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铝活化塑料表面化学镀铜新工艺研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-05  浏览次数:967
核心提示:介绍一种使用铝粉为活化剂的置换化学镀铜的新工艺,重点探讨了在(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)材料表面制备含铝- 环氧树脂活化涂层过程中,铝粉的粒径、含量及涂层厚度等工艺条件对ABS镀铜层表面形貌、结合力及导电性的影响。

塑料表面化学镀铜技术主要用作印制线路板(PCB)孔金属化和塑料电磁波屏蔽功能性等,与其它金属化的方法相比,化学镀铜是最经济的方法[1]。但传统的用甲醛作还原剂的化学镀铜方法存在着严重的化学污染问题,同时化学镀前处理中需要使用价格昂贵的贵金属钯盐作催化活化剂,而且胶体钯还易解胶而失去活性。因此寻求甲醛、钯活化剂的替代品及其相关的新工艺一直是人们的研究热点之一。笔者使用铝粉作活化剂置换化学镀铜的新工艺不使用甲醛,而且可适用于环氧树脂可粘接的各种塑料、金属甚至玻璃等基材的表面化学镀铜,在此将主要探讨在(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)材料表面化学镀前处理过程中,含活性铝粉的环氧树脂涂层的制备工艺对ABS镀铜层表面形貌、结合力、导电性等性能的影响,获得了一种镀层平整、导电性高的化学镀铜前处理新方法。

1 实验部分

1.1 原材料

ABS基材:规格8cm×6cm×0.2cm,市售;

铝粉:粒径38.5~150.0μm,含量≥99%,上海化学试剂公司;

环氧树脂(EP):EP01451—310,西安振华树脂化工有限责任公司;

聚酰胺树脂(PA):650型,福清市中德化工实业有限公司;

二甲苯:分析纯,天津市化学试剂六厂;

正丁醇:分析纯,西安化学试剂厂;

硫酸铜(CuSO4):分析纯,西安化学试剂厂;

配合物A:自制。

1.2 实验仪器与设备

数字式毫欧计:SX1932型,苏州百神科技有限公司;

数码相机:Digimaxi6型,韩国三星公司;

漆膜铅笔划痕硬度仪:QHQ—A型,天津材料试验机厂;

涂膜涂布器:QTG—A型,天津材料试验机厂;

数显真空干燥箱:876A一2型,上海浦东荣丰科学仪器有限公司;

上皿电子天平:FA2104型,上海精科公司。

1.3 涂层制备及镀铜工艺

制备涂层主要包括ABS基材的前处理和胶层化学镀铜两大过程,以及适当的防氧化措施。其中前处理过程包括基材砂纸打磨、碱性除油、配胶、涂胶等。结合本实验实际,化学置换镀铜配方中含有质量分数10%的CuSO4和10%的配合物A;镀铜工艺条件为室温、2h。

1.4 镀铜层性能测试

(1)镀铜层表面质量:要求镀铜层细致均匀,呈粉红略偏黄色;不允许表面有斑点、黑点、气泡、起皮、暗色和镀层脱落等缺陷;

(2)结合力检验:参见粘胶带拉伸剥离试验和锉刀测试等。通常将结合力分为三个等级:一级为所有检验均无裂痕或脱落;二级为无裂痕,有少量铜粉脱落;三级为镀铜件弯曲时出现裂痕,粘胶带和锉刀测试中有铜粉脱落;

(3)硬度测试:用漆膜铅笔硬度测试仪测试,硬度范围为6B~6H;

(4)表面电阻测试:用数字式毫欧计采用4探针法测试涂层表面电阻值。

2 结果与讨论

2.1涂料配方选择

对非金属材料表面进行化学镀铜时,首先必须使其表面活化。目前采用的方法是将一些贵金属盐通过还原剂的还原而使产生的贵金属微粒均匀地沉积于非金属材料表面,形成活化中心,因而对工艺条件的要求极其苛刻,且操作过程冗长[4]。具有良好的还原性,在涂层表面还能起还原剂的作用,可代替传统的钯等贵金属活化剂,故本工艺采用铝粉作活化剂;EP的多羟基及醚键能与基材相吸引,有极好的粘接力,且其本身的各项物理化学性能十分优良,故可用作涂料的基体。将铝粉与EP的混合物涂布于ABS基材表面,代替传统的前处理过程。该涂料除含铝粉、EP外,还加入固化剂(PA)及溶剂二甲苯、正丁醇等。

但是,铝粉在空气中容易与氧气形成致密的氧化物膜,且在传统使用的硫酸等介质下进行化学镀铜时反应很慢,新生铜也很容易被氧化而使得镀层发黑,所以很少见到有关铝化学置换镀铜的研究报道。笔者根据铝原子价电子层的缺电子特征(在其三价化合物原子的外层有一个空轨道,容易与具有孤对电子的分子或离子形成配位化合物[5]了一种可与反应生成的铝离子快速络合的配合物A,以加速反应的进行,该配合物还能有效地防止新生铜的氧化。

2.2涂层制备及镀铜工艺

ABS基材表面经砂纸打磨后具有一定的表面粗糙度,易使涂料与基材发生化学粘接作用和机械咬合作用,更加保证涂层与基材具有优良的结合力。除油的目的是清洁ABS基材的表面,增加其与镀层的结合力。除油完毕后需将基材清洗干净。将EP和PA以1:1的质量比混合溶于二甲苯、正丁醇的混合溶剂(体积比为7:3)中,充分搅拌均匀,按所需比例加入铝粉使之混合均匀。配制过程中要注意溶剂量的把握,在保证涂层均匀、光滑的情况下尽量减少溶剂的用量,以免延长固化时间。涂料配制完毕即用涂膜涂布器将涂料按所需厚度涂敷到处理好的ABS基材表面,室温固化8~10h即可进行化学镀铜。

在以往的置换镀铜工艺中,普遍采用硫酸铜一硫酸镀液体系,此种镀液与铝的置换反应速度太慢且效果不佳,本实验中使用配合物A解决了这个问题。镀铜工艺过程是先将硫酸铜(CuSO4.5H2O)合物A,配成各10%的标准溶液。施镀时将处理并清洗好的ABS试片投入镀液中,适当搅拌,室温施镀2h,试片表面即可结合力和导电性均良好的镀铜层。此工序简单易操作,镀液可反复使用,稳定性好。

2. 3镀铜层的表面形貌

镀铜层的外观是对化学镀铜工艺好坏的最直观评价。其表面要求富有光泽、致密,针孔少,平整连续性好。实验过程中未发现镀铜层表面出现斑点、黑点、气泡、起皮、暗色等缺陷。而影响铜镀层表面形貌的主要因素为铝粉在涂料基体中的含量及铝粉的粒径,操作过程中的涂刷工艺对此也有一定影响。

不同铝粉含量的镀铜层外观照片

由图1可看出,涂料中含有20%的铝粉时,镀铜层极不连续而呈颗粒状;含有50%的铝粉时,镀铜层外观基本连续,但很不平整;而铝粉含量达80%时,镀铜层基本连接成膜且较为平整。由此可见,较高的铝粉含量是镀铜层外观平整、连续的基本保证。

另外,通过对粒径38. 5一150. 0 um铝粉的试验表明,当铝粉含量在80%时,粒径为38. 5一50. 0um的铝粉所镀出的铜层较为细腻、光滑,针孔少;粒径75 um的铝粉也有一定的平整性、连续性;而粒径90 um以上的铝粉所镀出的铜层则明显粗糙。图2与图1相比,表面更为细腻、光滑,因此可通过不同铝粉粒径得到不同外观要求的镀铜层。

两种较小粒径铝粉的镀铜层外观照片

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