抗氧化剂对无氰镀金工艺的影响研究

 1 引言

镀金层优点:稳定性好、耐变色性强、导电性强、耐腐蚀性强、抗氧化性强,焊性性能好、接触电阻低、可热压合性能好等。广泛应用于电子、仪器、航天等工业领域[1-6]。传统镀金工艺没有加入抗氧化剂使得镀层晶粒粗糙、光泽度差。针对传统镀金工艺中存在的问题进行分析总结和改进,研究出一种性能良好的抗氧化剂(产品代号RS-1212)有效的弥补了传统镀金工艺中存在的缺陷,具有重大意义。

2 实验

2.1 实验原料

镀金液,抗氧化剂等。

2.2 实验仪器

TE214S型电子天平,HH-WO型恒温水浴锅,DHG-9025A型恒温干燥箱,CQ-X5型测厚仪,53655型场发射扫描电子显微镜等。

2.3 实验方法

2.3.1 镀液情况
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2.3.2 镀层外观性能测试

镀层外观从表面的色泽、粗糙度和光亮度等方面考虑,目测镀层外观分为四个级别:光亮、半光亮、无光亮及粗糙。

2.3.3 镀液性能测定

1)整平能力

在试样中间画一条划痕,观察镀银层的平整度以判定镀液的整平能力。

2)覆盖能力

采用内孔法测量镀液的覆盖能力,实验采用d=10mm,l=100mm的黄铜管进行镀液的覆盖能力测试。

3)阴极电流效率

采用安时法测量阴极电流效率,根据通过的电量和阴极上沉积金的质量,利用法拉第定律计算阴极电流效率。

4)分散能力

采用霍尔槽测定镀液的分散能力,将试片按照标准Jk电镀15min后,把试片的镀层部分分为8等份,取各中间位置作为测量点,如图1(试片左侧为近阳极)。
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用测厚仪分别测量1-6格内中间位置的镀层厚度,按照以下公式计算镀液的分散能力T.P:

T.P=(§1/§j)×100%

式中:§1-1号方格中间位置的镀层厚度,μm;

§j-2-6号任一选定方格中间位置的镀层厚度,μm。

5)稳定性

对新配制的镀液、静置6个月的镀液和施镀56 A.h/L(根据金的消耗量及时补充金盐)的镀液进行对比。

3 结果与讨论

3.1 镀层性能

3.1.1 抗氧化剂对镀层外观的影响 

抗氧化剂浓度对镀层外观影响见表2。
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从表2中可以看出,当抗氧化剂不足时,镀层外观较差,镀层半光亮,抗氧化效果差,镀液稳定性差。随着抗氧化剂浓度的增加镀层质量明显改善,当抗氧化剂浓度为60ppm时,镀层结晶细致、光亮;当抗氧化剂浓度过高时,镀层高区易出现粗糙现象。因此,镀液中抗氧化剂浓度控制在60ppm左右为宜。

3.1.2 不同抗氧化剂浓度下镀层SEM图分析

抗氧化剂浓度为40ppm的镀层形貌如图a所示,抗氧化剂浓度为50ppm的镀层形貌如图b所示,抗氧化剂浓度为60ppm的镀层形貌如图c所示,抗氧化剂浓度为70ppm的镀层形貌如图d所示,抗氧化剂浓度为80ppm的镀层形貌如图e所示。

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从图a和图b中可以看出,当抗氧化剂添加量不足时,导致抗氧化效果差,镀层半光亮,晶粒粗大。从图c中可以看出,当抗氧化剂浓度为60ppm时,晶粒细小,光泽度好。 从图d和图e中可以看出,当抗氧化剂添加量过高时,导致镀层粗糙,晶粒粗大。

3.1.3 结合力性能测试

通常采用淬火法进行结合力测试,将样品放入烘箱加热到300℃,2h后,将样品取出放入冷水中,观察镀层是否存在起泡、脱落等现象。采用上述方法对基体和镀层结合力进行测定,测试结果表明镀金层不存在起泡、脱落现象,结合力好。

3.1.4 焊接性能测试

采用润湿时间法进行焊接性能测试,将8块一定规格的样品先浸以松香异丙醇焊剂,再浸入300℃的熔融焊料中,浸入时间分别控制1-5s,然后取出冷却,检查样品是否全部被润湿,最后以全部被润湿的试样的最短时间,镀层钎焊性在2s以内全部润湿为好,2s以外润湿的为差。采用上述方法进行测试,样品浸入1~2s基本上全部润湿,且锡层均匀,测试结果表明镀金层具有良好的焊接性能。

3.1.5 镀层耐蚀性测试

在直流和脉冲工艺条件下对样品进行耐蚀性测试,将样品镀金层在SO2中分别暴露15、17、19、21h,样品镀金层表面无明显腐蚀现象,测试结果说明镀金层耐蚀性良好。

3.2 镀液性能

3.2.1 镀液整平能力

镀前在样品中央划一条痕迹,实验发现镀后划痕消失,测试结果表明镀液的整平能力良好。

3.2.2 镀液覆盖能力

采用d=10mm,l=100mm的黄铜管测试镀液的覆盖能力。在Jk为0.4A/dm2,t=5min,电镀后切开铜管观察铜管内壁,均有金镀层,测试结果表明镀液的覆盖能力良好。

3.2.3 阴极电流效率

采用安时法测量ηk,测试结果如表3所示,当Jk=0.4A/dm2时,ηk为93.57%。
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1)沉积质量计算公式

M理论=MrIt/z26.8

式中:Mr-金属相对原子量;z-电子数;I-电流,A;t-反应时间,h;

2)阴极电流效率计算公式

ηk=(m实际/m理论)×100%

式中:ηk-电流效率,%;m实际-实际析出金质量,g;m理论-理论析出金质量,g;

3.2.4 镀液分散能力

通过霍尔槽法测定镀液的分散能力,测试结果平均为84.83%,如表4所示。
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3.2.5 稳定性

通过观察发现新配制的镀液是透明的,呈现微淡黄色,静置6个月后的镀液和施镀后镀液颜色与新配置的镀液无明显差别,无分解、沉淀等现象发生,测试结果说明镀液化学性质稳定。

3.3 镀金液中加入抗氧化剂与未加抗氧化剂电镀金性能及效果对比

加入抗氧化剂与未加抗氧化剂性能对比,如表5所示。
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加入抗氧化剂与未加抗氧化剂电镀金效果对比,如图3所示。

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                                      图3 加入抗氧化剂与未加抗氧化剂电镀金效果对比图

从a、b中可以看出镀金液中加入抗氧化剂使得后续电镀金结晶更细小,光泽度更好。

4 结论

镀液中加入抗氧化剂可以使得镀层晶粒细小,光泽度更好,防变色能力强,平整性好,结合力好;镀液极化变小,分散能力好,覆盖能力好,稳定性好。

参考文献:

[1]杨潇薇,安茂忠,冯慧峤,等.乙内酰脲无氰电镀金工艺[J].材料保护,201 l,44(10):45-47.

[2]冯慧峤,杨培霞,张锦秋,等.乙内酰脲无氰电镀金工艺的研究[q].2010中国重庆第七届表面工程技术学术论坛暨展览会论文集.

[3]Amutha K Shakkthivel P,Vasudevan T,Eleetrodeposition of Gold from Acidic Thiosulfate—Sulfite Bath Containing EDTA and Citric Acid as Complexing Agents[f].Elcctroplating and Finishing,2007,26(8):1-6.

[4]J-Liew M,Sobfi S,Roy S.Charaeterisafion of a Thiosulphate-Sulphite Gold Electrodeposition Process[J].ElectrochimicaActa,2005,51:877-881.

[5]He A,Liu Q,Ivey D G.Electroplating of Gold from a Solution Containing Tri-ammonium Citrate and Sodium Sulphite[J].J Mater Sci:Mater.Electron.2009,20:543.

[6]刘海萍,李宁,毕四富,等.无氰化学镀金技术的发展及展望[J].电镀与环保,2007,3:4-7.
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