金刚石化学镀镍工艺研究及电化学分析

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金刚石粉体具硬度高、热导率高、密度低、热膨胀系数与半导体相匹配等优点,已经成为新一代电子封装行业中重点研发的材料之一。然而金刚石与基体润湿性较差,表面能较高,结合力较弱,严重影响了金刚石在封装行业中的广泛应用。国内外研究者长期以来一直千方百计地采用各种手段对金刚石进行表面处理,以提高其与基体之间润湿性。表面处理行业中化学镀技术所占的地位在不断地提高,其在电子、机械、航空航天等各行各业中的应用越来越广泛,化学镀也叫无电解镀或自催化镀,其实质是一个氧化还原反应。本文主要介绍了用化学镀镍的方法对金刚石表面进行改性和不同工艺及参数对化学镀镍的影响。并用电化学方法研究了这些参数对阳极极化曲线的影响。本研究所使用的金刚石粉体粒径规格约为10um,首先要对金刚石粉体进行预处理,活化敏化是预处理的关键,本实验采用的是活化敏化(胶体钯)一步法,然后通过正交实验得出化学镀镍液的最佳配方为:NiSO4·6H2O25g/l,次亚磷酸钠30g/l,乳酸15ml/L,乙酸钠15g/l,硫脲20mg/l,温度为85oC,pH值为5.5。化学镀的影响因素有pH值,温度,装载量,主盐含量,次亚磷酸钠含量,络合剂含量和稳定剂含量等。本文着重研究了次亚磷酸钠含量,硫脲含量,pH值,温度变化对反应时间,增重比和镀层形貌的影响规律。通过研究,本文得到的主要结论有:(1)化学镀镍过程可以分为三个阶段,反应初期(形核孕育期)、反应中期(形核期)和反应后期,整个反应过程中,温度越高,反应速率越快,90℃时的增重比是70℃的时候的4倍。(2)当稳定剂硫脲在20mg/l时能有效抑制金属沉积速率,使镍镀层表面的镍泡减少。(3)次亚磷酸钠浓度的增加,以及温度和pH值的升高,都能缩短反应时间,提高金刚石增重比。(4)金刚石镀镍层的表面形貌受次亚磷酸钠浓度及pH值的影响较大。次亚磷酸钠浓度为20g/l时,镀镍层出现明显的漏镀现象;次亚磷酸钠浓度为30g/l时,镍层质量较好;浓度为35g/l时,金刚石镀镍层表面有大量的镍堆积,而且溶液中有游离的镍出现。当pH值为4时,镀镍层较薄而且有漏镀现象;pH值为6.5时,出现游离镍现象,表层有多余的镍沉积;pH值为5.5时,镀层包覆完整致密均匀。(5)镀覆时间对镀层厚度的影响也很明显,镀覆5分钟时,镀层较薄,不能对金刚石完整包覆;时间超过30分钟时,镀层较厚,而且表层有镍泡产生。因此选择最佳的施镀时间为15~25分钟之间。(6)预处理、搅拌速率、装载量以及杂质对金刚石化学镀镍也有一定的的影响。(7)次亚磷酸钠阳极极化曲线的测定中,随着pH值和温度的升高,阳极极化曲线峰电流密度增大,说明较高的pH值和温度增强了次亚磷酸钠的还原能力;随着次亚磷酸钠浓度的增加,峰电位右移,峰电流密度增大,说明次亚磷酸钠浓度越高,还原能力越强;加入适量的硫脲后,阳极极化曲线峰电流密度降低,说明硫脲对镀液起稳定的作用。
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