氧化铝陶瓷基板化学镀铜雾化淬火活化新工艺

第３８卷　第１期　　　　

２０２３年３月

　　　西　南　科　技　大　学　学　报　　　

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

　　　Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．１

　　　　　Ｍａｒ．２０２３

ＤＯＩ：１０．２００３６／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７１８７５５．２０２３．０１．０１２

氧化铝陶瓷基板化学镀铜雾化淬火活化新工艺

党　兴　钟　良　何云飞　杨志刚　崔开放

（西南科技大学制造科学与工程学院　四川绵阳　６２１０１０）

摘要：为减少氧化铝陶瓷基板化学镀铜过程中强腐蚀性药品和贵金属的使用，对氧化铝陶瓷基材进行除油处理，通

过雾化淬火活化工艺使基材表面附着上一层镍层，再进行预镀，最后进行化学镀铜。采用正交实验对基材热处理温

度、热处理时间、预镀液温度和预镀时间工艺参数进行了优化，通过扫描电镜能谱分析、超声波和热震实验对镍活化

ｉｎ、基材热处理温度４５０℃，ＮｉＳＯ层和镍镀层的形貌及性能进行了表征。结果表明：基材热处理时间４ｍ

４

与

ＮａＨＰＯ５℃、预镀时间５ｍｉｎ时镀层完全覆盖，基体活化后表面生成一层均匀的平均直径７０ｎｍ的

２２

预镀液温度５

胞状镍微粒，预镀后基材表面形成一层结合力较强的蜂窝状镍层。施镀后，镀层表面微观结构紧凑，结合性较好。

关键词：氧化铝陶瓷　表面处理　雾化淬火　化学镀铜

中图分类号：ＴＱ１５０；Ｘ５９２　　文献标志码：Ａ　　文章编号：１６７１－８７５５（２０２３）０１－００８４－０７

ＡＮｅｗＡｔｏｍｉｚａｔｉｏｎＱｕｅｎｃｈｉｎｇＡｃｔｉｖａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｆｏｒＥｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ

ＣｏｐｐｅｒＰｌａｔｉｎｇｏｎＡｌｕｍｉｎａＣｅｒａｍｉｃＳｕｂｓｔｒａｔｅ

ＤＡＮＧＸｉｎｇ，ＺＨＯＮＧＬｉａｎｇ，ＨＥＹｕｎｆｅｉ，ＹＡＮＧＺｈｉｇａｎｇ，ＣＵＩＫａｉｆａｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１０１０，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｕｓｅｏｆｓｔｒｏｎｇｃｏｒｒｏｓｉｖｅｄｒｕｇｓａｎｄｎｏｂｌｅｍｅｔａｌｓｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏ

ｌｅｓｓｃｏｐｐｅｒｐｌａｔｉｎｇｏｎａｌｕｍｉｎａｃｅｒａｍｉｃｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ｔｈｅａｌｕｍｉｎａｃｅｒａｍｉｃｓｕｂｓｔｒａｔｅｗａｓｄｅｇｒｅａｓｅｄ，ａｎｄａ

ｌａｙｅｒｏｆｎｉｃｋｅｌｗａｓａｔｔａｃｈｅｄｔｏｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｃｔｉｖａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｎ

ｐｒｅｐｌａｔｉｎｇａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓｃｏｐｐｅｒｐｌａｔｉｎｇｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｍ

ｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｉｍｅ，ｐｒｅｐｌａｔｉｎｇｓｏｌｕｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｐｌａｔｉｎｇｔｉｍｅｏｆｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｗｅｒｅ

ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｎｉｃｋｅｌａｃｔｉｖａｔｅｄｌａｙｅｒａｎｄｎｉｃｋｅｌ

，ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄａｎｄｔｈｅｒｃｏａｔｉｎｇｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｓｉｓ

ｍａｌｓｈｏｃｋｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｉｍｅｉｓ４ｍｉｎ，ｔｈｅｓｕｂ

ｓｔｒａｔｅｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ４５０℃，ｔｈｅＮｉＳＯｎｄＮａＨＰＯｒｅｐｌａｔｉｎｇｓｏｌｕｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ

４

ａ

２２

ｐ

５５℃，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｐｌａｔｉｎｇｔｉｍｅｉｓ５ｍｉｎ，ｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｃｏｖｅｒｅｄ．Ａｌａｙｅｒｏｆｕｎｉｆｏｒｍｃｅｌｌｕｌａｒ

ｎｉｃｋｅｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈａｎａｖｅｒａｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ７０ｎｍｉｓｆｏｒｍｅｄｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅａｆｔｅｒｔｈｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｕｂ

，ａｎｄａｈｏｎｅｙｃｏｍｂｎｉｃｋｅｌｌａｙｅｒｗｉｔｈｓｔａｂｌｅｂｏｎｄｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｙｉｓｆｏｒｍｅｄｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｔｒａｔｅ

ａｆｔｅｒｐｒｅｐｌａｔｉｎｇ．Ａｆｔｅｒｐｌａｔｉｎｇ，ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｉｓｃｏｍｐａｃｔ，ａｎｄｔｈｅｂｏｎｄｉｎｇ

ｐｒｏｐｅｒｔｙｉｓｇｏｏｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｌｕｍｉｎａｃｅｒａｍｉｃｓ；Ｓｕｒｆａｃｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ；Ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎｑｕｅｎｃｈｉｎｇ；Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓｃｏｐｐｅｒｐｌａｔｉｎｇ

收稿日期：２０２２－０３－１６；修回日期：２０２２－０５－１７

基金项目：四川省科技厅重点项目（２０ＺＳ２１１２）

作者简介：第一作者，党兴（１９９５—），男，硕士研究生，Ｅｍａｉｌ：１３５４３１２５２４＠ｑｑ．ｃｏｍ；通信作者，钟良，男，博士，教授，研究方向为表面工

ＣＡＤ／ＣＡＭ、增材制造、机械设计及理论，Ｅｍａｉｌ：ｚｈｏｎｇｌｉａｎｇ＠ｓｗｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ程、

第１期　　　　　　　　　　　　党　兴，等：氧化铝陶瓷基板化学镀铜雾化淬火活化新工艺

８５

　　随着电子技术的迅猛发展，电子元器件对基体

性能要求逐渐增高，陶瓷基板以其优良的性能被广

１－３］

。氧化铝陶瓷基板泛运用于电子技术的各领域

［

Ｘ－射线衍射仪（Ｘ′Ｐｅｒｔｐｒｏ型，荷兰帕津，英国）；

ＫＱ５２００ＤＢ，昆山市纳科公司）；数控超声波清洗器（

超声仪器有限公司）；烘箱（１０１－００Ｓ，上海一恒科

学仪器有限公司）；光学接触角测量仪（ＳＤＣ－

３５０Ｈ，东莞市晟鼎精密仪器有限公司）。

１．２　工艺流程

氧化铝陶瓷基板化学镀铜雾化淬火活化新工艺

流程如图１所示。

是目前最常见的陶瓷基板，因其具有优良的热膨胀

系数、良好的绝缘性和化学稳定性以及密度小、价格

４－６］

便宜等优势广泛应用于各类电气部件中

［

。

然而氧化铝陶瓷的表面性能较为稳定，使得前

７］

采用浓硫酸与三氧处理过程十分复杂。郑强等

［

８］

化铬混合液水浴加热法对基板进行粗化。Ｍａ等

［

］

和由劲博等

［９

采用浓硝酸或者浓氢氧化钠溶液进

１０］

ａｎ等

［

通过生物仿密改造行长时间浸泡处理。Ｙ

技术，利用多巴胺等物质作为中间连接活化种和基

底，在不损伤基底情况下，得到结合力强的镀层。Ｑｉ

１１］

等

［

通过超声波喷雾机将硝酸银与还原剂的混合

溶液进行雾化处理并喷涂到基底表面，利用超声波

＋

能量将Ａｇ还原成银单质附着在基底表面成为化学

图１　化学镀铜工艺流程图

Ｆｉｇ．１　Ｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗｏｆｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓｃｏｐｐｅｒｐｌａｔｉｎｇ

１．２．１　基材前处理

（１）基板除油：采用９６％的氧化铝陶瓷基板，

３０ｇ／ＬＮａＣＯ２５ｇ／ＬＮａＰＯ２５ｇ／ＬＮａＯＨ，５０

２３

＋

３４

＋

０～１５ｍｉｎ，取出后放置于去离子水中℃水浴加热１

以超声波机超声清洗１０ｍｉｎ。

（２）活化：基板放置于３５０～４５０℃箱式电阻炉

中保温２～６ｍｉｎ，取出后用装有活化液的喷雾器进

行喷淋活化处理。

（３）预镀：以ＮｉＳＯＨＯ和ＮａＨＰＯＯ

４

·６

２２２

·Ｈ

２

配制预镀液，温度加热至５０～６０℃，将活化好的基

板浸入预镀液中浸泡１～５ｍｉｎ。

１．２．２　雾化淬火活化

将硫酸镍与次亚磷酸钠的混合溶液雾化喷淋到

热处理后且存在一定温度的基材表面，利用基材自

１３］

身的表面温度促进镍微粒的生成

［

，同时有磷微粒

镀的活化中心。上述粗化方法或活化工艺大多采用

强酸碱或强氧化剂等物质，操作复杂且具有较大操

作危险，使用后的废液对环境污染较大，处理废液成

本花费较高，如何环保处理废液成为棘手问题。本

文提出了一种雾化淬火活化新工艺，将次亚磷酸钠与

硫酸镍的混合溶液以雾化形式喷淋到热处理后且具

有一定温度的基材表面，利用基材表面自身温度催化

次磷酸根离子与镍离子反应生成具有催化活性的胞

１２］

状镍微粒

［

，并利用基材淬火极速收缩效应吸附镍

微粒，再进行预镀处理，使得基材表面附着一层结合

力较强且具有催化活性的镍层，成功在氧化铝陶瓷基

板表面镀铜。采用正交实验对活化工艺进行了优化。

１　实验

１．１　试验材料和仪器

陶瓷基材：白色三氧化二铝陶瓷基板，１７．０ｍｍ×

２２．０ｍｍ×１．０ｍｍ，广州越秀区耿馨电子商务有限

公司。

化学试剂：碳酸钠（ＮａＣＯ、磷酸钠

２３

）

（ＮａＰＯ）、氢氧化钠（ＮａＯＨ）、硫酸镍（ＮｉＳＯ）、硫

３４４

酸铜（ＣｕＳＯ、次亚磷酸钠（ＮａＨＰＯ、甲醛

４

）

２２

）

（ＨＣＨＯ）、酒石酸钾钠（ＣＯＨＫＮａ），分析纯，成都

４６４

科隆化学品有限公司。

ＩＤ温度控制器调节炉内温箱式电阻炉，通过Ｐ

度；场发射扫描显微镜（Ｕｉｔｒａ５５，德国ＣａｒｌｚｅｉｓｓＮＴＳ

Ｎ

公司）；能谱分析仪（ＥＤＳ，ＯＸＦＯＲＤＸ－ＭＡＮ２０，牛

生成，然后进行预镀使得基材表面覆盖镍层。反应

式如下：

２＋－－

　　Ｎｉ＋ＨＰＯＨＯｉ＋ＨＰＯＨ

＋



Ｎ

２２

＋

２２３

＋

－－

　　　ＨＰＯＨＯＰＯＨ



Ｈ



２２

＋

２２３

＋

２

－－

　　　　ＨＰＯＨ

＋



ＨＰＯＨＯ＋Ｐ

２３

＋

２３

＋

２

（１）

（２）

（３）

以预镀层覆盖率为评定标准，活化层面积覆盖

４）：率计算如式（

Ａ

１

　　　　　　Ｘ＝×１００％

Ａ

２

２

为热处理活化面积，ｍｍ。

（４）

２

式中：Ｘ为覆盖率，％；Ａｍｍ；Ａ

１

为镀层覆盖面积，

２

采用正交实验优化前处理各项参数。以氧化铝

８６

　　　　　　　　　西　南　科　技　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　第３８卷

陶瓷基板热处理时间（因素Ａ）、热处理温度（因素

Ｂ）、预镀液温度（因素Ｃ）和预镀时间（因素Ｄ）为处

理因素，每个因素取３个水平设计正交实验。正交

４

实验因素表Ｌ（３）如表１所示。

９

导致基体的表面亲水性差。经过除油处理后，去除

了基材表面油脂和杂质，裸露出晶粒之间的孔（缝）

隙，使得基材与活化液接触面积增大，可为吸附更多

镍微粒提供有利条件。

表１　正交实验水平因素

Ｔａｂｌｅ１　Ｌｅｖｅｌｓａｎｄｆａｃｔｏｒｓｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ

水平

１

２

３

因素

Ａ／ｍｉｎ

２

４

６

Ｂ／℃

３５０

４００

４５０

Ｃ／℃

５０

５５

６０

Ｄ／ｍｉｎ

１

３

５

注：各因素水平取值来源于单因素预备试验。

１．２．３　化学镀铜

采用以甲醛为还原剂的镀铜液，镀液ｐＨ值为

１２～１３，施镀温度为３５℃，将预镀后的氧化铝陶瓷

ＣｕＳＯ基板放置于镀铜液中施镀。具体镀液配方：

４

１６ｇ／Ｌ；ＨＣＨＯ１５ｍＬ／Ｌ；ＣＯＨＫＮａ１４ｇ／Ｌ；ＮａＯＨ

４６４

１５ｇ／Ｌ；ＥＤＴＡ－２Ｎａ２０ｇ／Ｌ。

１．２．４　性能表征

采用场发射扫描显微镜（ＳＥＭ）和能谱仪分析

镀层微观形貌和元素成分。

采用光学接触角测量仪测量水滴与基材之间的

接触角，接触角越小则亲水性越好。

采用超声检测活化层结合力。具体操作为：将

活化后基材置于清水中超声处理５ｍｉｎ后干燥，对

比超声前后微观形貌差别，判定活化层结合力。

采用Ｘ射线衍射仪对化学镀铜后的氧化铝陶

Ｃｕ靶２．２ｋＷ，扫描速度瓷基板表面进行结构分析，

４°／ｍｉｎ。

１４－１６］

采用热震法

［

检测镀层结合性能。具体操

图２　除油前后基体表面形貌与亲水性

Ｆｉｇ．２　Ｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄ

ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃｉｔｙｏｆｓｕｂｓｔｒａｔｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｏｉｌｒｅｍｏｖａｌ

２．２　基材表面温降实验

将氧化铝陶瓷基板加热到３００，４５０，５００℃后恒

温一定时间，取出并测量基材表面温度随时间的变化

数据，结果如图３所示。热处理温度越高，离开热源

后，氧化铝陶瓷温度降低幅度越大。硫酸镍与次亚磷

００℃左右发生化学反应，且雾化淬火过酸钠可在２

程会提高基材表面温降速度，即雾化淬火过程需控制

在基材离开热源后３０ｓ时间内。由于实验操作原因，

雾化淬火操作控制在基材离开热源后１５～３０ｓ的时

间范围内，故热处理温度在３００℃以上为宜。

作为：将镀件放入到２００℃的烘箱中３０ｍｉｎ，取出迅

速放入０℃的冰水中，若镀层无脱落、开裂现象，视

为合格。

２　结果与讨论

２．１　除油前后基体表面形貌分析

图２是基材除油前后表面微观形貌与亲水性测

试结果。除油前氧化铝陶瓷表面光滑，基材表面与

水的接触角为７５．８９５°；除油后基材表面出现大量

棱角分明的孔（缝）隙，且基材与水的接触角降低到

４１．８５３°，说明基材除油前表面存在大量杂质或油污

附着在氧化铝晶粒孔（缝）隙，降低了基材表面积，

图３　温降曲线

Ｆｉｇ．３　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｏｐｃｕｒｖｅ

第１期　　　　　　　　　　　　党　兴，等：氧化铝陶瓷基板化学镀铜雾化淬火活化新工艺

８７

２．３　不同热处理温度下雾化淬火后表面形貌

对不同热处理温度下的基材用去离子水进行雾

化淬火实验，并对基体表面雾化淬火前后ＳＥＭ形貌

进行对比。热处理温度在４５０℃时，基材表面形貌

如图４（ａ）所示，与图２（ｃ）雾化淬火前表面形貌一

致，氧化铝晶粒之间连接紧密，存在孔隙但无裂缝存

００℃时出现如图４在。但基材在热处理温度达到５

（ｂ）所示的裂纹，这是由于雾化淬火过程温度差过

大，在淬火过程中由于温度梯度造成的收缩不均匀

产生了热应力，且在高温蠕变下形成应力松弛，残余

应力在基材上形成拉应力缺陷区导致裂纹产

１７－１９］２０－２１］

生

［

。热处理时间过长也会导致形成蠕变

［

表２　正交表及试验结果

Ｔａｂｌｅ２　Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔａｂｌｅａｎｄｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ

编号

１

２

３

４

５

６

７

８

９

均值Ｋ

１

均值Ｋ

２

均值Ｋ

３

极差Ｒ

Ａ／ｍｉｎ

１

１

１

２

２

２

３

３

３

６９．３３３

９６．５００

８６．１６７

２７．１６７

Ｂ／℃Ｃ／℃

１１

２２

３３

１２

２３

３１

１３

２１

３２

７２．１６７８０．１６７

８８．０００８６．６６７

９１．８３３８５．１６７

１９．６６６６．５００

Ｄ／ｍｉｎ

１

３

５

５

１

３

３

５

１

８２．３３３

８３．５００

８６．１６７

３．８３４

Ｘ／％

５２

７６

８１

９０

１００

１００

７５

８９

９５

从而产生裂纹。故对热处理工艺的处理温度需控制

在５００℃以下进行，且加热时间选择２～６ｍｉｎ。

２＋

　　ＮｉＬｍＬ为络合物，二者在雾化淬

ｍ

为镍洛离子，

火活化反应过程中起到防止实验反应过于剧烈并抑

制沉淀物生成的作用，故整个反应可简化为反应式

［２２－２３］

（１）：在一定条件或催化剂作用下反应式（１）

可以直接发生反应，故将硫酸镍与次亚磷酸钠混合

溶液以雾化形式均匀喷淋到热处理后且处于一定温

度状态下的基材表面，利用基材表面的温度催化

图４　不同热处理温度下雾化淬火前后基材表面形貌

Ｆｉｇ．４　Ｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｓｕｂｓｔｒａｔｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒ

ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ

２＋－

Ｎｉ与ＨＰＯ

２２

反应生成具有催化活性的胞状镍微

１２］

粒

［

附着在基材表面。由于雾化淬火作用使基材

表面温度迅速降低，基材表面迅速收缩并将生成的

镍微粒吸附得更加牢固，从而形成结合力较强的胞

状镍活化层。预镀过程的实质是发生了快速化学镀

镍反应，是以活化后生成的具有催化活性的胞状镍

微粒为核心的化学沉积镍过程，生成的微粒将胞状

镍微粒连接生长形成蜂窝状的镍层。

２．６　活化层结合力

该新工艺是先在基材表面附着一层镍微粒活化

层，再预镀上一层镍层对基材表面进行全面覆盖，最

后进行化学镀铜。镀层的结合力取决于活化层的结

合力。将活化后与预镀后的基材分别浸入到去离子

水中并用超声波机清洗５ｍｉｎ，表面ＳＥＭ形貌如图５

（ｂ）和图５（ｃ）所示。

从图５（ｂ）、图５（ｃ）可以看出，由于雾化不均匀

导致部分区域上有镍微粒的堆积或是向着蜂窝状结

构生长，在经过超声波清洗后可见基材表面仍存在

大量且分布均匀的胞状镍微粒，并且可以正常施镀，

说明该活化工艺生成了附着力较强的具有催化活性

的镍微粒。

２．４　前处理工艺参数正交试验结果

前处理工艺参数的正交实验结果如表２所示。

极差分析表明：各因素对活化层覆盖率的影响顺序

为Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ。最优组合为ＡＢＣＤ，因此确定

２３２３

最佳前处理工艺条件为：热处理温度４ｍｉｎ、热处理

５０℃、预镀液温度５５℃、预镀时间为５ｍｉｎ。温度４

利用该最优工艺制作样品进行后续分析。

２．５　活化与预镀后机体表面ＳＥＭ形貌

由图５（ａ）可以看出，在氧化铝陶瓷基板表面生

成了直径５０～１００ｎｍ的胞状镍微粒且均匀附着在

基材表面。将活化后的基材浸入次亚磷酸钠与硫酸

镍的预镀液中５ｍｉｎ，观测到基材表面生成大量微粒

将活化后的胞状结构连接，并生长出蜂窝状结构，如

（ｄ）、图５（ｅ）所示。图５

化学镀镍以次亚磷酸钠做还原剂的方程式为：

２＋－－

　ＮｉＬ４ＨＰＯＨＯｉ＋Ｐ＋３ＨＰＯ



Ｎ

２２２ｍ

＋

２

＋

３

＋

３

ｍＬ　　Ｈ

＋

＋Ｈ



＋

２

２

（５）

８８

８卷　　　　　　　　　西　南　科　技　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　第３

对比图５（ｄ）与图５（ｆ）可以看出，预镀镍前后

表面形貌大致无变化，超声后仅仅是蜂窝状结构的

突出部分被超声波清洗掉，基材表面仍然附着大量

蜂窝状镍微粒活化层。说明在活化后进行预镀操

作，可以使活化层覆盖整个基材表面，同时也能提高

活化层与基材表面之间的结合力，对镀层结合力有

一定增强作用。

能谱分析时穿透了镍层检测到氧化铝晶粒。结合活

）以及预镀后可以进行化化后各阶段微观形貌（图７

学镀铜反应，证明预镀后的基材表面附着了一层结

合性强且具有催化活性的镍层并向外蔓延形成大颗

粒微粒。施镀１０ｍｉｎ后，基材表面出现直径３００～

６００ｎｍ的大颗粒微粒，蜂窝状镍活化层已经消失，

镀铜层已经覆盖基体。施镀３０ｍｉｎ后，基材表面出

现直径０．５～１．０

μ

ｍ的大颗粒微粒且颗粒之间连

接紧密，说明铜微粒开始进行聚集或呈现融合状态

使得镀层结构致密。镀层结构的生长过程表明预镀

后基材表面的蜂窝状结构微粒是具有较强催化活性

的微粒，对化学镀铜反应起到催化作用，且蜂窝状结

构能使镀铜层与预镀镍层有更多的接触面，从而增

大镀层与基材的结合力。

图５　施镀前各阶段表面形貌

Ｆｉｇ．５　Ｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｔｅａｃｈｓｔａｇｅｂｅｆｏｒｅｐｌａｔｉｎｇ

图６　施镀前不同阶段的样品能谱分析

Ｆｉｇ．６　ＥＤＳａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓａｍｐｌｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔａｇｅｓｂｅｆｏｒｅｐｌａｔｉｎｇ

２．８　镀层结合力

图８所示为化学镀铜３０ｍｉｎ后镀层的ＸＲＤ图谱。

从图８可以看出，镀层主晶相均为Ｃｕ，另外还出现少量

氧化铝的衍射峰，这可能是制作检测样品时有氧化铝

基材侧面露出导致。Ｃｕ衍射峰比较尖锐，说明镀层晶

化程度较好。根据谢乐（Ｓｃｈｅｒｒｅｒ）公式，利用衍射峰的

半高宽可以计算镀铜层的晶粒尺寸：

Ｋ

λ

　　　　　Ｄ＝（６）

ｃｏｓ

θβ

式中：Ｄ是晶粒尺寸（ｎｍ）；Ｋ是形状因子；

λ

是Ｘ射

线的波长；

β

是衍射峰的半高宽。根据实测数据计

２９ｎｍ。利用四探针电算得出镀铜层晶粒尺寸为４

阻仪器测量了镀层表面方块阻值。该工艺制作的镀

层致密性与导电性较好。

２．７　施镀前各阶段ＥＤＳ能谱

为了验证施镀前各阶段的基材表面出现的胞状

微粒与蜂窝状结构微粒是否为镍，对活化前、活化后

和预镀后基材表面进行了能谱分析。从图６（ａ）可

以看出，活化前基材表面仅有Ｏ与Ａｌ两元素，表面

不含镍等具催化活性的微粒。图６（ｂ）中有Ｎｉ峰出

现，说明活化后生成的胞状物为镍微粒，而Ａｌ峰与

Ｏ峰出现的原因是活化过程在基材表面附着一层分

布较为均匀的胞状镍微粒，微粒并未对基材表面全

面覆盖。次亚磷酸钠在还原硫酸镍的过程中同时也

会生成Ｐ，故存在Ｐ峰。从图６（ｃ）可以看出，预镀

后出现最高峰Ｎｉ峰，Ａｌ元素与Ｏ元素出现次高峰

值是因为预镀后基材表面仅附着一层很薄的镍层，

第１期　　　　　　　　　　　　党　兴，等：氧化铝陶瓷基板化学镀铜雾化淬火活化新工艺

８９

图７　不同施镀时间镀铜层微观形貌

Ｆｉｇ．７　Ｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｃｏｐｅｒｃｏａｔｉｎｇａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｌａｔｉｎｇｔｉｍｅ

　　按ＡＳＴＭＢ５７１标准对施镀３０ｍｉｎ后的样品进

行热震循环试验，热震试验前镀层表面光滑无缺陷，

呈现出铜的金属光泽，热震试验后镀层表面部分区

域呈现褐红色，镀铜层未出现起皮和脱落现象，说明

镀层结合性良好，符合镀层标准。

经热震循环试验后，通过光学显微镜观察镀层

与基材切面形貌，如图９所示。镀层与基材表面结

合紧密，无空洞与缺陷，在图中标示区域中可看出基

材表面有凹坑，但镀层共形性良好，镀层贴合完整无

空洞，说明镀层结合力良好。

３　结论

（１）以硫酸镍为主盐，次亚磷酸钠作为还原剂，

以雾化淬火形式将硫酸镍与次亚磷酸钠配置的活化

液喷淋到经过热处理且存在一定温度的基材表面，实

现氧化铝基材的表面活化，生成分布较为均匀且具有

催化活性镍微粒，再进行预镀处理，使得基材表面生

成结合力较强且具有催化活性的蜂窝状的镍层。

（２）通过正交实验得到最优活化工艺参数为：

热处理时间４ｍｉｎ、热处理温度４５０℃、预镀液温度

５５℃，预镀时间５ｍｉｎ。活化层和化学镀铜层的覆

盖率均为１００％，结合性较好。

（３）雾化淬火活化工艺具有操作简单、安全环

保等优点，对于可高温热处理的基材，可替代粗化工

艺，减少粗化废液对环境的污染和人体的危害。

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图８　施镀３０ｍｉｎ后镀层ＸＲＤ

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图９　热震实验后镀层样品截面

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