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Cl- 对铜在压延铜箔上的电结晶行为及其组织形貌的影响①

更新时间:2009-03-28

电子级压延铜箔是制备柔性印制电路板(FPC)的关键性材料[1]。对压延铜箔的表面进行粗化处理(又称“红化”处理)可以有效提高铜箔与绝缘基板材料的粘结强度,消除处理层与毛箔分离的现象,达到同时保持压延铜箔所具有的高致密性、低粗糙度和抗挠曲性等优异性能的目的,是压延铜箔表面处理的关键技术。

压延铜箔的“红化”处理借鉴早期电解铜箔表面“红化”处理方法,通常采用硫酸盐镀液体系。目前,采用硫酸盐类的酸性镀液的基本成分为硫酸铜(CuSO4)和少许硫酸(H2SO4[2],镀液中还常加入一些粗化剂,诸如氧化砷、硫酸钛,钨酸钠等[3-4]。 镀液的组成与电镀工艺条件决定了镀层的组织形态,进而影响到表面处理后箔材性能的优劣。郑衍年[5]探讨了电解铜箔表面处理工艺与结晶形态之间的关系,通过粗化处理,在铜箔表面产生结合牢固的瘤体镀层组织;辜敏等人[6]研究结果表明:氯离子的引入能有效提高铜的成核速率,影响沉积速度;许家园[7]、刘烈炜[8]与张震[9]等分别研究了氯离子与添加剂对酸性镀铜电沉积过程的影响,探讨了含添加剂酸性镀铜液中 Cl离子的作用机理;DarkoGrujicic[10]的研究发现,镀液pH值影响结晶形核机制。Gabrielli[11]研究了氯离子对由硫酸盐镀液中铜沉积机理的影响。国内外报道的相关工作都是在玻碳电极或电解铜箔上获得的,且国外的关键技术更多是以专利[12-14]形式呈现。由于要求和特点不同,压延铜箔“红化”处理不能简单地照搬电解铜箔表面处理工艺,而相关的工作鲜有报道[15]。因此,有必要针对压延铜箔应用的特点开展相关研究。

总之,通过对戴望舒诗歌中青色内涵的探寻,我们可以将戴望舒的一生串联起来,可以洞见他将自己的喜怒哀乐、悲欢离合都寄托在了青色这一色彩中。因此,青色既记录了他曲折坎坷的人生,最终也成为了他的人生底色。

本文着重研究在不同偏压和氯离子浓度下,铜在压延铜箔上的电结晶行为,尤其是初期形核行为的影响,以及对压延铜箔镀铜层组织形貌的影响,为今后压延铜箔表面处理工业化提供有益参考。

2015年7月起,两年时间内,检察机关提起公益诉讼制度改革从试点到全面推开,一条具有中国特色的公益司法保护道路渐次清晰。改革优化丰富了检察职能,维护了群众切身利益和社会公共利益,是监督制约行政机关依法行政、推进法治国家建设的重大举措。

1 实 验

实验试剂CuSO4、H2SO4、CuCl2均为分析纯试剂,加入蒸馏水配制成 20 g/L CuSO4+70 g/L H2SO4酸性镀液,Cl以CuCl2形式加入。利用三电极体系,即以压延铜箔(退火态)作工作电极,饱和甘汞电极作参比电极,铂片作辅助电极,在CHI660C电化学工作站上进行铜电沉积的电化学相关测试。实验时先用无水乙醇浸泡压延铜箔,去除工作电极表面上可能的油污,然后再用蒸馏水反复冲洗;将铜箔放置在10%硫酸中浸渍,随后用蒸馏水冲洗干净,待测。电化学试验时先测试了酸性镀液与Cl浓度60 mg/L的酸性镀液,在0.03、0.05和0.07 mV/s不同扫描速率下的循环伏安(CV)曲线,然后采用计时安培(CA)分别在-0.13、-0.17、-0.2、-0.3、-0.4 和-0.6 VSCE等不同电位下测试了 Cl浓度分别为 0、10、20、40 和 60 mg/L 的硫酸盐镀液中铜的电结晶沉积I⁃t曲线。据此分析铜结晶形核⁃生长的初期过程以及Cl浓度对此过程产生的影响。

在酸性镀液(20 g/L CuSO4+70 g/L H2SO4)体系中添加 Cl(浓度分别为 0、10、20、40 或 60 mg/L),并分别在负电位(-0.13、-0.3、-0.4 或-0.6 VSCE)下,通过CHI660C电化学工作站,利用计时安培方法,在压延铜箔基体上电镀10 min,制备出用于观察镀层组织形貌的样品,借助Quanta-200扫描电镜仔细观察和分析不同沉积条件下压延铜箔表面铜结晶沉积的组织形貌特征。

2 结果和讨论

2.1 循环伏安测试

由图1还可以看到,电位反向扫描时,在-0.4 VSCE附近出现一个还原电流峰,此峰应该对应于氢的还原反应。在随后的-0.8~-0.5 VSCE之间还出现了一个后置平台或小峰(如箭头所示)。辜敏[6]在研究铜在玻碳电极上沉积的阴极过程中也报道过这样的现象。但添加Cl后,峰电流明显增加,这反映了Cl的存在有可能对铜的电结晶还原产生一定影响。

鲜切果蔬(fresh-cut fruits and vegetables)又名半处理果蔬或轻度加工果蔬(minimally processed fruits and vegetables),是对新鲜果蔬进行分级、整理、清洗、切分、去心(核)、修整、保鲜、包装等处理,并使产品保持生鲜状态的制品[21]。随着生活水平的提高,鲜切果蔬以其新鲜、方便、营养、无公害等特点,倍受消费者喜爱[22]。

对图4曲线数据进行处理,结果如表1所示。

  

图1 Cl对循环伏安曲线的影响

有无Cl存在时压延铜箔表面上铜沉积的循环伏安曲线如图1所示。从图1可以看出,随着电位向负方向移动,当电位约处于0 VSCE时,即开始出现还原电流,并随着电位不断负移,电流缓慢增大,当电位负移至-0.8~-0.7 VSCE左右时还原电流显著增加;从循环伏安曲线上看,添加 Cl后,在-0.8~-0.7 VSCE,铜的还原电流稍有增加,说明Cl的存在能在一定程度上促进铜的沉积过程。

含60 mg/L Cl镀液在不同扫描速度下的循环伏安曲线如图2所示。从图2可以看到,还原峰电流、峰电位响应会受到扫描速率的影响。随着扫描速度增加,峰电流逐渐增加,峰位略有负移。

  

图2 不同扫描速度下的循环伏安曲线

镀液中添加Cl后,铜的沉积电位基本不变,说明Cl对铜初始结晶沉积的影响很小;同时可以发现,Cl的加入,使得阴极峰变得尖锐,峰电流增加;这是由于Cl的外层电子轨道容易变形,导致其容易附着在阴极表面,从而使表面电位更负,对Cu的吸引力增加,起氯桥作用,促进铜的电沉积。当电位向正方向扫描(>0 VSCE)时,铜将会失去电子变为 Cu2+溶解,在本实验中未能观察到循环伏安曲线的氧化过程的峰电流,即在压延铜箔上铜的阳极溶解过程没有出现明显的电流峰,而是单调增加,这应与本实验采用压延铜箔作为工作电极有关,即基体铜也参与氧化溶解反应,掩盖了铜分步溶出的阳极过程。

2.2 计时安培测试

测试了不同 Cl浓度(0~ 60 mg/L)、不同电位(-0.6~-0.13 VSCE)条件下的计时安培曲线,通过对实验数据结果处理,可绘制出不同Cl浓度下在压延铜箔上进行电沉积结晶的弛豫时间(tm)和电位(E)数据分布,如图3所示。

  

图3 不同电位下Cl浓度对弛豫时间的影响

本次交通要素的更新方式采用直接提取2017版1∶50 000 DLG数据的交通要素进行综合处理。道路的选取应按道路等级从高到低进行选取,高速、国道、省道、县道均应选取。并参照国家下发1∶250 000 DLG数据的路网密度对乡道以下道路进行适当选取,优先选取通往行政村的,保持道路构网密度与更新前一致,注意道路与河流等其他要素的相互关系,并且注意道路属性的连通性。对于新增的道路(国家下发1∶250 000 DLG数据中没有的),其选取也是根据道路的等级、道路的连通性来选取。已选取的道路有道路附属设施的且道路附属设施达到上图指标的均应选取,并注意协调道路与其附属设施之间的相互关系。

较低偏压下(-0.3~ -0.1 VSCE),Cl表现为明显的促进形核作用,应是由于较低偏压形核动力不足,Cl的加入在工作电极表面构成氯桥,增大了对溶液中Cu2+的吸引力,有效促进形核的发生。电位在-0.4 VSCE时,Cl的加入反而使得形核弛豫时间tm大于不添加Cl的体系,这是由于偏压(即过电位)的增加,形核动力已经满足铜沉积的要求,这时不添加Cl的情况下,形核已经比较迅速。而根据许家园[7]的研究,Cl的加入能降低Cu2+还原为Cu的活化能,使得溶液中 Cu增多,进而易于生成CuCl。CuCl是一种惰性不溶性物质,与随之生成的Cu一同沉积在电极表面,从而降低其电化学活性,阻碍 Cu2+形核。 -0.6 VSCE下,过电位很大,Cu2+的沉积速度很快,更多的Cu2+迅速在阴极还原沉积为Cu,分步还原(Cu2+→ Cu→ Cu)过程比例减小,CuCl的阻碍作用不能主导反应的快慢,所以在较大负偏压下表现为CuCl的阻碍作用弱化。值得注意的是添加 60 mg/L Cl时,在较低偏压(-0.3~-0.1 VSCE)下形核促进作用明显弱于其他浓度,这也应与CuCl有关,因为添加Cl浓度较高,大量Cl富集于电极表面,与由于氯桥的吸引作用靠近的Cu2+发生一系列反应生成CuCl,一定程度上阻碍了铜的沉积。

将图3中Cl浓度为0 mg/L 和60 mg/L 时的计时安培I⁃t曲线绘制成图,如图4所示。从图4可以看出,无论体系中是否添加氯离子,随着电位负移,偏压增大,曲线的峰值电流(Im)逐渐增大,峰位也逐渐左移,即达到峰值电流所需的电结晶形核弛豫时间(tm)越短。这是由于偏压增加实际上对应着过电位的增大,铜结晶驱动力增加,有利于铜的电结晶形核、长大。

对比图4(a)和图4(b)还可以发现,添加60 mg/L Cl后,峰电流Im有所增加,同时形核弛豫时间tm略有减小,这说明在镀液中加入Cl有助于铜的电结晶过程。

  

图4 偏压对计时安培I-t曲线的影响

 

(a) Cl浓度 0 mg/L; (b) Cl浓度 60 mg/L

治疗后,观察组6例患者发生并发症,发生率为21.43%;对照组14例患者发生并发症,发生率为46.67%;观察组并发症发生率明显低于对照组,差异有统计学意义(χ2=14.185,P <0.05)。

一是美味猕猴桃嫁接对萼猕猴桃雄性营养系,亲合力最好,成活率可以达到80%以上,而且嫁接出来的树长势良好,不会出现“小脚”,也没有发现溃疡病感染。嫁接的苗木生产出来的果实口感好,不影响品质。张清明认为,对萼猕猴桃的雄性优系有望成为猕猴桃嫁接砧木首选。由此可以初步确定,美味猕猴桃选用水杨桃嫁接时,应选择水杨桃里边的雄性营养系,并采用高位嫁接法建园(克服“小脚”现象)。

 

表1 不同Cl浓度镀液体系下压延铜箔电沉积结晶实验结果

  

Cl浓度/(mg·L-1E Im Im2tm/VSCE tm/s /mA /(×10-5A2·s)-0.13 30.9 0.358 3 0.396 7 0-0.17 29.7 0.390 6 0.453 6-0.20 25.0 0.462 0 0.533 6-0.30 24.2 0.527 0 0.699 9-0.13 23.6 0.524 0 0.648 0 60 -0.17 21.9 0.588 0 0.757 2-0.20 21.8 0.604 0 0.795 3-0.30 21.0 0.676 0 1.005 0

由表1可知,Cl浓度为60 mg/L时,峰电流 Im有所增加,同时形核弛豫时间tm有减小的趋势。

[3]黄永发,王 平,唐云志,等.一种新型电解铜箔无砷粗化工艺研究[J].有色金属科学与工程, 2012(2):1-4.

  

图5 Cl浓度对无因次(I/Im2-t/tm 曲线的影响

 

(a) Cl浓度 0 mg/L; (b) Cl浓度 60 mg/L 1——三维SH瞬时;2——三维SH连续;3——二维 BFT 瞬时; 4——二维 BFT 连续

从图5可以看出,在压延铜箔上铜电结晶沉积形核介于BFT⁃瞬时成核与BFT⁃连续成核模型之间,但相比之下,更倾向于BFT⁃连续成核模型,随着偏压逐渐增加,实验数据也逐渐靠近BFT⁃连续成核模型。Cl浓度60 mg/L时,有着相同的规律,且随着电位负移,偏压增大,实验数据曲线与BFT⁃连续成核模型曲线愈发吻合,由此可以推断,添加Cl没有改变铜沉积形核电结晶的基本过程,即Cl的加入几乎不影响铜的电结晶形核⁃长大模式。同时实验结果表明铜的沉积形核按BFT⁃连续模型,即连续成核和二维生长方式进行。值得注意的是,这与文献[6]报道的铜沉积形核按瞬时成核和三维生长方式进行不一致,这应与文献[6]在实验中采用的工作电极为玻碳电极有关。

2.3 扫描电镜观察

在试验中通过CHI660C电化学工作站利用计时安培方法,在压延铜箔上施镀10 min电镀,然后借助Quanta-200扫描电镜观察沉积层的组织形貌,如表2所示。 从表 2可以看到,Cl浓度为 0 mg/L、电位为-0.13 VSCE时,镀层组织大体呈现为层状;由于偏压较小,铜的沉积层只是薄薄铺覆于铜箔表面,还可以隐约看出压延铜箔表面轧制方向痕迹以及轧制对镀层形态的影响。电位为-0.3 VSCE时,镀层组织形貌总体变化不大,但仔细观察可以看到镀层部分区域出现颗粒块状;当电位为-0.4 VSCE时,镀层组织变化较明显,呈现明显不规则的颗粒块状,有少量铜结晶颗粒尺寸较粗大、且择优生长的无规颗粒块状;此时,镀层粗糙度增大,凸凹明显。当偏压达-0.6 VSCE时,粗大颗粒增多,铜结晶颗粒尺寸明显增大,同时颗粒块状棱角消弱,转呈现为瘤状,镀层粗糙度进一步增大。

Cl浓度为 10 mg/L 时,在低偏压-0.13 VSCE时,镀层组织形貌与前者不含Cl的差别不大,,但随着Cl浓度增加,镀层组织向脊柱状形貌转变,随着偏压增加,晶粒形貌与不添加Cl时有明显区别。但是当偏压逐渐增加,铜沉积形貌由瘤状变为长条状,且随着Cl浓度增加,颗粒有明显变大。特别值得注意的是,当电位达到-0.4 VSCE时,沉积形貌呈现出明显的枝晶生长趋势,这一趋势在-0.6 VSCE的照片中得到证实。但是当Cl浓度达到60 mg/L时,晶粒的大小比 Cl浓度 20 mg/L、40 mg/L 时要小一些。

SEM照片里出现了一个特殊现象:在偏压很大,即过电位很高的情况下(-0.6 VSCE),添加 Cl会使得铜沉积形貌呈现枝晶状,而不添加Cl时则恒为瘤状。这应与镀液中离子分布有关:由于Cu2+受阴极表面电子和Cl氯桥效应吸引的同时,又受到溶液中Cl的反向影响,从而导致Cu2+在双电层中分布不均匀,与阴极基体之间的距离也不尽相同,从而使得位置有利的Cu2+优先还原,沉积形核驱动力大,长大得也快,而距离阴极基体远的铜离子还原过程受到阻碍,从而导致枝晶形貌的出现。

 

表2 不同条件下电镀沉积铜的组织形貌

  

Cl浓度电位/VSCE/(mg·L-1) -0.13 -0.3 -0.4 -0.6

3 结 论

[1]邢卫国.压延铜箔表面处理技术新进展[J].世界有色金属,2012(9):34-36.

2) 加入 Cl,在较小偏压(-0.3~-0.1 VSCE)下,缩短铜结晶初期的形核弛豫时间,提高阴极还原电流;在较高的偏压(-0.6~-0.4 VSCE)下,Cl则阻碍铜的结晶沉积。铜在压延铜箔上沉积结晶的形核方式趋近BFT⁃连续成核模型,加入Cl没有改变铜在压延铜箔表面上电结晶的形核⁃长大模式。

3)偏压较小时,镀层组织大体呈现为层状;随着偏压增加,镀层的组织形貌有明显变化,在较大偏压下镀层逐渐出现颗粒块状组织。但Cl存在时,在较大的偏压(-0.6 VSCE)下,镀层则形成枝晶状组织。

参考文献:

目前人们的收入水平大大提升,而且稳定的经济环境也让很多家庭的积蓄得到大大地增加,所以年轻人的生活费用也因此得以增多。但是多数人不仅没有站在更加有利的物质环境下,实施正确、客观的经济行为,反而在很多不合理因素的影响下,做出许多不合理的消费行为。既造成了零花钱的浪费,久而久之也形成了不正确的消费心理。因此,现代年轻人作为我国未来的接班人,更要有正确的消费理念,并且具备合理、健康的消费方式,从而实现身心的健康成长。从经济影响角度看,年轻人自身的消费心理状况也对社会消费风气产生了一定影响,所以其自身要对不健康的消费心理加深认识,积极实行绿色消费模式。

1)在压延铜箔表面上铜电沉积结晶大致呈2个阶段,当电位小于0 VSCE时即出现小电流的还原反应,当电位负移至-0.8~-0.7 VSCE左右时,还原反应速度明显加剧。加入Cl对这2个阶段没有太大影响,铜的沉积起始电位也大致不变。

[2]徐树民,杨祥魁,刘建广.挠性印刷电路板用超低轮廓铜箔的表面处理工艺[J].电镀与涂饰, 2011,30(7):28-33.

对图4曲线数据进行处理所得的无因次曲线如图5所示。

[4]赵原森,杜三明.电解铜箔无砷粗化处理工艺改进探讨[J].河南冶金, 2014,22(2):23-25.

由图3可以看到,在较小的偏压下,Cl对铜结晶形核有促进作用,并且Cl浓度较低时,其促进作用更为明显。电位在-0.4 VSCE以上时,添加Cl却增大了铜的结晶弛豫时间,即镀液中含有Cl会对铜的结晶形核起到阻碍作用。随着电位由-0.4 VSCE继续负移,铜结晶的形核弛豫时间在不同Cl浓度下均进一步减小,但在不同Cl浓度下所表现的铜结晶形核弛豫时间均高于不添加Cl的情况,即在较大偏压下,Cl对结晶形核起阻碍作用。

[5]郑衍年.电解铜箔表面处理工艺与结晶形态[J].印制电路信息,2004(10):15-17.

According to Eq.(10),the total kinetic energy of the system is

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[9]张 震,黄家龙.添加剂甲基紫⁃Cl作用下铜的快速电结晶过程[J].中国有色金属学报, 2013,23(6):1723-1731.

学习化学若离开了实验,就成了无源之水、无本之木、纸上谈兵。作为教师要研究教材、研究实验、设计好化学实验,充分挖掘实验在教学中的作用。在化学课堂教学中对实验进行增趣、补充、对比、探究等多方面的拓展,甚至对静态的习题进行动态的实验拓展,以激发学生的学习兴趣,启发学生的思维,培养学生的探究能力、思维能力和创新能力,从而提升学生的化学学科素养。

[10]DarkoGrujicic, BatricPesic.Electrodeposition of copper: the nucleation mechanisms[J].Electrochimica Acta, 2002,47(18):2901-2912.

患者服用酒石酸美托洛尔后进行计时,一直到检查结束,这段时间是检查需要的耗费时间。检查前对患者的静息血压和心率进行测量,作为基础血压和心率,对患者的服用药物剂量进行统计。

[11]Gabrielli C, Mocoteguy P, Perrot H, et al.Mechanism of copper deposition in a sulphate bath containing chlorides[J].Journal of Electroanalytical Chemistry, 2004,572:367-375.

完善的制度是一切工作的前提,要想更好的运用管理会计,就必须制定合理完善的管理制度。只有这样才能规范管理会计的在工作中的行为,避免出现弄虚作假的情况,对于工作优秀的人员要奖励,而对于弄虚作假损害公司利益的人员也要有相应的惩罚,这样才能规范其行为,提高管理会计人员的整体工作效率。

[12]蓧崎健作.用于高频率的铜箔及其制造方法:中国,1530469A[P].2004-09-22.

[13]齋藤貴広,松本貞雄,鈴木裕二.表面処理電解銅箔及びその製造方法、並びに回路基板:JP,特開2008-13847[P].2008-01-24.

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朱思哲,谭澄宇,刘晨,王芝秀
《矿冶工程》 2018年第02期
《矿冶工程》2018年第02期文献

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