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酸性镀铜工艺硫酸过量引起的故障分析

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-20  浏览次数:829

冯绍彬,苏畅

 郑州轻工业学院材料化工学院,河南郑州

摘要:工业生产中,硫酸的过量添加会造成酸性镀铜工艺阳极钝化、槽电压升高、工作电流下降。本文讨论了硫酸对硫酸铜溶解度的影响,发现水溶液中硫酸含量超过50g/L后硫酸铜的溶解度急剧下降。当硫酸含量过高时,随着电镀过程的进行,Cu2+在阳极表面层的浓度不断升高,引起硫酸铜晶体在阳极表面析出,使阳极钝化,导致无法正常生产。

关键词:酸性镀铜;硫酸;硫酸铜;溶解度;阳极;钝化

中图分类号:TQ153.14 文献标志码:A

文章编号:1004–227X(2011)04–0013–02

1·前言

硫酸作为酸性镀铜电解液的主要成分,可以提高镀液电导率,扩大电流密度范围,防止铜盐水解,改善电解液的分散能力和阳极的溶解性能,增大阴极极化,使镀层结晶细致。硫酸的含量必须要控制在一个合理的范围内,否则会对工艺产生不利的影响[1]。笔者发现不少中小企业对酸性镀铜工艺中硫酸的影响缺乏全面认识,镀液中硫酸的含量往往大大超出工艺规范。某钢丝镀铜企业的电镀铜生产线出现槽电压升至满量程(12V),工作电流由正常时的400A降至40A,无法维持正常生产的情况。结合这次因硫酸过量引起的故障,本文将重点讨论硫酸含量过高对工艺的影响。

2·实验

2.1硫酸铜溶解度的测定

将过量的硫酸铜溶解于水中,制成饱和硫酸铜溶液,向溶液中加入硫酸,使硫酸铜结晶析出。称取结晶的质量,计算硫酸铜的溶解度。从50~100g/L逐步提高硫酸的含量,测定在不同的硫酸含量下,硫酸铜的溶解度。

2.2槽电压的测定

对失调的酸性光亮镀铜溶液进行分析,得知其中含硫酸铜124.3g/L、硫酸205.8g/L,硫酸为正常含量的4倍左右。采用磷铜板为阳极、电解铜板为阴极,阴、阳极面积比为2∶1,以电流密度0.5A/dm2在250mL赫尔槽中电镀,测定槽电压的变化情况。

3·结果与讨论

3.1硫酸对硫酸铜的影响

硫酸铜在不同质量浓度的硫酸水溶液中的溶解度如图1所示。

常规的酸性镀铜工艺中,硫酸铜的含量在180~220g/L之间,硫酸含量在50~70g/L之间。由图1可以看出,硫酸含量的逐步升高,使硫酸铜的溶解度逐渐下降,硫酸含量为0~50g/L时,硫酸铜的溶解度略有下降,但溶液的导电能力、分散能力明显提高;硫酸含量在50~70g/L之间时属于正常的工艺范围,溶液的导电能力、分散能力处于最佳状态,硫酸铜的溶解度虽有下降,但仍高于工艺配方中的上限(220g/L),不会对阳极的溶解产生不利影响。硫酸含量一旦超过配方范围,随着硫酸的增多,硫酸铜的溶解度迅速下降,在阳极板表面甚至镀槽底部形成沉积。

3.2硫酸对槽电压的影响

过高的硫酸含量,使槽电压不稳定,采用故障溶液进行恒电流电镀,槽电压随时间的变化结果如表1所示。

从表1可以看出,通电20min之后槽电压迅速攀升,最大值达到13.3V,槽电压最小值和最大值相差两个数量级。随着时间的推移,硫酸铜晶体逐渐在阳极表面析出、覆盖、增厚,阳极钝化引起电阻增大,槽电压上升,该现象与企业生产线上的故障相一致。

3.3硫酸对阳极的影响

使用磷铜板作阳极时,正常情况下,在阳极表面形成一层具有金属导电性的黑色膜,其主要成分是Cu3P,它可以阻止过多Cu+的产生,加速Cu+的氧化,减少铜粉(Cu2O)的生成。当硫酸含量过高时,一方面黑色膜受到抑制,颜色变淡,膜层过薄,加速了铜粉的产生,另一方面硫酸铜结晶覆盖在阳极表面,出现这种情况的原因可能是在通电情况下,阳极正常溶解产生Cu2+,由于浓差极化的存在,铜离子在界面的浓度高于在本体的浓度,而过多硫酸的存在,使硫酸铜的溶解度降低,在两相界面处容易达到饱和,过多的铜离子与硫酸根离子形成硫酸铜,在阳极结晶析出,阻碍了阳极的正常溶解过程,使阳极钝化[2-3]。

4·结论

镀液中硫酸含量的升高,使硫酸铜溶解度降低。随着电镀过程的进行,Cu2+在阳极表面层的浓度不断升高,引起硫酸铜晶体在阳极表面析出,使阳极钝化。

因此,在生产中应该严格监控硫酸的含量,定期分析并将其调整至工艺要求的范围内。

参考文献:

[1]冯辉,张勇,张林森,等.电镀理论与工艺[M].北京:化学工业出版社,2008:95-103.

[2]邓文,刘昭林,郭鹤桐.铜磷合金阳极电化学行为的研究[J].电镀与涂饰,1996,17(2):1-4.

[3]郭鹤桐,覃奇贤.电化学教程[M].天津:天津大学出版社,2000:333-335.

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