振幅為50 mV；交流阻抗測試在3.5%NaCl 溶液中浸泡3 min 后進行，擾動電位為5 mV，頻率范圍為0.01～100 000 Hz。

電化學滲氫測試裝置采用雙電解槽裝置，如圖1所示。電沉積室（左）使用RXN-1510D 直流穩壓電源（PWR），加入乙二胺鍍銅液；氧化室（右）為滲氫電流測量電解池，使用CST-120 多功能腐蝕測量儀（MCMI），加入0.1 mol/L NaOH。選用三電極體系，輔助電極是鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極（SEC），氧化室與電沉積室共用厚0.45 mm、單面鍍鎳（采用瓦特鎳鍍液，d=2～3 μm）的M300 高強度鋼作為工作電極。將M300 高強度鋼鍍鎳面朝氧化室，置于氧化室與電沉積室連通口之間，用橡膠墊和專用夾子夾緊，使溶液不滲漏。先由氧化室對M300 鋼片進行恒電位極化“抽氫”，去除試片內部的氫，設定極化電壓150 mV。當極化電流下降至0.5 μA/cm2左右后，電沉積室開始通電進行電沉積，電沉積電流密度為2.5 A/dm2，時間為18 000 s。

圖1 滲氫裝置Fig.1 Schematic diagram of hydrogen permeation device

2 結果和討論

2.1 吸附行為分析

利用RST 電化學工作站測試了加入AES 表面活性劑前后電極表面雙電層的微分電容曲線，分析AES對雙電層結構的影響，測試結果如圖2 所示。

圖2 微分電容曲線Fig.2 Differential capacitance curves

由圖2 可見，兩種情況下，零電荷電位φ0約為–0.7 V。隨著電位遠離φ0，電極表面微分電容增大。在比零電荷電位更負的電位區間內，微分電容增大更為明顯。電極電位為0.1～0.2 V 時，微分電容出現平臺，表明此時雙電層為緊密層結構。在測試電位范圍內，與不含AES 的微分電容曲線相比，加入AES 后，微分電容值增大。通常，電解液介電常數增加和雙電層厚度下降，有利于增大界面微分電容。

2.2 極化曲線分析

碳鋼電極在兩種鍍液中的陰極極化曲線如圖3所示。從平衡電位開始向負方向進行線性掃描，隨著電位負移，在–0.75 V 左右出現一個小電流峰，這是由Cu2+沉積放電形成的。隨著AES 的加入，峰電位負移了約0.1 V，說明表面活性劑在電極表面阻化離子放電過程，增強了陰極極化，有利于得到結晶細致、光滑的鍍層。

為研究加入AES 后鍍液電化學反應的變化，進行了循環伏安測試。含和不含AES 鍍液的循環伏安曲線如圖4 所示。在電位負向掃描時，不含AES 的極化曲線的銅離子沉積峰（Cu2+→Cu）C1出現在–1.1 V 左右，加入AES 后，負移至–1.3 V。沉積電位負移，說明AES 可增強極化，細化晶粒，有利于得到致密性好的鍍層。同時，發現形核環[13]也出現負移（見圖4 插圖），即成核電位負移，說明AES 能夠影響金屬離子的成核生長過程。在回掃過程中，不含AES 的曲線中出現了3 個氧化峰A1、A2、A3，其中除Cu→Cu+、Cu+→Cu2+之外，還包含一個未知氧化物的生成反應。有研究認為，類似這樣的陽極電流分裂取決于電極表面的狀態，電極表面的復雜性與其微觀結構、表面氧化物的存在以及未知的表面雜質水平有關[14]。含AES 鍍液的循環伏安曲線與A2對應處變為平臺，說明AES 對改善電極表面微觀結構有明顯的作用。此外，A3峰值也明顯下降，結合微分電容測試結果分析認為，AES 對銅的溶出過程也有影響。

圖4 循環伏安曲線Fig.4 Cyclic voltammetry curves

2.3 電化學形核分析

分別對加入AES 前后的鍍液進行單電位階躍計時安培測試，得到J-t曲線，如圖5 所示。圖5 表明，J-t曲線主要為4 個階段，首先電位階躍出現瞬間電流值迅速增大，然后迅速減小，隨后逐漸上升，出現一個電流峰，最后緩慢下降，其中的電流峰值隨階躍電位增大而增大。前2 個階段由雙電層充電形成，隨后Cu2+沉積放電，出現電流峰。隨著反應進行，界面離子濃度下降，電流減小，最后趨于平衡。電流值與時間的平方根成良好的線性關系（如圖6 所示），表明Cu2+在電極表面的電沉積過程符合經典的三維成核模式[15]。另外，加入AES 后，相同階躍電位下的Jm、tm均有所下降，表明Cu2+沉積形核過程受到更大阻力[16]。這與圖4 中碳鋼在含AES 的鍍液中陰極過程極化增強的結果一致。

圖5 不同階躍電位下的J-t 曲線Fig.5 J-t curves under different step potentials: a) without AES; b) with AES

圖6 不同階躍電位下的J-t–0.5 無量綱關系曲線Fig.6 J-t–0.5 dimensionless relationship curves under different step potentials: a) without AES; b) with AES

Cottrell 方程為：

式中：J為電流密度；n為電極反應得失電子數(n=2）；C0為溶液本體濃度；F為法拉第常數；D為擴散系數。通過圖5 及Cottrell 方程，計算得到每個階躍電位下的反應的擴散系數，如圖7 所示。結果表明，加入AES 后，擴散系數明顯增大，平均擴散系數由4.25×10–7cm/s 增大至5.05×10–7cm/s。這表明AES 有利于液相中離子的傳輸過程，減小了濃差極化，降低了擴散層厚度，提高了電化學極化控制程度，促進了晶粒細化，改善了鍍層致密性及平整度，提高了鍍層的綜合性能。

圖7 不同階躍電位下的擴散系數Fig.7 Diffusion coefficients at different step potentials: a) without AES; b) with AES

根據Scharifker 等[17]和Zhou 等[18]的理論，成核模型的方程式可分別表示為：

瞬時成核

連續成核

式中：Im為階躍曲線中的峰值電流密度；tm為階躍曲線峰值電流密度所對應的時間。結合單電位階躍計時安培測試結果，根據式(3)、(4)進行擬合，擬合結果如圖8 所示。可見，在實驗條件下，短時間內，實驗數據擬合結果與瞬時成核理論模型非常接近，表明碳鋼電極在不含AES 和加入AES 的鍍液中為瞬時形核機制。但是當t/tm>1 時，兩種鍍液的I/Im值高于模型預測值。Danilov 和Molodkina 根據溶液的pH 值和銅的不同濃度，用純酸CuSO4溶液在玻璃碳上電沉積銅的類似偏差也存在[14,19]。他們認為，Scharifker和Zhou 的模型最初是針對半球形幾何體派生的，實際電流比通過理論預測的要大得多，相當于半球形擴散區重疊形成的平面電極間的非穩態擴散電流。而在平面電極上沉積銅的過程中，半球形擴散區沒有完全重疊，沉積物在混合動力學“擴散+放電”的條件下生長[20]，導致實際電流密度高于理論值。

圖8 不同階躍電位下的理論和實際成核模型曲線Fig.8 Theoretical and actual nucleation model curves under different step potentials: a) without AES; b) with AES

2.4 鍍層形貌特征分析

利用SEM 分別觀察碳鋼在含和不含AES 的電解液中沉積不同時間所得鍍層的表面形貌，結果如圖9所示。在不含AES 的鍍液中，得到的鍍層表面形貌見圖9a、b、c。鍍層表面呈現較多的碎屑狀顆粒，平整度差。這使得原子氫及析出的氫更容易產生吸附，阻礙晶體的正常長大，使晶體產生畸變，形成大小、形狀各異的顆粒，進而增大鍍層的粗糙度。同時，由于氫在粗糙表面的過電位小于在光滑表面的值，更容易析氫，在未加入表面活性劑的鍍液中，鍍層變粗糙的過程容易產生惡性循環，隨著沉積時間的增加，鍍層的致密性進一步變差。

圖9 不同沉積時間鍍層微觀形貌Fig.9 Micro morphology of the coatings with different depositing periods: a) without AES 20 min; b) without AES 40 min;c) without AES 60 min; d) with AES 20 min; e) with AES 40 min; f) with AES 60 min

碳鋼含在AES 的鍍液中得到的鍍層表面形貌見圖9d、e、f。鍍層表面較為光滑平整，顆粒大小差異較小，表面沒有明顯結構缺陷。AES 為聚合型表面活性劑，分子內含有許多聚氧乙烯醚鍵（—O—），醚鍵中的氧原子容易與水分子締合，形成氫鍵。這種表面活性劑的成鍵特性有利于電鍍過程中產生的氫離開電極表面，降低對晶體生長的阻礙，減少晶體生長畸變，改善鍍層致密性。另外，表面活性劑的潤濕作用有利于鍍液在凹陷處鋪展[21]，有利于Cu2+在凹陷處沉積，使鍍層更加平整光滑。

對比鍍層截面圖（見圖9 插圖，插圖中下方區域為基體，中間區域為鍍層）發現，隨時間的增加，鍍層表面逐漸變粗糙，不含AES 的鍍液所得鍍層更加明顯，并在60 min 時出現明顯毛刺。在含AES 的鍍液中所得鍍層，截面界線相對光滑，在較長的沉積時間內，保持了良好的平整性。可以說明，AES 能夠使鍍層表面更加光滑細致，減少鍍層缺陷。

在鍍液中沉積不同時間得到鍍層，并測試其粗糙度，結果如圖10 所示。結果表明，隨著沉積時間的增加，含和不含AES 的鍍液所得鍍層的粗糙度分別從0.757 μm 增大到2.784 μm 和從0.685 μm 增大到1.814 μm。加入表面活性劑后，鍍層粗糙度一直低于無表面活性劑鍍液所得鍍層。綜上所述，AES 對鍍層粗糙度也有明顯的降低作用，并隨沉積時間的延長而更加明顯。

圖10 鍍層粗糙度變化Fig.10 Change of coating roughness

2.5 鍍層晶體結構分析

碳鋼基體試片在含和不含AES 鍍液中沉積不同時間，所得鍍層和鍍銅毛刺的X 射線衍射測試結果如圖11 所示。由圖11a 可見，鍍層與毛刺的銅晶體主要在(111)、(200)、(220)三個晶面方向上生長。此外，XRD 衍射圖上沒有其他雜質衍射峰的出現，表明其中可能不含氧化銅和氧化亞銅等雜質[22]。由圖11b 可知，毛刺中的銅(220)晶面占比為34.98%，明顯大于鍍層(220)晶面占比的28.95%和20.61%。這是由于晶體結構的周期性排列在晶體表面被切斷，而不同晶面作為表面時的斷鍵數目不同[23]，表面活性也不一樣。(220)面為高指數晶面，面間距較小，原子相對作用力更大，具有更高的活性，在一定條件下，晶體在(220)面生長得較快，最后形成凸起、毛刺，甚至銅須。鍍層的凸起與毛刺會嚴重影響鍍層的耐蝕性及致密性，因此減少(220)晶面的生長，有利于防止鍍層產生孔隙、凹洞，得到更加光滑、致密的鍍層。

圖11 XRD 測試結果Fig.11 XRD test results: a) XRD diffraction peak pattern; b) comparison of preferred orientation of crystal plane; c) internal stress; d) coating and burr grain size

圖11c 和圖11d 為晶粒尺寸與微觀應力測試結果。加入AES 后，晶粒尺寸增大，內應力減小。加入AES后(220)晶面占比下降，說明AES 能抑制(220)晶面的生長，進而減少毛刺的形成，有利于得到光滑細致的鍍層。這可能是由于AES 在更容易形成晶核的活性位點產生吸附，導致成核率降低，沉積的銅離子更多地作用于晶核長大。另外，離子的液相傳質過程加快也有利于晶體生長變大，因此晶體尺寸增加。同時，晶粒尺寸越小，析氫催化活性越高[24]，即晶粒尺寸的增大也可以在一定程度上降低析氫催化活性，對減少析氫有利。加入AES 后，晶粒變大，對減少析氫的影響、提高鍍層致密性也有一定效果。類似于錫晶須的生長被認為是為了減輕作用在錫層內的應力[25]，加入AES 后，內應力降低，可能也有利于減少毛刺。

2.6 滲氫曲線分析

以M300 高強度鋼為基體，利用雙電解槽體系對加入AES 前后的鍍層進行滲氫曲線測試，分析防滲氫效果，得到的J-t曲線如圖12 所示。圖12 表明，在電沉積前的恒電位氧化階段，不含AES 與含AES鍍液的滲氫曲線上，恒電位極化電流密度分別在2900、4350 s 時下降至0.47、0.41 μA/cm2，之后開始進行電沉積。在不含AES 鍍液的滲氫曲線中，恒電位極化電流很快上升至1.65 μA，隨后逐漸下降，在18 000 s 時下降至0.5 μA 左右；在含AES 鍍液的滲氫曲線中，恒電位極化電流也很快上升到1.17 μA，隨后緩慢下降。對比可知，加入AES 后，氫滲透通量明顯減少。這是因為，在不含AES 的鍍液中，所得的鍍層晶粒分布雜亂，存在多種凸起、孔隙等結構缺陷，對氫的滲透不能起到很好的阻擋作用，因此極化電流快速增大。加入AES 后，結構缺陷消除，沉積層更加致密，且光滑平整，對氫滲透阻擋能力變強。

圖12 滲氫曲線測試Fig.12 Hydrogen permeation curve test

2.7 電化學阻抗譜分析

利用EIS 阻抗譜表征鍍層的耐蝕性，在含和不含AES 的鍍液中沉積不同時間得到的鍍層阻抗譜如圖13 所示。Nyquist 曲線呈單一容抗弧，其形狀稍偏離標準半圓弧，這是因為鍍層表面結構并非理想平面。容抗弧的大小反映了鍍層的耐蝕性，圖13a、b 中圓弧的半徑隨沉積時間的增加而增大。圖13a 中，阻抗從520 ?/cm2增大至755 ?/cm2；圖13b 中，阻抗由649 ?/cm2增大至1231 ?/cm2。這是因為隨著鍍層厚度增加，對基體的保護增強，耐蝕性提高。對比可知，隨著表面活性劑的加入，相同沉積時間下，AES 的加入能夠明顯改善鍍層的致密性，提高其耐蝕性能。

圖13 沉積不同時間的鍍層的Nyquist 曲線Fig. 13 Nyquist curves of the coatings deposited for different periods: a) without AES; b) with AES

采用圖14 的等效電路，用Zview 軟件擬合，擬合曲線見圖13 中相應黑色實線，擬合數據見表1。其中，Rs為溶液電阻，Rt為電荷轉移電阻，CPE 為常相位角元件。相關參數之間的關系可以用式(5)表示，

表1 交流阻抗譜擬合參數結果Tab.1 Results of fitting parameters of AC impedance spectrum

圖14 等效電路擬合Fig.14 Equivalent circuit fitting diagram

式中：Y0為比例系數；Z為阻抗；n為彌散系數；ω為角頻率。

由表1 可知，隨著鍍層沉積時間的增加，鍍層厚度增加，阻抗值增大。加入表面活性劑后，在各個時間段得到的鍍層EIS 阻抗值也明顯大于加入AES 前的鍍層阻抗值。結合擬合結果中的彌散系數，n越大，越接近理想電容，即電極表面越光滑。由表1 結果可知，在含AES 鍍液中得到的鍍層的n值均高于不含AES 鍍液得到的鍍層，表明鍍層更加致密光滑，這與SEM 觀察結果一致。

3 結論

1）鍍銅液中加入AES 后，碳鋼表面電沉積銅過程極化增強，有利于促進結晶細化，提高鍍層的致密性。

2）鍍液中加入AES，沒有改變碳鋼表面銅離子的瞬時成核機制，但提高了電極表面銅離子的擴散系數，有利于銅晶粒的生長過程。

3）無氰鍍銅液中加入AES 后，銅鍍層的致密性和表面平整性得到改善，相應耐蝕性得到提高。