一种金刚石-铝复合材料的化学镀镍方法技术

本发明专利技术涉及一种金刚石/铝复合材料的化学镀镍方法。该化学镀镍方法的前处理按常规的铝合金化学镀镍的前处理工艺进行，分为清洗除油、一次浸锌、退锌和二次浸锌；之后的操作步骤如下：1.在碱性化学镀镍液中预镀镍，镍层厚度为0.5～1μm；2.对预镀镍后的复合材料进行敏化和活化，使金刚石表面具有化学活性；3.在酸性化学镀镍液中进行镀镍，镍层厚度8～12μm；4.镀后热处理，增加镀镍层与复合材料的界面结合强度。采用本发明专利技术的化学镀镍方法可在复合材料的金刚石和铝基体表面同时沉积镍，镍层致密完整。对镀镍复合材料热处理后，按照SJ20130‑92《金属镀层附着强度试验方法》中热震实验标准在250℃以上热震循环8～10次，镀镍层无起泡现象与裂纹产生。

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石-铝复合材料的化学镀镍方法
本专利技术涉及电子封装材料工程应用领域，具体涉及金刚石/铝复合材料的表面化学镀镍方法。
技术介绍
随着电子技术不断发展，电子器件和电子设备中元器件的集成度和功率密度越来越高，势必导致器件产生的热量显著增加，从而增加元器件失效的几率，因此高效散热是电子信息产业发展需亟待解决的一个关键问题。金刚石是自然界中导热系数最高的物质(可高达2000W/m·K)，其导热系数是铜的4-5倍、铝的8-10倍，且膨胀系数很低，所以将金刚石颗粒与金属(铝、铜、银等)复合制备成复合材料，可使其具备超高导热率(>500W/m·K)、低膨胀系数(与芯片半导体材料GaAs、GaN等接近)的特性，特别适合用作高性能电子封装散热材料。金刚石/铝复合材料不但具有超高导热率、低膨胀系数的特点，且其密度(～3.2g/cm3)也远低于金刚石/铜(～5.5g/cm3)和金刚石/银(～6.1g/cm3)复合材料，因此更适合用于对重量有严格要求的航空航天、雷达及高端电子信息等领域。在电子封装结构中，半导体芯片产生的热量通过薄片状金刚石/铝复合材料传导给散热底板，再扩散到外部环境，其中，复合材料的上下表面均需通过钎焊实现与芯片和散热底板的金属连接，以减小热阻、确保高效散热。在电子封装工艺中，最常用的焊料是金锡焊料(80wt％Au20wt％Sn)，因而通常要求焊接件表面作镀镍、镀金处理，其中镍作为过渡层，而最外的镀金层能确保焊料在其表面具有良好的润湿性和铺展性，防止虚焊、气孔等缺陷的形成。在金刚石/铝复合材料中，金刚石颗粒的体积分数高达50-65％，其表面由铝基体(表面有Al2O3膜)和金刚石颗粒构成(见图1)，可焊性差，必须作表面镀镍、镀金处理。由于在镍表面镀金可采用成熟的电镀金工艺实现，因此对金刚石/铝复合材料的表面处理工艺而言，最关键的是如何在金刚石和铝基体表面同时沉积均匀而致密的、具有良好界面结合力的镍层。虽然采用气相沉积等工艺可以在金刚石/铝复合材料表面沉积一层镍，但工艺复杂、效率低、成本极高。电镀和化学镀是一种高效、低成本的材料表面处理工艺，但对金刚石/铝复合材料而言，由于金刚石不导电，只能采用化学镀镍工艺。由于铝表面有一层致密的Al2O3膜，加之铝非常活泼，在酸碱环境中不稳定，化学镀镍时极易在铝材表面形成疏松的接触性镀层，严重影响镀层与基体间的结合强度。另一方面，复合材料中铝基体表面裸露的金刚石具有很强的化学惰性，必须要通过合适的敏化和活化工艺才能实现镍离子的沉积，但该工艺又会对上述铝的镀镍过程造成严重干扰。综上所述，由于金刚石和铝的化学特性迥异，要采用化学镀工艺在两者表面同时沉积均匀而致密的、具有良好界面结合力的镍层存在很大的技术难度，迄今还没有发现有关金刚石/铝复合材料表面化学镀镍的公开文献报道。中国专利号CN107287580A公开了“一种铝基复合材料的化学镀镍方法”，通过化学镀镍的方法解决现有的碳化硅颗粒增强铝基复合材料和高硅铝材料的表面处理技术中存在的实施成本高，应用范围较窄的问题。该工艺在镀覆SiC体积分数为55～65％的复合材料时，关键步骤是先采用浓度为15～25％的硫酸进行酸洗，去除铝的氧化膜，再进行化学镀镍，可获得铝基体与镍层的紧密结合。但对于金刚石/铝复合材料而言，由于金刚石具有很强的耐酸蚀性，加之缺少敏化、活化过程，该工艺难以实现镍层在金刚石颗粒表面的沉积。中国专利号CN103540935A公开了“高硅铝复合材料的镀金方法”，涉及前处理、预镀镍、活化、二次镀镍、镀金等工艺，镀金层与基材结合牢固。其关键工艺步骤包括利用氢氟酸使硅表面溶解，去除其表面多余积累，提高镀层结合力，以及预镀镍后采用盐酸和氯化铁进行活化等。该工艺不适用于金刚石/铝复合材料的镀镍，这是因为金刚石在氢氟酸中不溶解，而其活化工艺难以实现镍在金刚石表面的沉积。此外，氢氟酸和盐酸的应用易造成铝基体的过量腐蚀，破坏镀层结合力。中国专利号CN105401149A公开了一种“一种铜金刚石复合材料金锡焊接镀层的制备方法”。由于铜基体具有良好的耐酸蚀性，该方法采用浓硫酸粗化金刚石颗粒、敏化和活化(均包含盐酸组分)、镀镍、镀金等工艺，制备的金镀层结合力可承受≥350℃高温烘烤，且金镀层未出现起皮、起泡、裂纹以及脱落等现象。但该工艺所用的浓硫酸、盐酸等组分将对铝基体造成严重腐蚀，无法应用于金刚石/铝复合材料的镀镍。
技术实现思路
技术问题：本专利技术目的在于解决目前金刚石/铝复合材料难以镀镍的问题，提供一种金刚石/铝复合材料的化学镀镍方法，在金刚石和铝表面同时沉积均匀而致密的、具有良好界面结合力的镍层，所述金刚石/铝复合材料，金刚石体积含量为50～65％，铝为纯铝或铝硅合金。技术方案：本专利技术的金刚石/铝复合材料的化学镀镍方法，包括前处理，所述前处理按常规铝合金化学镀镍的浸锌处理方法分为清洗除油、一次浸锌、退锌和二次浸锌四个步骤。前处理后的具体操作步骤如下：1)碱性化学预镀镍：将前处理后的金刚石-铝复合材料放入碱性化学预镀镍溶液中预镀镍，温度15～25℃条件下，预镀5～10min；2)敏化：预镀镍后的复合材料放入敏化溶液中，温度15～25℃条件下，浸泡30～60s，取出，清洗；3)活化：敏化后的复合材料放入活化溶液中，温度15～25℃条件下，浸泡3～5min，取出，清洗；4)酸性化学镀镍：将活化后的复合材料在酸性化学镀镍溶液中进行镀镍，温度为80±5℃，时间为30～50min；5)退火处理：镀好镍的复合材料放入管式炉中进行退火处理，退火温度为160～230℃，保温1～2h，随炉冷却后取出；6)镀层结合力的热震检验：调整箱式电阻炉的温度为250℃～300℃，将步骤5)处理后的镀镍复合材料放入炉中，保温20～30min后取出放入室温水中急冷，重复此步骤8～10次，通过200倍金相显微镜观察，无起泡现象与裂纹产生。其中：所述碱性化学预镀镍溶液配方为：硫酸镍20～30g/L、次亚磷酸钠20～30g/L、焦磷酸钠20～30g/L，pH值为9～11。所述敏化溶液为氯化亚锡10～15g/L。所述活化溶液为氯化钯0.20～0.35g/L。所述酸性化学镀镍溶液为：硫酸镍20～30g/L、次亚磷酸钠20～30g/L、醋酸钠12～15g/L、乳酸0.01～0.03g/L、柠檬酸三钠5～10g/L、硫脲0.003～0.005g/L，pH值为4.4～4.8。所述步骤1)碱性化学预镀镍，镀镍层厚度为0.5～1μm。所述步骤4)酸性化学镀镍，镀层厚度为8～12μm。所述步骤5)的退火处理，达到退火温度的升温速率为5℃/min。有益效果：本专利技术基于以下思路进行金刚石/铝复合材料的化学镀镍：①铝表面有Al2O3膜，且铝基体在酸碱环境中极易腐蚀，严重影响镀镍层结合力。为此，采用多次浸锌工艺，既可以去除铝表面的氧化膜，还可在铝基体表面覆盖一层耐碱性溶液腐蚀的锌层。之后采用碱性化学预镀镍工艺置换锌，在铝基体表面形成厚度为0.5～1μm的镍保护层，可防止后续处理工艺对铝基体的腐蚀。②金刚石不具备化学活性，难以沉积金属离子。本专利技术的敏化和活化工艺可有效活化金刚石表面，同时对铝硅合金中硅相表面也有活化作用，能有效促进镍离子在活化表面的沉积。由于敏化和活化溶液不含盐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金刚石‑铝复合材料的化学镀镍方法，包括前处理，所述前处理按常规铝合金化学镀镍的浸锌处理方法分为四个步骤：清洗除油、一次浸锌、退锌和二次浸锌，其特征在于：前处理后的具体操作步骤如下：1)碱性化学预镀镍：将前处理后的金刚石‑铝复合材料放入碱性化学预镀镍溶液中预镀镍，温度15～25℃条件下，预镀5～10min；2)敏化：预镀镍后的复合材料放入敏化溶液中，温度15～25℃条件下，浸泡30～60s，取出，清洗；3)活化：敏化后的复合材料放入活化溶液中，温度15～25℃条件下，浸泡3～5min，取出，清洗；4)酸性化学镀镍：将活化后的复合材料在酸性化学镀镍溶液中进行镀镍，温度为80±5℃，时间为30～50min；5)退火处理：镀好镍的复合材料放入管式炉中进行退火处理，退火温度为160～230℃，保温1～2h，随炉冷却后取出；6)镀层结合力的热震检验：调整箱式电阻炉的温度为250℃～300℃，将步骤5)处理后的镀镍复合材料放入炉中，保温20～30min后取出放入室温水中急冷，重复此步骤8～10次，通过200倍金相显微镜观察，无起泡现象与裂纹产生。

【技术特征摘要】
1.一种金刚石-铝复合材料的化学镀镍方法，包括前处理，所述前处理按常规铝合金化学镀镍的浸锌处理方法分为四个步骤：清洗除油、一次浸锌、退锌和二次浸锌，其特征在于：前处理后的具体操作步骤如下：1)碱性化学预镀镍：将前处理后的金刚石-铝复合材料放入碱性化学预镀镍溶液中预镀镍，温度15～25℃条件下，预镀5～10min；2)敏化：预镀镍后的复合材料放入敏化溶液中，温度15～25℃条件下，浸泡30～60s，取出，清洗；3)活化：敏化后的复合材料放入活化溶液中，温度15～25℃条件下，浸泡3～5min，取出，清洗；4)酸性化学镀镍：将活化后的复合材料在酸性化学镀镍溶液中进行镀镍，温度为80±5℃，时间为30～50min；5)退火处理：镀好镍的复合材料放入管式炉中进行退火处理，退火温度为160～230℃，保温1～2h，随炉冷却后取出；6)镀层结合力的热震检验：调整箱式电阻炉的温度为250℃～300℃，将步骤5)处理后的镀镍复合材料放入炉中，保温20～30min后取出放入室温水中急冷，重复此步骤8～10次，通过200倍金相显微镜观察，无起泡现象与裂纹产生。2.根据权利要求1所述的金刚石-铝复合材料的化学镀镍方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈锋，陆晨君，徐俊，朱佳，余新泉，张友法，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32