Фазлутдинов К.К.

01.08.2018 (обновленно 11.04.2021)

7385 просмотров

Механизм и технология химического меднения. Растворы, отличие от гальваники.

Содержание:

1. Что такое химическое меднение?

2. Состав растворов для химического меднения.

3. Механизм процесса химического меднения поверхности.

4. Особенности и скорость процесса химического меднения.

5. Стабильность растворов для химического меднения. 

1. Что такое химическое меднение?

В основе химического меднения лежит каталитический механизм, при котором осаждение меди происходит на активированной поверхности и продолжается автокаталитически уже на медном слое. При металлизации диэлектриков по палладиевой классической активации меднение происходит при наличии на поверхности диэлектрика 0,3-0,5 г/м² палладия.

Удельное электрическое сопротивление химически осажденной меди выше, чем у металлургической и зависит от состава раствора химического меднения. 

2. Состав растворов для химического меднения.

Для осуществления процесса химического меднения рекомендуется много разнообразных растворов. В целом состав раствора химического меднения обычно включает в себя:

• соль двухвалентной меди (сульфат меди);
• комплексообразователь;
• восстановитель;
• ускоряющие и стабилизирующие добавки;
• гидроксид натрия для регулирования рН. 

Виды растворов меднения различают по тому, какой используется комплексообразователь: виннокислый (тартратный), трилонатный (этилендиаминтетрауксусный), лимоннокислый, глицериновый и т.д. 

Наибольшее распространение получил виннокислый раствор химического меднения. Он содержит тартрат калия-натрия, который образует с ионами меди прочный комплексный анион [CuC₄H₄O₆(OH)₂]^2-. Значительное распространение получили также трилонатные растворы, содержащие комплексообразователь трилон Б (ЭДТА). Остальные растворы применяются ограниченно.

Кроме формалина в качестве восстановителей в процессе химического меднения могут использоваться гипофосфит, гидразин, боргидрид, однако растворы меднения на их основе уступают растворам с формалином по выраженности автокаталитических свойств у осаждаемой меди, а также по стабильности, и, поэтому, не нашли практического применения.

Стабилизаторами в растворе могут выступать различные тиосоединения: тиосульфат натрия, тиомочевина, сульфид свинца, цистин, роданин, 2-меркаптобензотриазол, диэтилдитиокарбамат, а также цианистые соединения, роданиды, фенантролины и их производные, полисульфиды, соединения селена, ртути, некоторые окислители (в т.ч. кислород), высокомолекулярные вещества. На виннокислые растворы химического меднения стабилизирующее действие оказывают аммиак и углекислый натрий. 

3. Механизм процесса химического меднения поверхности.

При химическом меднении происходят следующие реакции. 

• Восстановление меди (целевая реакция): 

2H₂CO + Cu²⁺ + 4OH^- → Cu + H₂ + 2HCOO^- + 2H₂O 

Реакция протекает при комнатной  температуре и в щелочной среде при рН>10,5. Однако для ее начала на активированной поверхности необходима более щелочная среда при рН>11,0 - 12,5. 

• Реакция Канниццаро, в результате которой происходит окисление формалина в формиат-ион и метиловый спирт: 

2H₂CO + OH^- → HCOO^- + CH₃OH

• Реакция восстановления двухвалентной меди в одновалентную медь с образованием закиси:

2Cu²⁺ + 5OH^- + H₂CO → Cu₂O + HCOO^- + 3H₂O

4. Особенности и скорость процесса химического меднения.

При увеличении концентрации щелочи скорость побочных реакций увеличивается. При их протекании может расходоваться в 1,5-3 раза больше формалина, чем на реакцию восстановления меди. В растворе непрерывно накапливаются сульфат натрия, метиловый спирт и формиат натрия. Концентрации ионов меди, соответственно, падает.

На скорость осаждения медного покрытия и устойчивость раствора химического меднения влияет природа комплексообразователя и его концентрация в растворе. Чем выше прочность образующихся комплексов и концентрация комплексообразователя, тем меньше скорость роста осадка меди и тем стабильнее раствор химического меднения.

Скорость химического меднения можно увеличить: 

• Повышением концентрации ионов меди;
• Повышением рН в допустимых пределах;
• Повышением температуры (одновременно падает стабильность раствора);
• Введением добавок. Пиридин или карбонат натрия в виннокислом растворе. Диэтилдитиокарбамат натрия, этилендиамин и железистосинеродистый калий в трилонатных растворах. 

Повышение же концентрации формалина в виннокислых растворах мало влияет на скорость химического меднения. Однако, при снижении концентрации формальдегида в растворе химического меднения ниже 10 г/л значительно замедляется начало процесса.

Главным недостатком растворов химического меднения является их невысокая стабильность. В процессе химического меднения (особенно если раствор загрязнен механическими примесями) восстановление ионов меди может происходить и в объеме раствора. Этому способствует и примесь закиси меди. Выделившаяся в растворе медь при этом будет образовывать новые центры кристаллизации и раствор химического меднения довольно быстро разложится, выйдя из строя. 

5. Стабильность растворов для химического меднения.

Увеличение стабильности растворов химического меднения можно применять следующие способы: 

• Поддерживать кислотность и концентрацию стабилизаторов в установленных пределах;
• Не допускать превышение оптимальной плотности загрузки;
• Не допускать присутствия в растворе металлических поверхностей, кроме покрываемых;
• При химическом омеднении диэлектриков исключить возможность занесения активатора в ванну химического меднения;
• Удалять механические примеси из раствора механическим фильтрованием;
• Перекачивать раствор в конце смены в запасную емкость, после чего очищать старую;
• Использовать перемешивание раствора химического меднения сжатым воздухом;
• Использовать покачивание штанг с омедняемыми деталями.;
• Исключать образование газовых мешков на омедняемых деталях;
• Удалять металлические остатки с подвесок.