不同磁场方向作用下电沉积工艺参数对镀镍层性能影响

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电沉积工艺是制备薄膜的重要方法之-，随着微电子技术的发展，人们对薄膜材料的结构和性能提出了越来越高的要求，为了获取更加细密、物理化学性能良好的镀层，将超声搅拌取代原有的机械搅拌引入到电沉积工艺中，取得了良好的效果 ↑20年来，磁场已经在材料制备技术中占据了相当重要的地位 ，将磁场引入到电沉积中，利用其与电尝金属离子的交互作用，将会对电沉积过程中的传质日、表面转化nq、镀液物理化学性质 几个环节产生影响，改善电沉积环境，为获得良好性能的沉积件提供了良好的前提条件。在磁撤境下电沉积镍薄膜，通过两组正交实验，分别探讨了磁场作用下磁场方向、电流密度、超声功率、占空比对镀层晶粒尺寸和显微硬度的影响、磁场方向和大小对镀层表面形貌的影响作用，并分析可能的内在机理，确定在磁撤境下制备晶粒尺寸较孝硬度较高、表面形貌良好镀镍层的最佳工艺参数。

2实验2.1实验试剂及设备电沉积实验镀液的基本成分为：氨基磺酸镍420g/L，氯化镍15g/L，硼酸 35g几，糖精 2g/L，十二烷基硫酸钠 0.05·g/L，镀液用去离子水配置。实验设备，如图 1所示。电铸电源采用 HP-MCC25型号智能多功能多脉冲电镀电源，超声波发生器为 zjs-1000-500型，磁场发生器采用 EMP-7稳恒电磁铁。

71.脉冲电源 2.超声发生器 3.磁场发生设备 4.过滤器5微型水泵 6.电铸液 7.水域加热器 8阴极 9.阳极图 1电沉积反应装置示意图Fig.1 Schematic Diagram of Electrodeposition Reaction2.2实验材料及制备过程电沉积选用的阴极材料为单面覆铜板，在电沉积实验开始之前，来稿日期：2012-09-14基金项目：国家自然科学基金项目(50975034)；辽宁势技计划项 目(2010223006)作者简介：苗 斌，(1988-)，男，江苏徐州人，硕士，主要研究方向：电化学加工与应用；吴蒙华，(1963-)，男，广东潮阳市人，教授，博士生导师，主要研究方向：电化学加工技术第7期 苗 斌等：不同磁场方向作用下电沉积工艺参数对镀镍层性能影响 145需对覆铜板进，f滁 油、化学抛光、活化自敢b理，阴阳极面积比为 1：2，极板之间的距离为30ram，镀液温度设定为50%，pH值为4l，电流密度为 l-3Mdm2，磁场磁感应强度为(02-0.6汀，超声功率设定为(180-3oo)w，占空I：t(10-30)%，施 疫时间4h。 中，确 向 ：另 没定为与电场方向垂直和平行，电沉积后将镀件取出，水洗干燥。

2.3镀层表征测试采用 S-4800扫描电镜进行表面形貌测试，采用 TH763数字显微硬度仪进行镀层显微硬度测试，分析结果表明，当压痕深度小于等于膜厚的1/10时，基体材料的影响可以忽略 彻。采用Image Tool软件测量镀层的平均晶粒尺寸。

3正交试验3.1正交试验设计正交试验是-种针对多因子实验问题的简单有效的优化方法 ，通过该方法可以简单、有效地选取出对电沉积影响较大的工艺参数。选取脉冲电流密度、脉冲占空比、超声功率、磁感强度作为正交试验的主要因素，硬度是衡量镀层好坏的重要指标，它决定着镀层各方面的物理化学性能，是电沉积中非常重要的质量控制因素，因此在本组正交实验中，选取镀层显微硬度作为判断指标。正交试验方案，如表 l所示。

表 1正交实验设计方案Tab.1 Th e Experimental Data of theOrthogonal Experiment实验号磁感应强度(T)电流密度(A，d要 声功率(w)脉冲占空比(%)3-2实验结果及分析平行磁场作用下实验数据及结果，如表 2所示。垂直磁场作用下实验数据及结果，如表3所示。根据各因素极差值的大猩知：平行磁场作用下电沉积工艺参数对镀层显微硬度的影响依次为：电流密度>超声功率 凌感应强度>占空比。经综合分析得出最优工艺水平组合为：电流密度为 2Mdm2，磁感应强度 0.6T，超声功率为240W，占空比为20%。垂直磁场作用下电沉积工艺参数对镀层显微硬度的影响依次是：电流密度>超声功率>占空比 兹感应强度。经综合分析得出最优工艺水平组合为：电流密度为2A/din，磁感应强度0.2T，超声功率为240W，占空比为 20% 。电沉积过程中各个工艺参数对镀镍层显微硬度的影响，如图3所示。各工艺参数对镀层晶粒尺寸的影响，如图4所示。对比图 3和图4可以发现，在平行磁场和垂直磁场作用下各个工艺参数对镀层晶粒尺寸和显微显微硬度的主要影响趋势是不变的，镀层的显微硬度与镀层晶粒尺寸之间基本符合Hal-Peteh公式 41：o'o'oKu·式中：旷o.2%的屈服应力； -移动单个位错所需克服的摩擦力； -常数；为平均晶粒直径； -晶粒尺寸指数。n通常为-1/2。

表2平行磁场作用下正交实验数据及结果Tab.2 The Experimental Data and Resultsof the Orthogonal Experiment UnderParalel Magnetic Field表3垂直磁场作用下正交实验数据及结果Tab.3 The Experimental Data and Resultsof the Orthogonal Experiment underVertical Magnetic Field》 士蜒畦》 越Ⅲ墨电流密度(Mdm )(a)超声功率(w)(b)图3各工艺参数对镀镍层显微硬度的影响Fig.3 The Impact of Process Parameters oi1 theMicrohardness of the Nickel-P1ated146 机械设计与制造No.7July.201 3超声功率(W)(b)图4各工艺参数对镀镍层晶粒尺寸的影响Fig.4 The Impact of Process Parameters on the Grain Sizeof the Nickel Plating Layer即晶粒的尺寸越小，枝晶间距越小，外来的总载荷及变形将分散到更多的晶粒上，故镀层的显微硬度会有所提高。但是由于镀层的硬度值不可能无限增长，不会超出理论强度的限制，其次，晶界上的任何弛豫过程都可能会导致硬度的降低，所以在某- 临界半径下，硬度与晶粒尺寸之间也会出现反 Hal-Petch关系的现象。

3.2.1电流密度与镀层显微硬度的关 系电流密度与镀层显微硬度之间的关系，如图 3(a)所示。从图中曲线可以发现，镀层的显微硬度随着电流密度的增大呈现先增大后减小的趋势，这是由于在-定范围内，电流密度增大，阴极过电位提高，晶核的形核率也会提高，当形核率大于晶粒生长速度时，晶粒得到细化，但是当电流密度过大时，阴极附近严重缺少放电金属离子，浓差极化增大，导致副反应增多，析氢现象比较严重，使得镀层出现针孔 、麻点、镀层烧焦”等缺陷，造成镀层晶粒粗大，硬度下降。

3.2.2超声功率与镀层显微硬度的关系反应出超声功率与镀层显微硬度的关系，如图3(b)所示。从图中看出，镀层晶粒也是随着超声功率的提高有先增大后减小的趋势 ，分析认为在-定超声功率作用下，超声在镀液中产生的空化效应和机械剪切作用打碎了晶粒，使得晶核增多，并且由于超声的搅拌作用，使得阴极处扩散层变薄，进-步加快了形核率，并且提高了阴极的沉积速率。当超声功率过大时，超声产生的几种效用将产生负面的效果，过度的空化效应和机械搅拌作用将会使晶粒在没有完全牢固生长的时候就被冲刷掉，晶粒不能有效的沉积，并且空化效应产生的冲击会使得镀层出现空蚀凹坑，从而使镀层表面质量下降，显微硬度也随之下降。

4结论(1)平行磁场相较垂直磁场更有利于细化镀层晶粒，提高镀层的显微硬度。(2)磁场作用下制备出性能较好镀层的最优工艺参数为：平行磁场方向，磁感应强度0.6T，电流密度2Mdm2，超声功率240W，占空比20%，得到的镀层平均晶粒尺寸为 1.67Ixm，镀层显微硬度 589HV。(3)影响电沉积过程的主要因素是电流密度和超声功率，并且镀层的显微硬度随着电流密度和超声功率的提有先增大后减小的趋势。