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铜基合金电镀:微氰三乙醇胺电镀铜锡合金镀液中各成分的作用及其影响

放大字体  缩小字体发布日期:2012-05-02  浏览次数:1728

   (1)铜

   是提供溶液中金属铜离子的主盐,是以氰化亚铜形式加入的,氰化亚铜与氰化钠生成稳定的铜氰络合物。反应式为:

CuCN+2NaCN—Na2[Cu(CN)3]

   由于三乙醇胺的存在,使Cu2+生成铜合三乙醇胺蓝色络合物,反应式为:

Cu2++TEA+30H一—[Cu(TEA)(OH)3]一

   溶液中金属铜离子是以Cu+和Cu2+两种形式存在的,这两种金属铜离子在溶液中的比例取决于两种络合剂的相对含量,当游离氰化钠含量高时,溶液中的Cu2+被CN一还原为Cu+,这时铜离子主要以Cu+形式存在,溶液变成棕黄色,而相反,如果溶液中三乙醇胺含量高、而氰化钠相对含量低时,溶液中部分Cu+被三乙醇胺氧化为Cu2+,溶液颜色变为绿黄色。当加入游离氰化钠超过2g/L时,溶液颜色立即变为棕黄色,所以两组络合剂的含量是保证铜离子在溶液中稳定性的基本条件。

溶液中金属铜离子含量一般维持在10~12g/L左右,实践证明,当其他条件不变、而金属铜的相对含量增加时,合金镀层会粗糙,边角起毛刺,镀层中铜成分增高,不易抛光。相反,当金属铜的相对含量降低时,合金成分中锡的相对含量增加,镀层发灰白,易于氧化,覆盖能力下降,给镀铬带来困难,所以金属铜离子含量一定要维持在10~12g/L范围内。

 

(2)锡

   是提供给溶液中四价锡离子的主盐。溶液中金属锡是以锡酸钠的形式加入的。在氢氧化钠存在的条件下,锡酸钠生成稳定的络合离子。

Sn032-+3H20一[Sn(OH)6]2一

增加溶液中0H一的含量,平衡向稳定络离子的方向移动,[Sn(OH)6]2一这个络离子非常稳定。溶液中锡的相对含量增加时,镀层中锡的成分增加,防腐蚀性能也提高,但会使镀层发白、发灰,进行镀铬时困难,而锡的相对含量降低时,镀层发红,不易抛光,防腐能力降低,所以锡的含量一般要控制在15--20g/L范围内。

 

   (3)三乙醇胺

   三乙醇胺是一种大分子的非电离型有机络合剂,是无色黏稠液体,在空气中会变为黄褐色,能与许多金属离子生成络合物,其分子结构为:简写为TEA。在碱性介质中,Cu2+在不同pH值的情况下,形成不同形式的具有不同稳定常数的络合物。在电流作用下,Cu2+在阳极反应生成可溶性的蓝色铜合三乙醇胺络离子。三乙醇胺在常温下在碱性溶液中对合金阳极有较强的化学溶解作用。

   三乙醇胺与Cu2+形成几种不同形式的络离子,其不稳定常数如下。

   [Cu(TEA)]2+,K不稳=5.012×10—5;

[Cu(TEA)OH]+,K不稳=1.209×10—12;

[Cu(TEA)(OH)2],Ksw=5.012×10—19;

[Cu(TEA)2(OH)2],K不稳=2.512×10—19;

[Cu(TEA)(0H)3]一,K不稳=1.975×10—21。

在本工艺介绍的溶液条件下,铜与TEA主要以最后一种形式存在。

   铜合三乙醇胺络合离子的电离形式:

   生产中实践证明,增加NaOH含量会使铜合三乙醇胺络离子更加稳定。

   三乙醇胺在溶液中除与Cu2+生成络合物外,还有部分游离状态存在,以保证阳极正常溶解,并保持铜合三乙醇胺络离子的稳定性,使镀液稳定和镀层结晶细致。

   但是三乙醇胺含量不宜过高,因为三乙醇胺属于大分子非电离型有机物,它黏度较大,含量过高时,会引起溶液黏度增加,阻滞离子运动,使溶液电阻增加,电导下降。另一方面,溶液黏度大还会影响离子扩散运动,从而使溶液性能变坏,导。致镀层产生不良状态。当三乙醇胺含量过低时,取代氰化物的效果降低。在生产实践中可以看到,当三乙醇胺过高时,阳极表面附着有蓝绿色碱式盐存在,它会影响阳极的正常溶解,同时合金镀层出现灰色条纹,严重时镀层全部变成黑色,不易抛光,此时,阳极电流效率和阴极沉积速度都会降低。

   当三乙醇胺含量过低时,也会影响阴极的正常溶解,使阳极钝化,阴极电流效率下降,合金镀层结晶粗糙发暗等。在大量生产中,当游离氰化钠在2~3g/L时,三乙醇胺含量应控制在30~50g/L范围内。

   (4)游离氰化钠   

   镀液中游离氰化钠保持2~3g/L有很重要的作用。少量游离氰化钠会使溶液中绝大多数铜离子仍然以Cu+的铜氰络离子形式存在。因为游离氰化钠量非常少,溶液中的铜氰络离子是以两个络合数和三个络合数的络离子形式存在:[Cu(CN)3]2-、[Cu(CN)2]‑。在一般情况下,以[Cu(CN)2]一存在多些。在高氰电镀中,因为氰化物含量高,溶液中铜氰络离子是以[Cu(CN)3]2-形式存在的。由于微氰溶液中游离氰化物含量低,使铜氰络合离子大部分变成[Cu(CN)2]一形式。在微氰溶液中存在着少量氰化钠,起着比高氰溶液中大量游离氰化物还要重要的作用,它能控制镀层合金成分、镀层组织结构阳极正常溶解,使溶液比较稳定。实践证明,当游离氰化钠含量小于lg/L时,溶液颜色变绿,再降低游离氰化钠时,溶液颜色

变蓝。这证明由于氰化物的降低,使[Cu(CN)2]一的含量减少,而使铜合三乙醇胺络离子的含量相应增加。此时,镀层粗糙、阳极溶解不良。当游离氰化钠提高到2g/L左右时,以上弊病立即消除。实践证明,溶液中游离氰化钠保持2~3g/L时,镀液稳定最好,镀层质量也理想。

   (5)氢氧化钠

   在微氰三乙醇胺镀液中,维持较高的氢氧化钠是保证镀液稳定、镀层质量较好的关键因素。氢氧化钠的主要作用有以下几点。

   ①保持锡络离子的稳定性。

只有增加0H一才能保证锡络离子的相对稳定,才能使阴极极化增大,在这种条件下得到的镀层结晶才能细致、光亮。

②促进铜合三乙醇胺络离子的稳定性。当氢氧化钠满足铜合三乙醇胺络离子的条件下,才会以[Cu(TEA)(0H)3]一(K不稳=1·975×10-21)存在,足够的氢氧根使铜合三乙醇胺以具有较小不稳定常数的[Cu(TEA)(0H)3]一形式存在,这样络合离子的存在使镀层结晶细致。

   ③有利于阳极的正常溶解。大量0H一的存在使阳极表面附近Sn4+与OH一结合生成络合离子并扩散到溶液主体中去。另外,使铜合三乙醇胺络合物稳定,使阳极上溶解下来的Cu2+与三乙醇胺结合,在足量的0H一存在下,生成络合离子扩散到镀液中及阴极区域里,使之不形成大的阳极极化,这是氢氧化钠使阳极表面附近两种金属离子正常溶解的作用。

④增加溶液的导电能力。在微氰三乙醇胺低锡青铜电镀液中,由于三乙醇胺的加入,造成溶液黏度增加,电阻增大,导电能力下降。足量的氢氧化钠存在能大大改善溶液的导电能力。实践证明,氢氧化钠的含量维持在18~25g/L范围内好。

 

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