零添加剂极低硫酸铜浓度制备高力学性能电铸铜层方法技术

本发明专利技术公开一种零添加剂极低硫酸铜浓度制备高力学性能电铸铜层方法。本方法在不使用任何添加剂的情况下，利用极低铜浓度和高酸浓度提高阴极极化和溶液分散能力，在极低铜浓度区域获得一个能制备优越综合力学性能电铸铜层的铜浓度区间。利用安装有阳极的冲液夹具提高阴极极限电流密度，通过增加阴极电流密度进一步提高阴极极化，得到晶粒组织细致均匀的电铸铜层。经本发明专利技术制得的电铸铜层的最高抗拉强度可达526MPa，同时该铜层的延伸率为30%；经本发明专利技术制得的电铸铜层的最高延伸率可达43%，同时该铜层的抗拉强度为216MPa。具有高强度与高延伸率的电铸铜大大提高器件的可靠性和使用寿命。

Method for preparing high performance copper electroforming layer with zero additive extremely low copper sulfate concentration

The invention discloses a method for preparing a high performance copper electroforming layer with a low copper sulfate concentration of zero additive. This method without using any additives, with very low concentration and high acid concentration increase the cathodic polarization and solution dispersion ability, obtain a copper concentration range of preparation of superior mechanical properties of electroformed copper layer at low copper concentration region. The cathode current density can be increased by using a liquid flushing fixture with an anode, and the cathode polarization can be further improved by increasing the cathode current density. The 526MPa is the highest tensile strength of copper electroforming layer prepared by the invention, the extension of the copper layer rate was 30%; the highest elongation of electroformed copper layer prepared by the invention of the rate of up to 43%, while the tensile strength of the copper layer is 216MPa. With high strength and high elongation of copper electroforming greatly improve the reliability and service life of the device.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及了一种电铸铜层方法，更确切的说，利用零添加剂的酸性硫酸盐溶液制备具综合力学性能较好的电铸铜层，属电铸加工领域。
技术介绍
电铸技术是一种精密特种加工方法，其具有极高的复制精度和重复精度，尤其是能准确复制出芯模的表面形貌，容易得到零件的多层结构,用以制造传统加工技术难以制造或制造成本很高的各种精密、异型、复杂、微细金属零部件。电铸铜由于具有纯度高、晶粒细化、优良的导电性和导热性及延展性，在航空、军工产品、仪器仪表、塑料、精密机械、模具制造、电子工业及纳米材料制备等方面获得广泛应用。铜的力学性能与铜的使用寿命息息相关，高的力学性能能大大提高零件的使用寿命。常规的电铸铜采用酸性硫酸盐溶液，硫酸铜的浓度为200-240g/L,抗拉强度在200MPa左右，延伸率在20%左右。一般情况下，强度随着硫酸铜浓度的提高而下降，延伸率趋势则相反。为了提高电铸铜的力学性能，利用辅助手段辅助电沉积是一种常用的工艺方法，其中超声波辅助电沉积是常用的工艺方法。研究表明超声波辅助电沉积制备的电铸铜层的抗拉强度大大提高，但是延伸率却降低。在电铸液中添加微量的添加剂是另一种常用的工艺方法，利用整平剂、光亮剂等来消除针孔，提高阴极极化，细化电铸层晶粒，使沉积层光滑平整，改善电铸层的力学性能。研究表明，在酸性硫酸盐电铸铜溶液中加入一种HM的添加剂，制得的电铸铜层在没有经过热处理时，抗拉强度为214MPa,延伸率为52%。但是电铸层需要很厚时，在长时间的电铸过程中许多添加剂会有明显消耗，电铸液成分发生变化，从而影响电铸层的质量，电铸液的维护非常困难。综上基于电铸铜工艺的不足之处，本专利技术探索出一种零添加剂极低铜浓度酸性硫酸盐制备高力学性能电铸铜层的工艺方法，电铸液成分简单，不易消耗，在长时间的电铸过程中容易维护。
技术实现思路
为了满足使用要求，在利用传统电铸工艺制备具有高力学性能的电铸铜层时，往往不可避免地使用含有添加剂的电铸液，但是由于添加剂含量很少且在电铸过程中被不断消耗，电铸液维护非常困难。本专利技术针对该现状，提出一种能显著提高电铸铜层力学性能的电铸工艺。且本专利技术使用的电铸液不含添加剂，易于维护。第一种方案：一种零添加剂极低硫酸铜浓度制备高力学性能电铸铜层方法，其特征在于包括以下过程：直流电源正、负极分别与阳极、工件相连；在电铸过程中工件保持运动；调节电铸电流密度为0.1-0.5A/dm2，调节电铸液温度为28-32℃，电铸液由硫酸铜、硫酸和去离子水混合而成，其中硫酸铜浓度为20-60g/L，硫酸浓度为168-172g/L；所述的工件运动包括工件平动、转动、或转动与平动的复合运动。第二种方案：一种零添加剂极低硫酸铜浓度制备高力学性能电铸铜层方法，其特征在于包括以下过程：直流电源正、负极分别与阳极、工件相连；在电铸过程中工件保持运动；调节电铸液温度为28-32℃，电铸液由硫酸铜、硫酸和去离子水混合而成，其中硫酸铜浓度为20-60g/L，硫酸浓度为168-172g/L；所述的阳极安装于冲液夹具中，其末端与冲液夹具末端齐平，冲液夹具正对工件沉积面，冲液夹具末端距离工件加工面5-20mm，调节冲液速度为0.5-1m/s,调电铸电流密度1-4A/dm2；所述的工件运动包括工件平动、转动等具有搅拌溶液功效的运动；根据工件形状以及其运动方式，冲液夹具采取静止或相应运动，始终使得冲液夹具与所述工件相对距离保持不变。所述的阳极材料为含磷量为0.06%的磷铜，阳极用涤纶阳极袋包裹两层。本专利技术的零添加剂极低铜浓度酸性硫酸盐可制备出综合力学性能优越的电铸铜层：1.传统酸性硫酸盐电铸铜选用高铜浓度（200-240g/L）与大电铸工作电流密度（1-3A/dm2），加工效率高，但电铸铜综合力学性能低，稳定性差。在第一种方案中，本专利技术探究的极低铜浓度酸性硫酸盐的超低铜浓度和高酸浓度提高阴极极化与电铸液的分散能力，细化晶粒，优化组织结构，得到晶粒细致均匀的电铸铜，且本专利技术在极低铜浓度区域获得一个能制备优越综合力学性能电铸铜层的铜浓度区间：30-60g/L。高硫酸浓度（大于150g/L）在电铸液中用来减小溶液电阻，提高溶液分散能力，获得组织均匀的电铸铜层。本专利技术使用的硫酸浓度区间为168-172g/L，硫酸浓度在这个区间波动时，对溶液性能不会产生明显影响，电铸铜组织不会发生明显变化。理论上电铸工作电流密度大于0时即可，但综合考虑极限电流密度与电铸速率等影响，实际选取0.5A/dm2作为电铸工作电流密度。酸性硫酸盐电铸铜电铸液的适合温度区间为28-32℃，在实际实验中可选取28-32℃区间的某一温度值，对实验结果不会产生明显影响。本专利技术探索出的低铜浓度区间制备的电铸铜抗拉强度区间：210-256MPa，延伸率区间：31%-43%。2.在第二种方案中本专利技术在同等甚至低于上述第一种方案中的低铜浓度区间时，使用安装有阳极的冲液夹具冲液时，加速离子迁移速率，可大大提高电铸工作电流密度(1-4A/dm2),进一步提高阴极极化与电铸液的分散能力，得到晶粒更加细致均匀的电铸铜层，综合力学性能优越。冲液夹具的出水口正对工件沉积面，电铸液沿工件法向流向沉积表面。阳极安装于冲液夹具中电铸液的流道中，阳极末端与冲液夹具中电铸液流道末端齐平。理论上，为了便于定位与安装，冲液夹具电铸液流道末端与工件加工面的距离应为一个区间，考虑到为了使得沉积区域离子及时补充，电铸阴阳极间距通常选用5-20mm，因此本专利技术选取的冲液夹具电铸液流道末端与工件加工面的距离区间为5-20mm。第二种方案电铸铜层性能提高的同时，较大提高了电铸速率。本专利技术的电铸铜的抗拉强度区间：271-526MPa，延伸率区间：24%-34%。附图说明图1是本专利技术使用的第一种电铸铜方案的电铸单元示意图；图2是本专利技术使用的第二种电铸铜方案的电铸单元示意图；图3是本专利技术电流密度为0.5A/dm2，电铸铜层力学性能随硫酸铜浓度变示意图；图4是本专利技术实施例2制备制备的最高延伸率43%，同时抗拉强度为216MPa的电铸铜层的拉伸曲线;图5是本专利技术实施例4制备制备的最高抗拉强度为526MPa,同时延伸率为30%的电铸铜层的拉伸曲线;图1的标号名称是：1、直流电源，2阳极，3、工件，4电铸槽，5、导电环，6、驱动电机，7、冲液夹具。具体实施方式实施例1用去离子水配制电铸液，硫酸铜与硫酸的浓度分别为20g/L和170g/L阳极2使用磷铜平板，工件3为不锈钢芯模，在电铸之前，阳极2与工件3使用用酒精超声清洗，再用去离子水冲洗，得到干净的阳极2与工件3。阳极2用涤纶阳极袋包裹两层，阻止阳极泥渗出影响电铸层质量；阳极2与工件3放置到电铸槽4中，工件3在电铸槽4的中保持转动，加速离子迁移，减小浓差极化。电铸过程使用直流电源1，阴极电流密度为0.5A/dm2，制备出厚度为0.5mm的电铸铜层，得到的电铸铜层的抗拉强度为256MPa,延伸率为31%。实施例2用去离子水配制电铸液，硫酸铜与硫酸的浓度分别为50g/L和170g/L阳极2使用磷铜平板，工件3为不锈钢芯模，在电铸之前，阳极2与工件3使用用酒精超声清洗，再用去离子水冲洗，得到干净的阳极2与工件3。阳极2用涤纶阳极袋包裹两层，阻止阳极泥渗出影响电铸层质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种零添加剂极低硫酸铜浓度制备高力学性能电铸铜层方法，其特征在于包括以下过程：直流电源（1）正、负极分别与阳极（2）、工件（3）相连；在电铸过程中工件（3）保持运动；调节电铸电流密度为0.1‑0.5A/dm2，调节电铸液温度为28‑32℃，电铸液由硫酸铜、硫酸和去离子水混合而成，其中硫酸铜浓度为30‑60g/ L，硫酸浓度为168‑172g/L；所述的工件运动包括工件平动、转动、或转动与平动的复合运动。

【技术特征摘要】
1.一种零添加剂极低硫酸铜浓度制备高力学性能电铸铜层方法，其特征在于包括以下过程：直流电源（1）正、负极分别与阳极（2）、工件（3）相连；在电铸过程中工件（3）保持运动；调节电铸电流密度为0.1-0.5A/dm2，调节电铸液温度为28-32℃，电铸液由硫酸铜、硫酸和去离子水混合而成，其中硫酸铜浓度为30-60g/L，硫酸浓度为168-172g/L；所述的工件运动包括工件平动、转动、或转动与平动的复合运动。2.一种零添加剂极低硫酸铜浓度制备高力学性能电铸铜层方法，其特征在于包括以下过程：直流电源（1）正、负极分别于阳极（2）、工件（3）相连；在电铸过程中工件（3）保持运动；调节电铸液温度为28-32℃，电铸液由硫酸铜、硫酸和去离子水混合而成，其中硫酸铜浓度为20-6...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱增伟，沈春健，朱荻，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32