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铜制件的化学抛光,教你怎么去黄烟!
发布:2019-4-16

01

前言


化学抛光可提高铜及其合金制件的光亮度。传统的化学抛光是在浓硫酸-硝酸-盐酸中进行的,其中硝酸的体积分数高达400~500mL/L,抛光时有大量氮氧化物气体逸出,不仅严重污染环境,而且危害人体健康。

多年来,许多同行探索低硝酸或无硝酸化学抛光工艺,即无黄烟化学抛光工艺,取得了成效。现对该工艺做简单介绍。


02

 铜及其合金化学抛光机制


与钢铁件、不锈钢件的化学抛光一样,铜及其合金化学抛光液由腐蚀剂、氧化剂(钝化剂)及添加剂组成。在一定工作条件下,各种成分协同作用,铜及其合金表面的氧化物不断被溶解,并在其表面形成类似于电化学抛光产生的钝化膜或黏膜。

由于工件表面粗糙度存在差异,在凹处钝化膜活性小或黏膜厚,使得凸处的溶解速率较大,凹处的溶解速率较小,从而工件表面不断整平而变得平滑、光亮。

人们称之为钝化膜理论或黏液膜理论。


03

化学抛光液各组分对抛光效果的影响



1 腐蚀剂

化学抛光 液 中 的 腐 蚀 剂 有 硫 酸、硝 酸、过 氧 化氢、磷酸、盐酸等。它们的主要作用是溶解铜及其氧化物。

在低硝酸化学抛光液中,硫酸除了溶解铜及其表面的氧化物,还与硝酸盐反应生成硝酸。

除此之外,由于硫酸的加入导致化学抛光液的黏度增大,阻碍了 Cu2+  从金属表面向溶液本体的扩散,从而减缓铜的溶解。硫酸的体积分数过低,化学抛光液的黏度小,不易形成黏膜,无抛光效果。硫酸的体积分数过高,金属表面容易过腐蚀。低硝酸化学抛光液中,硫酸的体积分数通常控制在400~450mL/L。

在低硝酸化学抛光液中,硝酸的作用与硫酸的作用类似,不过其体积分数仅为40~50mL/L。常用硝酸钠、硝酸钾、硝酸铵等硝酸盐代替硝酸,它们的质量浓度可在80~120g/L范围内。

2. 氧化剂(钝化剂)

氧化剂的作用是在工件表面形成钝化膜,抑制工件表面的腐蚀速率。常用的氧化剂有硝酸、过氧化氢、三氧化铬等。

硝酸是一种强氧化剂,浓硝酸与铜反应产生NO2,而稀硝酸则被还原产生 NO。

过去的经验是,硝酸的体积分数大,产生的黄烟就多,工件表面光亮度就高。在低硝酸化学抛光液中只有加入适量的添加剂才能获得光亮的抛光表面。

在低硝酸化学抛光液中硝酸的体积分数或硝酸盐的质量浓度只有控制在最佳范围内,才能获得最佳的抛光效果。

在含有过氧化氢的酸性化学抛光液中,过氧化氢是一种强氧化剂。过氧化氢如遇到更强的氧化剂(如高锰酸钾、三氧化铬等),则过氧化氢为还原剂。过氧化氢无论作为氧化剂还是还原剂,其反应产物都是氧气和水,因而有益于环保和安全。

3. 添加剂

在低硝酸及其盐类的化学抛光液中常需要加入添加剂。其中有缓蚀剂(如明胶等),它容易吸附在工件表面,抑制介质对工件的腐蚀。它与增稠剂(如聚乙二醇等)协同作用,才能达到长期稳定的效果。

在低硝酸及其盐类的化学抛光液中加入由非离子型表面活性剂及阴离子型表面活性剂组成的复合型表面活性剂是十分必要的。

它的作用是在抛光液表面形成很厚的泡沫,抑制酸雾,特别是将产生的氮氧化物被液体所吸收利用。

复合型表面活性剂在工件表面形成黏膜吸附层,有利于工件表面微观整平,提高光亮度和均匀 度。表 面 活 性 剂 在 硫 酸-低硝 酸 体 系化学抛光液中对于减缓金属腐蚀、提高抛光质量、扩大抛光工艺范围,都有积极的作用。


04

实际应用举例


1 低硝酸及其盐类化学抛光

配 方 一:硫 酸 (ρ=1.84 g/cm3 )400~450mL/L,硝酸(ρ=1.40g/cm3)40~50 mL/L,盐酸(ρ=1.19g/cm3  )3~6 mL/L,添 加 剂 20~30mL/L,25~35 ℃,15~60s。

配方二:硝 酸 钠(或 硝 酸 铵、硝 酸 钾)80~100g/L,氯化钠8~10g/L,添加剂20~30mL/L,25~35 ℃,15~60s。

2 硫酸-过氧化氢体系无硝酸化学抛光

这类化学抛光液无氮氧化物污染,可以获得镜面的抛光效果,用于锡磷青铜、黄铜、铍青铜之类的铜合金抛光。

这种工艺的不足之处在于抛光过程中由于热量产生使温度升高,使得抛光时间不易掌握,容易过腐蚀,并使得过氧化氢分解过快。

配方:过氧化氢180~210mL/L,硫酸25~35mL/L,甲醇 70~80 mL/L,尿 素 5~8g/L,30~40 ℃,1~2min。


05

 抛光之后的抗蚀处理


工件经化学抛光之后,为提高其抗蚀及防变色能力,常常采用钝化及封闭处理。目前大多采用铜的特效缓蚀剂———苯并三氮唑进行处理。具体配方为:苯并三 氮 唑  5~10g/L,乙醇 50~100 mL/L,OP-10微量,50~60  ℃,浸3~4min。浸渍后用去离子水清洗并在50~60℃下干燥。如有特别要求,还可涂覆有机涂层。

这里再介绍一个具有抛光作用的钝化液配方:

过氧化氢60~100mL/L,草酸30~50g/L,苯并三氮唑0.2~0.4g/L,氢氧 化 钠15~20g/L,pH 值3~4,30~40  ℃,1~3min。经上 述 处 理 的 工 件 可进行二次钝化处理(苯并三氮唑0.05~0.15g/L,50~60  ℃,浸2~5min),以进一步提高抗蚀及防变色效果。

资料来源:洛阳立微电子有限公司



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