[发明专利]金属镀层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属镀液和制备金属镀液的方法。本发明还涉及镀覆方法和金属镀层。

背景技术

镀覆是从包含金属盐的水溶液(电解液)在表面上沉积金属所用的过程。所述过程可电解进行(施加电流)，或不加外部电流源纯粹作为化学反应进行(无电镀覆)。化学和电化学方法可进一步细分成三种不同子类：电解镀覆、自催化镀覆和离子交换(置换镀覆)镀覆。

无电镀覆，也称为无电金属镀覆或化学或自催化镀覆，包括不用外电源进行的在水溶液中的数个同时反应。在由还原剂(一般次磷酸钠)释放氢并氧化，从而在该部分的表面上提供负电荷时，反应完成。最一般的无电金属镀覆方法是无电镀镍，虽然也可以此方式施加例如银、金和铜层。

无电镀镍(EN)为用于在固体基体(例如，金属、陶瓷或聚合物材料)上沉积镍-磷或镍-硼合金层的自催化化学技术。该方法依赖存在还原剂与金属离子反应沉积金属，还原剂如水合次磷酸盐钠(NaPO₂H₂·H₂O)。

具有不同百分比磷的合金被称为低磷、中磷(有时称为中间磷)和高磷。合金的冶金学性质取决于磷的百分比。

无电镀镍的常见形式产生镍磷合金镀层。无电镍镀层中的磷含量可以为例如2%至13%。它一般用于其中需要耐磨、硬度和腐蚀保护的工程镀层应用。所有Ni-P类型可按均匀镀层厚度施用，而且用于大多数复杂表面上。所得镀层的磨损和硬度性质不仅极大受浴组合物影响，而且受沉积温度、pH和浴龄(age of the bath)影响。已知无电镍镀层在正确镀覆时提供极度表面附着。无电镍层不容易焊接，也不在压力下粘住其它金属或另一个无电镀镍工件。与纯金属镀层比较电阻较高。

无电镀镍浴对金属和有机杂质敏感。即使很低量的这些杂质也可导致镀覆失败，例如钝度、点蚀，或者浴可自发镀出。

电解镀覆，也称为电镀，是最广泛应用的镀覆技术。它需要外部电源，且镀覆正常用整个表面积浸入液体进行。金属源由金属离子组成，也可由金属阳极组成，在金属镀覆进行时它将连续溶解。在一些情况下，阳极只为由例如铂涂覆钛或石墨制成的惰性导电电极(也称为尺寸稳定阳极，DSA)，在此，金属离子只从电解质提供，它逐渐消耗，因此，有必要经常将更多离子加到电解质(补充)。

典型工业电镀镀层包括硬铬(也称为六价铬(Cr⁶⁺))、装饰铬和各种镍镀层。

硬铬的主要应用可见于油气工业、机动车和航空航天工业内和各种工业机械部件上。六价铬镀层的一个功能缺点是低阴极效率，导致不良布散能力。因此，镀层变得不均匀，镀层厚度在镀覆组件边缘较高。为了克服这一难题，部件可全镀并研磨到一定尺寸，或者可围绕难镀区域使用辅助阳极。总而言之，这导致高电消耗和成本。从健康观点，六价铬是铬的最毒性形式。在美国，环境保护局(EPA)对其严加管制。EPA将六价铬列为危险空气污染物，因为它是一种人致癌物，在Clean Water Act (净水法案)下为“重点污染物”，在Resource Conservation and Recovery Act (资源保护和回收法案)下为“危险成分”。由于其低阴极效率和高溶液粘度，从浴释放水和六价铬的毒雾。由于显著健康风险，欧盟禁止或严格限制在其地域内使用硬铬。

在某些应用和厚度，三价铬是六价铬镀层的替代，例如装饰镀层。镀层厚度显著薄于硬铬。由于缺乏典型在硬铬镀层中的应变释放裂纹而产生的应变和随后镀层层离，导致所述镀层厚度受到限制。从健康观点，三价铬比六价铬固有为较小毒性。缺点包括：其受限的厚度和因此受限的耐磨和耐腐蚀性质，需要用各种添加剂调节镀层颜色，和对于金属杂质的敏感性。

镀金是通常在铜或银上沉积金薄层的一种方法。可通过电解和无电方法沉积金。有可划分金镀层的数种标准，但通常将它们分成纯金和硬金，可进一步基于其pH水平或是否包含氰化物划分。纯金镀层的耐磨性和硬度差，一般低于130HV。通过使所述金镀层与过渡金属成合金，最通常使用钴或镍，可改善金硬度性质。硬金的硬度在120-300HV之间。硬金只能从基于酸性氰化物的浴产生。钴或镍硬化的金不能在半导体工业用于芯片裸片接合，因为它们干扰过程。然而，欧盟正计划禁止使用钴合金，因此，确定需要通过其它方法改善金镀层耐磨和耐腐蚀性质。由于改善镀层耐磨性会有利于较薄镀层厚度而不损害镀层寿命，可实现显著节省金材料和加工成本。

由于银的电导率高于铜，在电子应用内银经常作为顶镀层施加于铜上。由于表皮效应，这尤其有效用于高频应用。