5,5-二甲基乙内酰脲体系化学镀金工艺及性能的研究

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印制电路板(PCB)终饰技术是电子电路制造中十分重要的表面处理技术,不仅为暴露的铜线提供防腐蚀保护,也是保证电子元件之间可以稳定连接的有效手段。化学镍钯金工艺在所有PCB终饰技术中有着十分突出的优点,但镀金工艺普遍为氰化物镀金,存在严重的污染问题,开发其他配位剂代替氰化物是化学镀金中十分重要的发展方向。本文以PCB终饰技术中万能型的化学镍钯金工艺为研究背景,开发新型的无氰镀金技术,将其应用于化学镍钯金的镀金工艺部分。  本论文以NaAuCl4作为主盐,5,5-二甲基乙内酰脲为主要配位剂,甲酸作为金离子的还原剂,以各主要组分与反应条件为影响因素,以制备的镀层厚度、镀层外观质量与镀液稳定性为参考,考察了各因素对工艺的影响,最终确定了1.5g/L NaAuCl4·2H2O、35g/L5,5-二甲基乙内酰脲、15g/L HCOOH、8g/L EDTA-Na2、30g/L K2HPO4,反应温度60℃,镀液pH=8.0时,反应20min的新型的无氰化学镀金工艺。得到了厚度为0.0418μm的镀金层,镀速为0.00209μm/min,镀层厚度的相对标准偏差(RSD)为12.45%,镀层完整光亮,镀液较稳定,镀后溶液可放置25日。  为减弱常见镀金工艺中金离子对基体侵蚀严重的问题,本实验中使用了甲酸作为金离子的还原剂,利用不同甲酸浓度的镀液与制备的镀层厚度的关系和阴极极化测试手段分析了甲酸浓度对金沉积过程的影响,使用循环伏安法对Ni、Pd与Au对甲酸催化氧化的能力进行了测试,使用原子吸收光谱仪测定了镀液反应前后金属离子的浓度,进而确定了本体系中置换镀金与还原镀金各占的比例,提出了本体系中金沉积的两种机制。研究表明,Pd对HCOO-存在强烈的催化氧化作用,Au对HCOO-的催化氧化能力较弱,Ni对HCOO-无催化氧化的作用。HCOO-在本体系镀金溶液中,既可以作为还原剂与Au3+发生氧化还原反应,得到Au镀层,也与Au3+存在配位作用,降低Au3+的得电子能力;当镀液存在低含量的HCOO-时,与Au3+的配位作用显著,抑制了Au3+的还原,当HCOO-含量较高时,还原Au3+的能力显著,可以起到还原剂的作用。HCOO-的存在很大程度上抑制了置换反应的发生,在化学镀镍化学镀钯处理后的试样表面使用本体系镀液施镀后发现,镀层中置换金占1.93%,还原金占98.07%。  使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)与能谱仪(EDS)对各镀层的微观形貌与成分含量进行了测定,测试表明Au晶体在(111)的取向生长要明显多于不含甲酸镀液制备的镀金层,化学镀镍、化学镀钯层的微观形貌呈胞状结构,大小3~6μm不等,镀层表面存在平均直径约0.15μm的细小孔隙。化学镀金层中,Au为细小的颗粒状结晶,溶液不含甲酸时镀液对试样的侵蚀严重,得到的镀层孔隙率高,约60个/100μm2,含有甲酸的镀液得到的镀层孔隙率低,约7个/100μm2。对本工艺制备的化学镍钯金镀层进行了浸锡测试与中性盐雾实验,实验表明镀层的焊接性能良好镀层在中性盐雾中可保持24h。采用电化学极化曲线(Tafel)与电化学交流阻抗谱(EIS)对化学镀镍层(EN)、化学镍钯层(ENEP)、化学镍钯金镀层(ENEPIG)与化学镍金镀层(ENIG)的耐腐蚀性能进行了测试,测试表明几种处理工艺中,ENEPIG工艺制备镀层的耐腐蚀能力最好,自腐蚀电位为-0.216V,自腐蚀电流密度为2.24μA·cm-2。使用光电轮廓仪对化学镀镍层(EN)、化学镍钯层(ENEP)、2种化学镍钯金镀层(ENEPIG)与化学镍金镀层(ENIG)五种镀层的表面粗糙度进行了测定,研究表明,经过化学镀镍化学镀钯处理后的试样表面粗糙度较大,轮廓算术平均偏差Ra=463.7nm。镀液中无HCOO-时,镀层较粗糙,HCOO-的存在可以显著地降低镀层的粗糙度,Pd层的引入也会降低镀层粗糙度,最终本工艺得到的化学镍钯金镀层的轮廓算术平均偏差Ra为183.1nm。
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