酸性鍍銅添加劑研究進展

高泉涌，趙國鵬，胡耀紅

（廣州市二輕工業(yè)科學技術研究所，廣東 廣州 510663）

酸性鍍銅添加劑研究進展

高泉涌*，趙國鵬，胡耀紅

（廣州市二輕工業(yè)科學技術研究所，廣東 廣州 510663）

綜述了酸性鍍銅添加劑的分類、作用機理及其應用，概括了酸性鍍銅添加劑的研究現狀，并進行了展望。

酸性鍍銅；添加劑；作用機理；分類；應用

1 前言

銅由于具有優(yōu)良的導電性、導熱性、可塑性，而被廣泛應用于電鍍工業(yè)中。酸性鍍銅由于其顯著的優(yōu)越性，正逐步取代氰化鍍銅和焦磷酸鹽鍍銅，成為最重要的銅鍍種。酸銅鍍層的好壞，關鍵在于酸銅添加劑的選擇與應用，近年來研究學者對酸銅添加劑的改進做了大量工作，同時也對添加劑機理以及添加劑在酸銅中的作用進行了深入研究[1-5]。

2 酸性鍍銅添加劑的分類

添加劑種類繁多，通常可按結構和功能分，兩者又互有交叉。

2. 1 按結構分

2. 1. 1 含巰基的雜環(huán)化合物或硫脲衍生物

通式為R─SH，式中R為含氮或硫的雜環(huán)化合物，或其磺酸鹽。酸銅鍍液中，這類添加劑的強吸附作用阻化銅的電沉積，影響銅晶體的生長，提高成核速度，使銅鍍層晶粒顯著細化。其吸附是濃差擴散控制的，所以具有正整平作用。因此它們既是光亮劑又是整平劑。

2. 1. 1. 1 2–四氫噻唑硫酮(H1)

H1在20 ～ 25 °C操作時具有較高的光亮和整平能力，但在30 °C以上操作時得不到光亮度和整平性能良好的銅鍍層。廈門大學周紹民等[6]研究表明，H1通過吸附作用阻化銅電沉積過程，影響銅晶體生長，使銅鍍層晶粒顯著細化。同時，由于強特性吸附，使其夾雜在結晶面的機會增多，鍍層應力提高。另外，由于H1的吸附作用受擴散控制，因此它具有正整平作用。

2. 1. 1. 2 乙撐硫脲(N)

N在10 ～ 40 °C溫度范圍內可鍍出全光亮、整平性能良好的銅鍍層。N的質量濃度范圍很寬，隨溫度高低而增減。當溫度為10 ～ 40 °C時，其質量濃度在0.2 ～1.0 mg/L。N質量濃度過低，光亮度和整平性能下降，低電流密度區(qū)不亮；N質量濃度過高，銅鍍層便會產生光亮的樹枝狀條紋，整平性能亦下降。

2. 1. 1. 3 2–巰基苯并咪唑(M)

M在10 ～ 40 °C溫度范圍內可鍍出整平性和韌性很好的全光亮鍍層。M是良好的光亮劑和整平劑，同時又可擴大鍍層的光亮范圍，尤其對低電流密度區(qū)的光亮作用更為突出。M與N組合使用時，還可以使N的作用發(fā)揮到最大限度。M的質量濃度范圍在0.3 ～1.0 mg/L。M質量濃度過低，光亮度和整平性能均下降，低電流密度區(qū)亦不亮；M質量濃度過高，銅鍍層表面呈細麻砂狀，甚至成橘皮狀和燒焦，低電流密度區(qū)銅鍍層厚度下降。黃令等[7]的循環(huán)伏安法和計時安培法研究表明，M對銅的電沉積起阻化作用。

2. 1. 2 聚二硫化合物

通式為 R1─S─S─R2，式中 R1為芳香烴(苯基)、烷烴、烷基磺酸鹽或雜環(huán)化合物，R2為烷基磺酸鹽或雜環(huán)化合物。這類添加劑的吸附作用雖不如硫脲衍生物，但能與銅離子配位，可以阻化銅離子的放電過程，影響控制電結晶過程的吸附原子濃度及其表面擴散速度，所以也是良好的光亮劑。其中應用最為廣泛的是聚二硫二丙烷磺酸鈉(SP)。SP在鍍液中可使銅鍍層細致光亮，并且可提高電流密度上限范圍，它與 N、M或H1等配合使用，效果非常明顯。SP的質量濃度范圍可以隨溫度高低而增減，在10 ～ 40 °C范圍內為10 ～20 mg/L。SP質量濃度過低，光亮度下降，且銅鍍層邊緣會產生毛刺甚至燒焦；SP質量濃度過高，銅鍍層會產生白霧，低電流密度區(qū)產生暗區(qū)。

2. 1. 3 聚醚類化合物

2. 2 按功能分

目前，酸銅添加劑一般由2 ～ 4個組分組成。它們的作用分工不是很明顯，可在溶液中表現出很好的協(xié)同效應，從而達到改善鍍層性能的目的。

2. 2. 1 晶粒細化劑

酸銅中應用的晶粒細化劑多是“硫代丙烷磺酸鹽”或“二硫代丙烷磺酸鹽”，其結構式中含有有資料[8]認為它是添加劑中的必要組分。

2. 2. 2 光亮劑和整平劑

光亮劑和整平劑很難清楚分開，許多添加劑既是光亮劑也是整平劑。它們的共同特點是在分子結構中存在“─C=C─”、“─C≡C─”、“─N=N─”等不飽和鍵或π鍵。

在酸性鍍銅液中，光亮劑和整平劑大都含有等基團。2–噻唑啉基聚二硫代丙烷磺酸鈉、2–咪唑硫烷酮等添加劑都屬于此類。

據美國專利報道[9-10]，具有結構的添加劑同樣具有光亮和整平作用。

2. 2. 3 表面活性劑

表面活性劑在一定程度上可降低基體金屬的表面張力，使添加劑易于吸附，而且還可增加溶液的分散性。從結構上看，采用一些含有共軛鍵的表面活性劑亦會取得很好的效果。酸銅常用的表面活性劑有：聚乙二醇(P)、辛基酚聚乙二醇醚(OP)系列、聚乙烯亞胺季銨鹽、聚乙二醇縮甲醛等。

2. 3 其他分類方式

除按照結構和功能分類之外，酸銅添加劑還有其他分類方式。吳水清[11]在查閱大量文獻基礎上，將酸銅添加劑分為有機和無機添加劑。有機添加劑有草酸鹽、N–硫代甲酰基–N′–苯肼、甘氨酸、乙二胺四乙酸、聚合有機堿、雙胺藍等；無機添加劑有氯化銅、磷酸二硫化物、六氰高鐵酸鉀等。馬忠信[12]將酸銅添加劑分為低電流密度區(qū)光亮整平劑、高電流密度區(qū)光亮劑和全面整平的潤濕劑。也有文獻[13]把酸銅添加劑分為染料添加劑和非染料添加劑。MN型添加劑是傳統(tǒng)非染料酸銅添加劑的代表，而日本的210型添加劑是染料型酸銅添加劑的代表。

楊防祖等[14]將酸銅添加劑分為促進劑和抑制劑。促進劑通常是含有硫或是其他官能團的有機物，包括硫脲及其衍生物。促進劑一方面促進Cu的成核；另一方面，優(yōu)先吸附在某些活性較高、生長速度較快的晶面上，使得吸附原子難以進入這些活性點，于是這些晶面生長的速度下降。這樣就有可能使各個晶面的生長速度趨于均勻，形成結構致密、定向排列整齊的晶體。抑制劑的特征是在陰極表面上形成一層連續(xù)膜以阻止銅的沉積。抑制劑單獨使用時對鍍層有整平作用，與其他添加劑一起使用時有協(xié)同效應，可使整平效果達到最佳。

3 酸性鍍銅添加劑作用機理

酸銅添加劑種類繁多，但研究最多的還是光亮劑、整平劑、晶粒細化劑和Cl?。近年來，研究人員對這些添加劑的作用機理做了大量研究。

3. 1 光亮劑

對于光亮劑的作用機理至今尚無統(tǒng)一的見解，有多種理論對其作出一定程度的解釋，如細晶理論、晶面定向理論、膠體膜理論和電子自由流動理論等。鄧文等[15]認為光亮劑首先具有一定的增大極化的作用，光亮是由于晶粒尺寸小于可見光波長(即小于0.4 μm)，并且具有一定定向排列的結構引起的，這種結構面應平行于表面。Weil和方景禮指出[16]鍍膜的光澤不僅取決于鍍膜表面或基體表面是否平滑，而且取決于鍍膜晶粒的微細程度。陳敏元[17]認為當光亮劑作適當吸附時，抑制了鍍層的局部生長，促進結晶的微細化，達到可見光不亂反射的程度，此時鍍層表面光滑光亮。

3. 2 整平劑

關于整平劑的作用機理有許多，但迄今為止能被大多數人接受的理論是O. Kardos[18]于1974年所提出的“擴散控制阻化理論”。該理論認為：整平劑首先在電極上吸附并對電沉積起阻化作用。同時，吸附在電極表面上的整平劑分子在電沉積過程中不斷消耗，其消耗速度大于整平劑從溶液本體向電極表面的擴散速度，即其整平作用是受擴散控制的。

3. 3 晶粒細化劑

可以導致產生位錯和成核增加的因素都可起到細化晶粒的作用。晶粒細化劑通過增大極化，產生高過電位保證高的吸附原子飽和度，或者通過本身在表面吸附引起吸附原子進入晶格的無序性增加，從而阻礙吸附原子向成長中心擴散[19]。晶粒細化對得到光亮和平整的鍍層有一定作用，但不是必要條件。晶粒細化能顯著改善鍍層性能。

3. 4 Cl?

20世紀60年代初，酸銅鍍液中沒有添加Cl?，到20世紀60年代末才在鍍液中加入了Cl?。關于Cl?的作用機理，普遍認為[20-21]其能與 Cu+形成不溶于水的CuCl配合物，后者強吸附在鍍件金屬表面，形成一層CuCl薄膜，阻礙銅的電沉積，達到細化鍍層結晶，改善晶體形態(tài)及取向的目的。但Cl?的加入量存在一個臨界值。當小于30 mg/L時，不能形成完整的膜層，達不到應用的效果；當大于100 mg/L時，又會形成溶于水的等，反而使陰極電流增大，造成鍍層粗糙、無光澤。

周紹民[6]通過研究認為Cl?可能構成了電極表面與Cu+之間的“氯橋”，因而提高了電極表面的Cu+濃度，減小雙電層電容和降低活化極化，因而降低成核速率，有利于晶核的生長，將得到較粗的晶粒，也有利于消除鍍層的應力。許家園等[22]通過研究發(fā)現，當鍍液中Cl?與MN添加劑共同存在，且Cl?含量不高時，銅鍍層的活性降低，但其降低程度比不含MN添加劑時小得多。只有當Cl?含量足夠大時，銅沉積層活性才顯著降低。劉烈煒等[23]認為酞菁染料與Cl?的協(xié)同效應使酞菁染料與Cu+在電極表面形成吸附性更強、更為穩(wěn)定的膜，從而取得更好的效果。鄧文等[24]通過測定電化學曲線，發(fā)現Cl?有增大陰極極化的作用；而且通過研究電化學阻抗，發(fā)現Cl?的存在是導致產生彌散效應的主要原因之一。Cl?是一個特殊的離子，其外層電子容易變形，在電極表面容易產生特性吸附。在負電荷表面，Cl?受排斥力的作用，但是通過特性吸附，Cl?排擠掉吸附于電極表面的水分子并進入內緊密層，與電極發(fā)生相互作用。當有其他添加劑存在時，Cl?與這些添加劑產生共吸附。Cl?與 Cu+作用，使電極反應放電離子的配位形式產生了變化，并最終導致了彌散效應的存在。

4 酸性鍍銅添加劑的研究進展

20世紀七八十年代，我國成功開發(fā)并推廣了以SP、P、M、N等為主要組分的組合光亮劑，而此時國外酸銅電鍍逐步趨于成熟。聚己烯亞胺烷基化后的產物是這一時期典型的酸銅整平劑[25-26]。與以前所用的聚己烯亞胺相比，水溶性更好，與其他添加劑(如聚二硫二丙烷磺酸鈉、聚二硫二丙烷磺酸、聚己烯己二醇等)復配效果更好，擴大了光亮區(qū)的電流密度范圍，且鍍層光亮、平整，高韌性、低內應力。而表氯醇與含一個或多個N官能團(吡啶、喹啉、異喹啉、苯并咪唑等)的物質反應所得的產物是這一時期用到的另一種合成整平劑[26]。引入這種添加劑解決了原酸銅體系中添加劑利用率低的問題。這種新的整平劑在一定程度上彌補了原來的添加劑體系對表面不平整的工件整平效果不佳的不足，在電鍍過程中讓凸起的地方鍍層偏薄，相應地在凹坑處鍍層偏厚，且不會造成高的內應力，既達到整平的目的，又使鍍層具備良好的機械性能。

20世紀90年代，國內在傳統(tǒng)MN體系基礎上對其他一些添加劑進行了研究。沈品華等[27]經過試驗，研制出一種季銨化的聚乙烯亞胺高分子聚合物(PN酸銅深鍍劑)。該添加劑對改善低電流密度區(qū)鍍層和提高鍍液整平能力有明顯作用。將PN與磺化過的水溶性極好的M一起使用，整平性得到提高，出光速度加快，電流密度范圍擴大。鄧文等[28]研制出一種性能優(yōu)異的代號為TDY的酸銅添加劑，這種添加劑用量少，組分單一，溫度范圍廣。當TDY添加劑與Cl?聯合使用時，鍍液深鍍能力和均鍍能力良好。這一時期還涌現出許多性能優(yōu)異的酸銅添加劑，如聚乙烯亞胺烷基化合物(GISS)、脂肪胺乙氧基磺化物(AESS)、N,N–二甲基硫代氫基甲酰基丙烷磺酸鈉(TPS)、巰基咪唑丙磺酸鈉(MESS)等。其中MESS是優(yōu)良的中低位光亮劑，能取代傳統(tǒng)的M，但是只能在MN系列的基礎上對鍍層性能進行改良，光亮范圍沒有拓寬很多。而國外開始使用染料做添加劑，染料在加寬電鍍的適用電流范圍及提高鍍層的光亮、整平和韌性方面效果顯著。

近年來，人們還把稀土元素應用到酸銅中，它們可以明顯提高全光亮鍍銅層低電流密度區(qū)的走位，降低銅鍍層的孔隙率，提高鍍層的抗變色能力和耐蝕性，特別對鍍件總體復合鍍層抗蝕能力的提高有十分明顯的效果，這一點基本可以和染料型光亮劑相當。D. W. McKesson[29]用甲基磺酸和雙吡啶作光亮劑，在高縱橫比的基體上深鍍能力較強。J. S. Obeng[30]用硫代乙酸乙酰烷基酯作為光亮劑用于集成電路鍍銅，獲得了較好的效果。由于染料存在兩個明顯的缺點，即高溫時組分易分解和鍍層內應力明顯增大，因此美國近年來開發(fā)了 EPI酸銅系列光亮劑，較好地克服了無染料及有機染料體系的缺點，能得到光亮、延展性好、內應力小的鍍層，鍍液深鍍能力強，適用于復雜工件的電鍍。

5 展望

多年來，酸銅添加劑的研究無論是在理論上還是實踐上都取得了進展，使得酸銅工藝的應用范圍不斷擴大。然而就酸銅的發(fā)展而言，不僅要研究出性能更優(yōu)異的添加劑，而且要對硬件設施進行改善。

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[ 編輯：吳杰 ]

Research progress on acidic copper plating additives //

GAO Quan-yong*, ZHAO Guo-peng, HU Yao-hong

The classification, mechanism and application of acidic copper plating additives were reviewed. The research status of acidic copper plating additives was summarized and the prospect was forecasted.

acidic copper plating; additive; mechanism; classification; application

Guangzhou Etsing Plating Research Institute, Guangzhou 510663, China

TQ153

A

1004 – 227X (2010) 01 – 0026 – 04

2009–04–15

高泉涌（1977–），男，福建人，碩士，主要從事電化學領域的研究工作。

作者聯系方式：(Tel) 020-61302527。