碲化铋表面化学镀镍工艺

张林森，卢培浩，刘赟，宋延华，董会超

（1.郑州轻工业学院材料与化学工程学院，河南省表界面重点实验室，河南 郑州 450002；2.河南省质量工程职业学院，河南 平顶山 467000）

【化学镀】

碲化铋表面化学镀镍工艺

张林森1,*，卢培浩2，刘赟1，宋延华1，董会超1

（1.郑州轻工业学院材料与化学工程学院，河南省表界面重点实验室，河南 郑州 450002；2.河南省质量工程职业学院，河南 平顶山 467000）

采用化学镀镍的方法在半导体Bi2Te3表面实现金属化。镀液配方为：NiSO4·6H2O 25 ～ 30 g/L，NaH2PO2·H2O 20 ～ 30 g/L，CH3COONa 5 g/L，C6H5Na3O7·2H2O 5 g/L。讨论了工艺参数对镀层性能的影响，通过骤冷试验检测镍镀层与半导体之间的结合力，运用扫描电镜结合X射线能谱仪(SEM-EDXA)及X射线衍射仪(XRD)对镀层的形貌、组成和结构进行了分析。结果表明，在80 ～ 85 °C下反应10 min，所得到的镍镀层均匀致密，与半导体结合良好，其中Ni和P元素的质量分数分别为90.94%和9.06%。

碲化铋；半导体；化学镀镍；金属化；结合力

1 前言

由于化学镀镍层具有优良的耐蚀性、耐磨性和可焊性等综合物理化学性能，故化学镀镍已广泛用于航天、石油化工、电子、汽车、食品包装、模具、纺织、医疗等领域[1-5]。金属在半导体表面上的化学沉积技术是应微电子器件开发的要求而发展起来的。目前，已有在半导体硅片表面制备纳米材料[6-9]及其在超大规模集成电路和微机电系统中应用[10]的报道。Bi2Te3是一种特殊的半导体材料，温差电优质系数为1.6 × 10−3/K，是一种良好的温差材料。但是 Bi2Te3不能直接电镀锡合金，需要预先在其表面进行金属化处理。本文对半导体 Bi2Te3的化学镀镍工艺进行了研究，并对镀层进行骤冷试验，以检验镀层的结合力。

2 实验

2. 1 Bi2Te3半导体化学镀镍工艺

镀前对半导体进行除油、敏化、活化及还原等处理，然后进行化学镀镍。其工艺流程为：半导体片─洗涤剂除油─水洗─碱性除油─水洗─敏化─水洗─活化─水洗─还原─化学镀─水洗─骤冷试验。

2. 2 镀前预处理

2. 2. 1 碱性化学除油

用适量洗涤剂在温水中进行除油，用清水进行冲洗后放入碱性除油液中除油，碱性除油液配方如下：

2. 2. 2 敏化

氯化亚锡10 g/L、盐酸(w = 37%)40 mL/L、金属锡，温度18 ～ 25 °C，时间3 ～ 5 min。蒸馏水洗至中性，使吸附在表面的氯化亚锡胶体水解生成 Sn(OH)Cl胶体，吸附于半导体表面。

2. 2. 3 活化

氯化钯0.5 g/L、盐酸(w = 37%)10 mL/L，温度15 ～40 °C，时间5 min。敏化后的半导体片放入活化液中5 min，取出后用水洗净，Sn(OH)Cl还原Pd2+成Pd，吸附于半导体表面。活化后的半导体，需用水洗净。

2. 2. 4 还原

30 g/L的NaH2PO2·H2O，室温，时间5 min。将经活化处理的半导体放入还原液中5 min，还原可能残留于半导体表面的 Pd2+，防止其被带入镀液导致镀液分解。半导体经还原处理后不需水洗，可直接化学镀镍。

2. 3 化学镀镍工艺条件

2. 4 骤冷试验

样品放在干燥箱中，200 °C恒温2 h后迅速取出，立即放入冷水中，20 min后取出，在400倍的XJX-200型显微镜(江南光电集团)下观察镀层有无起泡、脱皮、裂纹等情况。

2. 5 形貌及结构分析

镀层的组织结构分析采用 X射线衍射仪(X’pert HighScore，荷兰帕纳科公司)进行，实验采用Co靶，2θ从20° ～ 100°。采用JSM-6490型SEM-EDXA (日本电子株式会社)观察电沉积镍镀层形貌，通过随机配置的能谱仪对镀层的元素组成进行分析。

3 结果与讨论

3. 1 温度对化学镀镍层的影响

在起始pH = 4.80，反应时间为10 min的条件下，不同化学镀温度对 Bi2Te3半导体化学镀镍层性能的影响如表1所示。由表1可知，温度对镀层性能影响较大。温度为75 °C时，镀层薄、不连续，在反应过程中半导体表面未观察到有气泡产生，可能是温度低，反应速度较慢所致。80 °C下反应9 min后，半导体表面有气泡产生；再反应10 min，取出后发现镀层较薄，能看到基体的痕迹，骤冷试验的结果是镀层未出现漏镀、起泡、脱落等现象。温度为85 °C、反应约5 min后半导体表面聚集大量的细小气泡；反应10 min取出，镀层均匀，骤冷试验后未出现漏镀、起泡、脱落等现象。温度为90 °C时，半导体表面立即聚集少量的气泡，反应10 min，骤冷试验发现镀层有小圆鼓泡出现。由于化学镀没有外加电流，是镀液中的Ni2+与NaH2PO2在吸附于半导体表面的钯催化下实现的自催化反应，故温度较低时，晶核的生成速度小于晶粒排布的速度，此时晶粒易长大；而在温度较高时，晶核的生成速度大于晶粒排布的速度，容易造成晶粒来不及排布而产生缺陷。因此，只有在适当的温度下，晶核生成的速度和晶粒排布的速度相匹配，生长的镀层才能致密，结合力好。本实验温度应控制在80 ～ 85 °C。

表1 温度对化学镀镀层的影响Table 1 Effect of temperature on electroless nickel deposit

3. 2 化学镀镍层的结构与组成

图1为Bi2Te3化学镀镍层的XRD图谱。可以看出，在2θ为52.26°处出现的衍射峰是化学镀Ni–P合金的特征峰。图中没有出现半导体基体的衍射峰，说明镀层较厚。

图1 Bi2Te3表面化学镀镍层的XRD谱图Figure 1 XRD spectrum of electroless nickel deposit on surface of Bi2Te3

图2为pH = 5、温度85 °C下，反应10 min后在Bi2Te3表面得到的化学镀镍层的SEM–EDXA图。

图2 Bi2Te3表面化学镀镍层的扫描电镜照片和能谱图Figure 2 SEM image and energy-dispersive spectrum of electroless nickel deposit on Bi2Te3 surface

由图 2可知，镀层均匀、连续、完整，无针孔、起泡、脱落、海绵状等现象，化学镀镍层只含有Ni和P。Ni和P在镀层中所占的比例见表2。

表2 Bi2Te3表面化学镀镍层的组成Table 2 Composition of electroless nickel deposit on Bi2Te3 surface

4 结论

采用化学镀镍的方法对半导体 Bi2Te3进行表面金属化，在80 ～ 85 °C、反应10 min的条件下得到的镀层含P的质量分数为9.06%，Ni的质量分数为90.94%，镀层均匀致密，结合力好。

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Electroless nickel plating on surface of bismuth telluride //

ZHANG Lin-sen*, LU Pei-hao, LIU Yun, SONG Yan-hua, DONG Hui-chao

s:The surface of Bi2Te3, a semi-conductor, was metallized by electroless nickel plating with a bath containing NiSO4·6H2O 25-30 g/L, NaH2PO2·H2O 20-30 g/L, CH3COONa 5 g/L, and C6H5Na3O7·2H2O 5 g/L. The effects of process parameters on deposit were discussed. The adhesion of deposit to semiconductor was examined by quenching test, and the morphology, composition and structure of the deposit were analyzed by scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray (EDXA) spectroscopy and X-ray diffraction (XRD). The results indicated that the nickel deposit obtained by plating at 80-85 °C for 10 min consists of Ni 90.94% and P 9.06%, has a uniform and compact surface, and is well adhered to the Bi2Te3semiconductor.

bismuth telluride; semiconductor; electroless nickel plating; metallization; adhesion strength

Key Lab of Surface & Interface Science of Henan Province, College of Material and Chemical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China

TQ153.12

A

1004 – 227X (2011) 12 – 0026 – 03

2011–05–13

2011–07–19

张林森（1979–），男，河南信阳人，副教授，研究方向为电池材料与表面处理。

作者联系方式：(E-mail) hnzhanglinsen@163.com。

[ 编辑：韦凤仙 ]