脉冲参数对锡镀层微观结构及相关性能的影响

论文摘要

扣式电池在微电子行业有较为广泛的应用。在碱性锌锰扣式电池中,由于负极锌粉或锌膏会与杂质金属发生析氢反应,产生大量气体,使电池鼓胀,进而使电池失效甚至产生安全问题。为了解决该问题,传统的方法是在负极锌粉或锌膏中添加一定量的金属汞,汞与负极盖内壁的铜镀层反应生成汞齐,降低析氢腐蚀,抑制氢气的产生。但汞对人体和环境危害极大,电池无汞化是电池发展的必然趋势。锡是现在应用较为广泛的一种环境友好度高的材料,而且锡能提高负极锌粉的析氢过电位,降低析氢腐蚀。开发无汞扣式电池时,通常在负极盖内壁的铜上电镀一层锡,锡镀层能阻挡无汞负极锌粉等材料与铜的直接接触,从而降低析氢腐蚀,减小电池的气胀率,然而现有的扣式电池生产厂家,在生产负极盖过程中,绝大多数采用先对带材进行电镀锡,再冲压成负极盖的生产工艺。常规的镀锡带材在冲盖过程中存在表面易划伤,裂纹多,露铜等不足,使得电池气胀率高,阻碍了无汞扣式电池的发展和规模化应用,因此解决锡镀层的致密性和硬度问题是促进无汞扣式电池产业化的关键所在。为了解决上述问题,本文采用脉冲电沉积方法,改变脉冲参数等工艺条件,在铜带上制备不同晶粒尺寸的锡镀层,并用XRD、SEM、EDS等测试方法对锡镀层的微观结构、镀锡铜带拉伸变形后耐腐蚀性能进行了研究,具体内容如下:1.在深入研究传统的锡镀层电沉积工艺的基础上,改进了工艺配方,采用脉冲电沉积方法,分别改变了脉冲占空比、脉冲频率、双向脉冲正反电流比等参数,制备出镀层厚度均为4μm的锡镀层。2.对所制备的样品进行表面形貌和相结构的表征,研究了三种脉冲参数对锡镀层微观结构的影响规律。结果表明:(1)随着脉冲占空比的增大,镀层表面晶粒尺寸增大,孔隙率增高,晶粒的生长择优取向逐渐从Sn(101)晶面向Sn(211)晶面转变;(2)随着脉冲频率的增大,晶粒尺寸减小,孔隙率降低,晶粒的生长择优取向从Sn(211)晶面向Sn(101)晶面转变;(3)随着双向脉冲正反电流比的减小,镀层晶粒逐渐增大,晶粒的生长择优取向从Sn(101)晶面向Sn(211)晶面转变。3.测试不同脉冲参数下得到的不同锡镀层的硬度值,研究脉冲参数与锡镀层硬度值之间的关系;对样品进行拉伸,采用电化学工作站对样品的耐腐蚀性能进行研究,得到脉冲参数对样品的硬度与拉伸后裂纹的变化以及耐腐蚀性能之间的关系。结果表明:(1)随着脉冲占空比的增大,镀层的硬度逐渐降低;拉伸后镀层的表面裂纹逐渐减小,其耐腐蚀性能也逐渐增强;(2)随着脉冲频率和双向脉冲正反电流比的增大,镀层的硬度明显增大;拉伸后镀层的表面裂纹逐渐增大,其耐腐蚀性能逐渐降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碱性锌锰扣式电池
• 1.3 扣式碱性锌锰电池无汞化的方法
• 1.3.1 开发无汞合金锌粉
• 1.3.2 选择代汞缓蚀剂
• 1.3.3 负极集流体表面处理
• 1.4 脉冲电沉积
• 1.5 脉冲电沉积的研究现状
• 1.6 本文选题背景与意义及主要内容
• 1.6.1 本文的背景及选题意义
• 1.6.2 本文的主要研究内容
• 第2章 脉冲电沉积锡镀层制备工艺的研究
• 2.1 引言
• 2.2 电沉积原理
• 2.2.1 直流电沉积原理
• 2.2.2 脉冲电沉积原理
• 2.3 电沉积制备过程中的影响因素
• 2.4 脉冲电沉积的影响因素
• 2.4.1 峰值电流密度
• 2.4.2 脉冲占空比
• 2.4.3 脉冲频率
• 2.4.4 双向脉冲正反向电流密度比
• 2.5 实验过程
• 2.5.1 基材的选择
• 2.5.2 镀液的配制
• 2.5.3 电沉积制备过程
• 2.6 本章小结
• 第3章 脉冲电沉积工艺对锡镀层微观结构的影响
• 3.1 引言
• 3.2 表面形貌分析（SEM）
• 3.3 相结构分析（XRD）
• 3.4 硬度检测
• 3.5 脉冲占空比对锡镀层微观结构的影响
• 3.5.1 脉冲占空比对表面形貌的影响
• 3.5.2 脉冲占空比对镀层织构的影响
• 3.5.3 脉冲占空比对晶粒尺寸的影响
• 3.5.4 脉冲占空比对镀层硬度的影响
• 3.6 脉冲频率对锡镀层微观结构的影响
• 3.6.1 脉冲频率对表面形貌的影响
• 3.6.2 脉冲频率对镀层织构的影响
• 3.6.3 脉冲频率对晶粒尺寸的影响
• 3.6.4 脉冲频率对镀层硬度的影响
• 3.7 双向脉冲电沉积正反电流比对锡镀层微观结构的影响
• 3.7.1 脉冲正反电流比对表面形貌的影响
• 3.7.2 脉冲正反电流比对镀层织构的影响
• 3.7.3 脉冲正反电流比对晶粒尺寸的影响
• 3.7.4 脉冲正反电流比对镀层硬度影响
• 3.8 本章小结
• 第4章 脉冲工艺对镀锡样品拉伸变形及耐腐蚀性能影响
• 4.1 引言
• 4.2 拉伸变形
• 4.3 电化学方法表征耐腐蚀性能
• 4.3.1 基本概念与方法
• 4.3.2 电化学腐蚀动力学理论基础
• 4.3.3 Tafel 直线外推法
• 4.3.4 实验过程
• 4.4 试验结果与讨论
• 4.4.1 脉冲占空比对镀层拉伸变形及拉伸后耐腐蚀性能的影响
• 4.4.2 脉冲频率对镀层拉伸变形及拉伸后耐腐蚀性能的影响
• 4.4.3 双向脉冲正反电流比对镀层拉伸变形及拉伸后耐腐蚀性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文与所得成果