赫爾槽實(shí)驗(yàn)除了可以了解走位之外，還可以分析光澤劑是否過量的問題，今天我們就利用赫爾槽實(shí)驗(yàn)分析PCB電鍍銅電解液光澤劑的情況，我們不妨進(jìn)來看看吧！
1前言
在PCB生產(chǎn)中電鍍銅工序普遍是硫酸(H2SO4)和硫酸銅(CuSO4)電解液體系，通過一些有機(jī)添加劑和微量氯離子(Cl-)作用達(dá)到光亮鍍銅的效果，而陽極使用磷銅(含磷P一般在0.035%~0.075%之間。體系中用滴定分析法補(bǔ)加硫酸(H2SO4)、硫酸銅(CuSO4·5H2O)和氯離子(Cl-)，通過表面張力測(cè)試添加少量濕潤劑，按電流時(shí)間累積進(jìn)行光澤劑定量添加。受光澤劑自動(dòng)添加設(shè)備能力的影響，光澤劑含量有時(shí)出現(xiàn)較大偏差。體系中光澤劑的含量關(guān)鍵地影響著鍍層的外觀和性能，含量太低鍍層不光亮，易出現(xiàn)燒板現(xiàn)象，鍍層晶粒粗糙且延展性差。含量過高則會(huì)因光澤劑副產(chǎn)物過多而造成深鍍能力下降，鍍層硬度增加，變脆和延展性下降，可靠性降低。行業(yè)上不少因?yàn)殄儗涌煽啃圆顭釠_擊發(fā)生導(dǎo)體斷裂而導(dǎo)致重大損失的事例。本文通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)的方法進(jìn)行赫爾槽實(shí)驗(yàn)，對(duì)電鍍銅體系多方面影響的檢驗(yàn)，檢討出一套識(shí)別赫爾槽片的方法，為業(yè)內(nèi)提供一手資料。
2實(shí)驗(yàn)原理
赫爾槽(HULLCELL)，又名霍爾槽，哈氏槽等，根據(jù)所裝的容積可分為，267ml、500ml、1000ml三種，最常用的是267ml，常被用于研究電鍍?nèi)芤褐兄饕M分和添加劑的相互影響，幫助分析電鍍?nèi)芤寒a(chǎn)生故障的原因。此外赫爾槽實(shí)驗(yàn)還可以測(cè)定電鍍?nèi)芤旱姆稚⒛芰?、整平能力以及鍍層的?nèi)應(yīng)力。赫爾槽試驗(yàn)在電鍍實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)質(zhì)量控制方面得到了廣泛的應(yīng)用，是PCB電鍍工序中重要的分析工具。
1赫爾槽實(shí)驗(yàn)組成赫爾槽實(shí)驗(yàn)的組成分別有：直流電源(整流器，圖1)、赫爾槽(圖2)、鼓風(fēng)機(jī)、陽極(磷銅)、槽片(黃銅片)、電解液(H2SO4/CuSO4)等。
2赫爾槽結(jié)構(gòu)原理在赫爾槽實(shí)驗(yàn)中，整流器、陽極、電解液和陰極槽片串聯(lián)成簡(jiǎn)單電路(圖3)，由于到陽極陰極槽片各個(gè)部位的距離不一樣，槽片各部分電流密度分布不同，在距離陽極近端的陰極部分的電流密度高，依次往遠(yuǎn)端越來越低。
有研究者經(jīng)過長期實(shí)驗(yàn)總結(jié)出陰極片上各部位到陰極近端距離與電流密度之間關(guān)系的平均曲線(見圖4)。其中陰極近端與遠(yuǎn)端的電流密度相差50多倍，因此在槽片上可以觀察不同電流密度下的鍍層狀況
3赫爾槽片區(qū)域定義電鍍銅赫爾槽實(shí)驗(yàn)常用黃銅片，規(guī)格為長方形(100mm×65mm)。實(shí)驗(yàn)過后槽片上可分幾個(gè)區(qū)域，正面近陽極一端為高電流區(qū)，遠(yuǎn)端為低電流區(qū)，而遠(yuǎn)端和近端的中間區(qū)域?yàn)楣饬羺^(qū)，槽片上還顯示了液位線，見圖5。目前槽片背面并未得到廣泛注意，但是通過槽片背面能得出部分信息。為方便敘述本文對(duì)槽片背面作了些定義，見圖6。
槽片背面可分為近端、遠(yuǎn)端、液位線，還有鍍層與無鍍層交界的走位線。由于槽片背面電流路線苛刻，背面一定程度上反饋了電解液的分散性和深鍍能力。液位線與走位線形成無鍍層區(qū)面積越小，則深鍍能力越好，反之越差。
4光澤劑光澤劑是光亮鍍銅的關(guān)鍵因素，加速銅沉積速率，減少極化電阻，提高鍍層延展性與導(dǎo)電性。光澤劑常為含硫的小分子化合物，它可以降低銅離子活化能，大都具有相異分子、低分子量、高極性等特性，解離后形成不溶于水的CuS微粒，CuS微粒易被銅表面吸附，為鍍層沉積不斷地提供新核，控制了“晶核生成速度”使鍍層結(jié)晶細(xì)致并排列緊密。
3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
使用267ml赫爾槽進(jìn)行鍍銅電解液實(shí)驗(yàn)，陽極(Cu≥99.9%，P=0.040%~0.065%)，陰極為黃銅片，電流設(shè)定為2A，時(shí)間為5min。為減少干擾，每次打片前對(duì)陽極磷銅用砂紙進(jìn)行打磨并用微蝕液浸泡半分鐘。
1.實(shí)驗(yàn)1不添加光澤劑，分兩組實(shí)驗(yàn)確認(rèn)電解液硫酸和硫酸銅兩組分對(duì)鍍層的影響。見表1。
(1)第一組實(shí)驗(yàn)，H2SO4濃度保持180g/L不變，過程中分步提升CuSO4·5H2O含量(從10g/L開始，每次提升含量20g/L)。實(shí)驗(yàn)表明，過程中分步提升CuSO4·5H2O含量，有以下表現(xiàn)：①槽片正面在CuSO4·5H2O濃度提升過程中，近端高電流區(qū)燒焦逐漸減小，到90g/L時(shí)接近消失;②槽片背面在CuSO4·5H2O濃度提升過程中，液位線與走位線形成無鍍層區(qū)面積越來越大;③整流器電壓隨CuSO4·5H2O濃度提升過程中逐漸減小;(2)第二組實(shí)驗(yàn)，不添加光澤劑，CuSO4·5H2O含量保持80g/L不變，過程中分步H2SO4濃度提升(從50g/L開始，每次提升50g/L)。實(shí)驗(yàn)表明，在無光澤劑下，CuSO4·5H2O含量不變，過程中分步H2SO4濃度提升，有以下表現(xiàn)：①槽片正面在H2SO4濃度從50g/L被提升到100g/L以上后近端高電流區(qū)燒焦接近消失，低電流區(qū)邊緣階梯狀漏鍍消失;②當(dāng)H2SO4濃度上升到250g/L時(shí)近端高電流區(qū)燒焦隱現(xiàn);③槽片背面在CuSO4·5H2O濃度提升過程中，液位線與走位線形成無鍍層區(qū)面積越來越小;④整流器電壓隨H2SO4濃度提升過程中，逐漸減小。(3)實(shí)驗(yàn)1小結(jié)①電解液中Cu2+濃度提升，有助于減少燒焦，使可操作電流密度寬度變寬，更容易得到光亮鍍層;②隨著Cu2+濃度提升，導(dǎo)電性能改善，整體電阻減小，但電解液深鍍能力相應(yīng)下降;③電解液中H2SO4濃度提高，導(dǎo)電性能改善，整體電阻減小，可操作電流密度寬度變寬，更容易得到光亮鍍層，但當(dāng)H2SO4濃度提高到一定值后燒焦顯現(xiàn)，可操作電流密度寬度回縮變窄;④隨著H2SO4濃度提升，電解液深鍍能力相應(yīng)提高。
2.實(shí)驗(yàn)2分三組實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)光澤劑在電解液對(duì)鍍層的影響。見表2。
(1)第一組實(shí)驗(yàn)，H2SO4(200g/L)和CuSO4·5H2O(30g/L)，電解液中光澤劑含量從無逐步被提升。實(shí)驗(yàn)表明，逐步提高光澤劑含量(正常添加量約為1ml/267ml)，有以下表現(xiàn)：①光澤劑含量從無逐步被提升，槽片高電流區(qū)燒焦略有減少，但對(duì)燒焦沒有較大改善;②添加光澤劑后槽片燒焦與光亮界線附近霧狀消失，隨光澤劑增加遠(yuǎn)端低電流區(qū)霧狀物逐漸增大;③隨光澤劑含量提升，槽片背面液位線與走位線形成無鍍層區(qū)面積有個(gè)縮小的過程，但光澤劑過量后該面積又顯現(xiàn)逐步增大;④隨光澤劑含量提升整流器電壓無明顯改變;(2)第二組實(shí)驗(yàn)，H2SO4(200g/L)和CuSO4·5H2O(60g/L)濃度不變，電解液中光澤劑含量從無逐步被提升。實(shí)驗(yàn)表明，逐步提高光澤劑含量，觀察槽片現(xiàn)象與上一組相似。(3)第三組實(shí)驗(yàn)，H2SO4(200g/L)和CuSO4·5H2O(90g/L)濃度不變，電解液中光澤劑含量從無逐步被提升;實(shí)驗(yàn)表明，逐步提高光澤劑含量，觀察槽片現(xiàn)象與上兩種實(shí)驗(yàn)相似，不過由于該組實(shí)驗(yàn)槽片高電流區(qū)燒焦較少，光澤劑添加后立即消失，幾組實(shí)驗(yàn)相似現(xiàn)象體現(xiàn)了該實(shí)驗(yàn)良好的再現(xiàn)性。(4)實(shí)驗(yàn)2小結(jié)①光澤劑對(duì)槽片高電流區(qū)燒焦略有改善，它主要使鍍層結(jié)晶細(xì)致光亮，添加光澤劑后鍍層變得較有光澤;②光澤劑添加量與電解液導(dǎo)電性能沒有明顯的聯(lián)系;③添加光澤劑后槽片燒焦與光亮界線附近霧狀消失，并整快槽片變得較有光澤，隨光澤劑增加遠(yuǎn)端低電流區(qū)霧狀物逐漸增大，可以通過這兩個(gè)區(qū)域來判斷光澤劑是否足夠或過量(見圖7);
④光澤劑對(duì)電解液深鍍能力有促進(jìn)作用，但含量過多時(shí)效果反而較差;
4實(shí)驗(yàn)總結(jié)
(1) 電解液中Cu2+濃度提升，有助于減少燒焦，使可操作電流密度寬度變大，更容易得到光亮鍍層，但電解液深鍍能力相應(yīng)下降;(2)電解液中H2SO4濃度提高，電解液深鍍能力相應(yīng)提高，可操作電流密度寬度變寬，更容易得到光亮鍍層，但當(dāng)H2SO4濃度提高到一定值后燒焦顯現(xiàn)，可操作電流密度寬度回縮變窄;(3)光澤劑對(duì)槽片高電流區(qū)燒焦略有改善，不過它主要使鍍層結(jié)晶細(xì)致光亮;(4)看槽片判定光澤劑含量過程①槽片燒焦與光亮界線附近無光澤時(shí)即為光澤劑不足;②槽片燒焦與光亮界線附近光亮，且遠(yuǎn)端低電流區(qū)無明顯霧狀，則光澤劑含量合適;③槽片燒焦與光亮界線附近光亮，且遠(yuǎn)端低電流區(qū)有明顯霧狀，則光澤劑過量。
以上便是利用用赫爾槽實(shí)驗(yàn)分析PCB電鍍銅電解液光澤劑的情況，希望能幫助到大家。如果你有其他的電鍍難題，歡迎咨詢本網(wǎng)站表面處理技術(shù)專家。
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