机械研磨酸性镀铜工艺与性能研究

【摘要】：硫酸盐酸性镀铜工艺由于具有工艺简单、操作方便、成本低等特点而广泛应用于生产中,但该铜镀层具有晶粒尺寸大、孔隙率高等缺点。为了提高镀铜层的性能,近年来,机械研磨处理作为一种金属表面纳米化处理技术受到广泛应用。机械研磨电镀就是将机械研磨处理技术与电镀技术相结合,在电镀过程中通过研磨球在基体表面往返运动来制备性能更优镀层的技术。本文以A3钢作为基材,首先选用硫酸盐酸性镀铜配方,通过赫尔槽试验确定电流密度范围,再通过单因素实验研究电流密度对镀铜层性能的影响,确定最佳电流密度。通过在镀液中添加不同含量的葡萄糖,研究葡萄糖对镀层性能的影响,从而确定传统硫酸盐酸性镀铜最佳工艺配方。葡萄糖的加入并不能细化晶粒,但能提高镀层的沉积速率、降低孔隙率以及粗糙度。最佳传统镀铜(TEP)配方为:CuSO4·2H2O 180-220 g/L,H2SO4 50-70 g/L,葡萄糖20 g/L,温度:室温,空气搅拌,电流密度为5A/dm2。采用该TEP镀铜工艺施镀30 min发现镀层的晶粒尺寸为4μm-7μm,镀层厚度为30.7μm,镀层横截面硬度为115 HV,孔隙率为1个/cm2,采用900℃固体渗碳90 min后渗碳层的厚度为70μm。在水平振动方式下,研究了不同研磨直径和振荡频率对镀铜层微观结构、厚度、硬度、孔隙率、耐蚀性的影响,并确定了水平振动方式下的最佳工艺,为:研磨玻璃珠珠直径:8 mm,总研磨珠的面积占整个镀槽底部面积的2/3,水平振荡频率:4 Hz,CuSO4·2H2O 180-220 g/L,H2SO4 50-70 g/L,葡萄糖20 g/L,室温,电流密度为5 A/dm2。与TEP相比,采用机械研磨酸性镀铜工艺所得镀层晶粒明显细化,平均晶粒尺寸由4μm-7μm减小到小于1μm,镀层厚度由30.7μm降至20.8μm,镀层的硬度从115 HV上升到178.2 HV,镀层的孔隙率由1个/cm2降至0.2个/cm2,相同条件下渗碳层的厚度从70μm降到20μm,表面亮度以及耐蚀性能显著提高。水平振荡方式下,研磨珠易堆积,导致镀层局部表面不均匀,镀层外观的重现性不好。为了获得重现性更好的镀铜层,设计了一个摇摆振荡铜装置。研究了在摇摆方式下,不同研磨球直径对镀铜层性能的影响。结果表明在摇摆振荡方式下镀铜的厚度随着研磨珠直径的增加而逐渐的降低,镀层的硬度随着研磨珠的直径增大而增大;孔隙率和渗碳层的厚度随着研磨珠直径的升高先降低后增大,而耐蚀性随着研磨珠直径的增加先增大后减小。当研磨珠的直径为8 mm时,镀层的晶粒尺寸小于3μm,硬度为169 HV,孔隙率为0.4个/cm2,渗碳层厚度为15μm。获得最佳摇摆振荡机械研磨镀铜工艺为:研磨珠的直径8 mm,总研磨珠的面积占整个镀槽底部面积的2/3,频率为1 Hz,CuSO4·2H2O 180-220 g/L,H2SO4 50-70g/L,葡萄糖20 g/L,室温,电流密度为5 A/dm2。
【关键词】：硫酸盐酸性镀铜 机械研磨 水平振荡 摇摆振荡 微观形貌 防渗碳性能
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ153.14