銅基低溫化學(xué)鍍鎳工藝因素對(duì)結(jié)合力的影響研究

侯俊英，高洪江，劉肖林，白楊

（青島科技大學(xué)，山東青島 266061）

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銅基低溫化學(xué)鍍鎳工藝因素對(duì)結(jié)合力的影響研究

侯俊英，高洪江，劉肖林，白楊

（青島科技大學(xué)，山東青島 266061）

摘要：在外加磁場的條件下對(duì)影響銅基體化學(xué)鍍鎳工藝的因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)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(xué)鍍鎳鍍層的形貌、鍍層與基體的結(jié)合力有所改變。其中化學(xué)鍍液中主鹽的濃度比對(duì)鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度影響最小，但對(duì)鍍層中鎳磷的含量影響較大。溫度對(duì)鍍層的形貌及鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度有明顯影響，在40 ℃時(shí)結(jié)合力最好，溫度越高結(jié)合力下降。隨著外加磁場強(qiáng)度的增加鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度也隨之增大。

關(guān)鍵詞：外加磁場；結(jié)合強(qiáng)度；表面形貌；銅基材料

稿件編號(hào):1509- 1075

0 引言

化學(xué)鍍技術(shù)以其良好的均鍍性、較低的孔隙率、簡單的操作方法等技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及其鍍層所具有的良好的耐磨、耐蝕、硬度高、易焊接、化學(xué)穩(wěn)定性好等性能特點(diǎn)，越來越受到人們的關(guān)注?；瘜W(xué)鍍鎳技術(shù)是一種極有發(fā)展前途的表面強(qiáng)化技術(shù)。從20世紀(jì)50年代后期用于工業(yè)生產(chǎn)以來，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、電子等各項(xiàng)工業(yè)生產(chǎn)中[1,2]。

在銅基體上進(jìn)行化學(xué)鍍鎳磷是應(yīng)印刷電路板耐蝕性要求而生的新的工藝技術(shù)，由于鎳磷鍍層優(yōu)良的耐蝕性，化學(xué)鍍鎳層已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于印刷電路的保護(hù)中[3]。然而對(duì)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(fā)的進(jìn)行化學(xué)鍍鎳過程。因此對(duì)銅基體表面進(jìn)行活化以產(chǎn)生易于次磷酸鹽氧化的活化點(diǎn)是必須的[4,5]。銅基化學(xué)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(fù)性從而誘發(fā)鎳磷離子的沉積，同時(shí)施加外部磁場進(jìn)行化學(xué)鍍鎳實(shí)驗(yàn)，通過正交實(shí)驗(yàn)來分析研究配方中主鹽配比、外加磁場強(qiáng)度以及施鍍溫度，對(duì)低溫條件下銅基化學(xué)鍍層的形貌性能、鍍層與基體的結(jié)合力等的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 銅基體的前處理

實(shí)驗(yàn)所用試樣為2 mm×20 mm×20 mm的黃銅板，經(jīng)過金相砂紙逐次打磨，在施鍍之前要對(duì)銅基體進(jìn)行一定的前處理以得到優(yōu)質(zhì)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(xué)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(jìn)行化學(xué)鍍鎳，必須先對(duì)基體進(jìn)行誘發(fā)。本文采用了鐵釘引鍍的方法在銅基體上進(jìn)行化學(xué)鍍的誘發(fā)方法，操作方法簡單有效且成本低，得到外觀光亮完整、結(jié)合力強(qiáng)、硬度高的鍍層。

1.3 銅基體化學(xué)鍍鎳

本實(shí)驗(yàn)采用鍍液配方中硫酸鎳與次亞磷酸鈉含量比作為正交實(shí)驗(yàn)的影響因素之一，根據(jù)硫酸鎳與次亞磷酸鈉含量比的不同設(shè)置了三個(gè)水平的鍍液1∶2，1∶1，2∶1，最終確定化學(xué)鍍液配方，具體如表1所示。

表1 化學(xué)鍍液配方

運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)的處理方法，本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案為三個(gè)因素各取三個(gè)水平，需要根據(jù)不同的組合進(jìn)行9組試驗(yàn)，故可采用如表2所示的L9(33)正交表,施鍍時(shí)間均為2 h。

表2 實(shí)驗(yàn)因素水平表

2 結(jié)果與討論

按照正交實(shí)驗(yàn)表中的條件分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到鍍有較好鎳磷鍍層的試樣。對(duì)每個(gè)試樣用自動(dòng)劃痕儀進(jìn)行了結(jié)合力的測定，所得的結(jié)合力劃痕曲線如圖1所示。

圖1 銅基試樣劃痕曲線

根據(jù)自動(dòng)劃痕儀所得到的曲線從斜率變化情況可以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)因素優(yōu)水平和最優(yōu)水平組合的確定

分析A因素各水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，可以看出，A1的影響反映在第1、2、3號(hào)試驗(yàn)中，A2的影響反映在第4、5、6號(hào)試驗(yàn)中，A3的影響反映在第7、8、9號(hào)試驗(yàn)中。

A因素的1水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和為：

A因素的2水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和為：

A因素的3水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和為：

從上面的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，kA1、kA2、kA3的結(jié)果并不相等。這充分說明，該試驗(yàn)結(jié)果受到A因素水平變動(dòng)的影響。因此，根據(jù)kA1、kA2、kA3的大小可以判斷A1、A2、A3三個(gè)水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響大小。由于試驗(yàn)指標(biāo)為結(jié)合力，而kA2>kA3>kA1，所以可斷定A2為A因素的優(yōu)水平。同理，可以根據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算并確定，B因素中的優(yōu)水平為B3，C因素的優(yōu)水平為C1。三個(gè)因素的優(yōu)水平組合A2B3C1為本試驗(yàn)的最優(yōu)水平組合，即靜磁場對(duì)銅基材料化學(xué)鍍鍍層與基體結(jié)合力的影響的最優(yōu)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(qiáng)度為25 mT，溫度為40℃。實(shí)驗(yàn)各因素所對(duì)應(yīng)極差分析如表4所示。

表 4 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析表L9（33）

2.2 確定因素的主次順序

極差Rj計(jì)算結(jié)果如表4所示。

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

由于三個(gè)因素之間的極差相差不大，并且各數(shù)值相對(duì)較小，因此，各因素對(duì)化學(xué)鍍均有一定影響且影響結(jié)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(duì)正交試驗(yàn)組合2、5、8實(shí)驗(yàn)方案所得試樣進(jìn)行觀察,并對(duì)鍍層進(jìn)行能譜分析,從而對(duì)鍍層中的成分進(jìn)行分析,進(jìn)而分析外加磁場以及鍍液中主鹽比例對(duì)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(jīng)能譜分析鍍層中磷的含量為8.28%(質(zhì)量)，屬于高磷鍍層，鼓泡狀形貌明顯，胞狀大小相對(duì)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?duì)試樣2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(zhì)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(zhì)量），屬于低磷鍍層[2-7]。

3 結(jié)論

在低溫條件下進(jìn)行化學(xué)鍍鎳磷實(shí)驗(yàn)，通過改變外加磁場強(qiáng)度、改變鍍液中主鹽的含量比、改變實(shí)驗(yàn)的溫度進(jìn)行九組實(shí)驗(yàn)。得出三種因素對(duì)鍍層與基體結(jié)合力的影響大小關(guān)系，其中溫度對(duì)鍍層與基體結(jié)合力的影響最大，隨著溫度的升高結(jié)合力越小，在40 ℃時(shí)所得到的鍍層與基體的結(jié)合力最大。磁場強(qiáng)度對(duì)其影響次之，磁場強(qiáng)度提高結(jié)合強(qiáng)度也會(huì)提高，在25 mT的磁場強(qiáng)度條件下鍍層與基體的結(jié)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(nèi)結(jié)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(zhì)量））。

從而，得到最佳鍍層與基體結(jié)合力的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度為25 mT，PH8.0±0.5。

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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(hào)：TG174.41；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

文章編號(hào):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(yè)的教學(xué)與科研工作.