极薄载体铜箔制备及高抗剥离表面处理技术研究

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针对市场电解铜箔极薄化、超低轮廓的迫切需求,结合铜箔工业化生产实际,系统研究添加剂对铜箔组织与性能的影响,阐明添加剂对铜离子电结晶的作用机制,分析添加剂与工艺对铜箔电化学沉积结晶动力学的影响机制,开发高性能极薄铜箔的制备与高抗剥离表面处理工艺。针对极薄载体铜箔剥离困难问题,开展极薄载体铜箔剥离层研究。结果表明,单一剥离层难以获得较好的剥离性能,复合剥离层(以Zn:Ni=3:7作为合金层,3 g/L的Cl-HOBt作为有机层)可以实现稳定的剥离性能。在30 A/dm~2大电流密度下,以明胶为添加剂,制备厚度为5μm的极薄载体铜箔,实现表面粗糙度与力学性能的良好匹配,最佳表面粗糙度Ra与Rz分别为0.202μm和1.680μm,抗拉强度与延伸率分别为340 MPa和6.5%。在明胶作用下,极薄铜箔晶粒由立方形向球形转变,形成(111)面择优取向与大量孪晶结构。铜箔的抗拉强度与晶粒度符合Hall-Petch关系。明胶在铜电沉积过程中的作用机理主要是以竞争吸附形式,在阴极上形成阻挡层,抑制电沉积过程。通过电化学数据拟合与计算得出,铜离子电沉积过程为扩散控制下的不可逆反应,电结晶形核过程为瞬时形核,符合Scharifker三维成核模型。采用明胶-SPS-PEG-Cl-复合添加剂协同制备载体铜箔,铜离子的形核密度显著提升,铜箔晶粒细化、表面轮廓平整,可实现极薄载体铜箔表面粗糙度Rz为1.29μm,抗拉强度与延伸率分别为371Mpa和7.1%,TC(111)占比上升至78.99%。基于高3D表面积-高剥离强度功能转换关系,开展铜箔的表面深镀粗化研究。系统研究大电流、短流程的动态粗化处理过程中,钨酸钠、HEC与SPS等添加剂对铜箔组织与性能的影响。HEC添加有助于抑制尖刺状瘤点产生,降低表面粗糙度,钨酸钠与SPS可以显著改善深镀效果,形成致密的粗化层。最佳深镀粗化工艺参数为:10 g/L Cu2+,100 g/L硫酸,5 mg/L HEC,50 mg/L SPS,60 mg/L钨酸钠,电流密度为30 A/dm~2,沉积时间为4 s获得深镀效果佳、瘤点颗粒均匀致密的粗化层,表面粗糙度Rz与抗剥离强度分别为7.501μm和2.14N/mm。钨酸盐复合添加剂可促使粗化瘤点由尖刺状向圆润的球状转变,抑制铜峰顶部杂乱树枝状瘤点颗粒的形成,促进沉积瘤点颗粒向(220)晶面生长。铜离子在高酸低铜粗化液中的电沉积行为为扩散控制下不可逆反应,添加剂作用可以显著改善形核密度,但不会改变铜离子电结晶行为。根据高性能铜箔低粗糙度与高剥离强度的发展趋势,深入研究适用于RTF铜箔和薄铜箔的表面微粗化技术。采用氟硅酸钠、硫钨酸钠作为络合剂,可与铜离子形成配合物,显著增强电极极化能力,阻碍电沉积,阻碍作用随镀液中氟硅酸钠、硫钨酸钠的含量上升而增强。硫酸镧能够显著改善瘤点的体积,降低表面粗糙度,促进瘤点由球状向米粒状转变。硫酸铽具有去极化作用,低浓度(≤20 mg/L)能够促进沉积瘤点颗粒形成米粒状,而高浓度(>20 mg/L)下促使沉积瘤点颗粒由米粒状转变为球状。在相同的电位下,硫酸镧对形核密度的贡献要显著优于硫酸铽。探索γ-巯丙基三甲氧基硅烷偶联剂对抗剥离强度与抗腐蚀的影响规律。结果表明,在弱酸条件下,可催化硅烷加速水解成活性硅醇,吸附在铜箔表面形成金属键(-Si-O-Cu)。通过合适的固化工艺,可形成稳定的共价键,改善硅烷膜耐腐蚀性。通过阻抗测试表明铜箔阻抗随着硅烷固化时间增大而增大,有机膜的阻抗弧半径先增大后减小,呈现出双阻抗模式,有利于改善硅烷化耐腐蚀性能。
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