PCB工藝基礎(chǔ)8-電鍍基礎(chǔ)原理和概念培訓

1、制作：XXX編制時間：2020年07月應(yīng)屆大學生入司培訓教材電鍍的基礎(chǔ)原理和概念目 錄一 電鍍原理二 鍍液電鍍設(shè)備四 電鍍條件及其管理一 電鍍原理1.1 電鍍的概念 電鍍是在含有某種金屬離子的電解質(zhì)溶液中，將被鍍工件作為陰極，同以一定波形的低壓直流電，使金屬離子得到電子，不斷在陰極沉積為金屬的加工過程，電鍍的實質(zhì)是一種特殊的電解加工工藝。通過電鍍，我們可以改變零件的表面外觀和物理化學性質(zhì)，達到裝飾性、耐腐蝕性和耐磨性等各種技術(shù)性能，還可以根據(jù)具體的工藝要求增加某種功能性鍍層，如焊接性、電性能、磁性能、光性能等鍍層。一 電鍍原理 一般而言，鍍層應(yīng)具有如下的基本要求： （1）與鍍件結(jié)合力良好； （

2、2）外觀光滑，鍍層致密； （3）各部分鍍層厚度均勻，孔內(nèi)也有一定的厚度； （4）鍍層有一定的機械強度； （5）能夠滿足對于氣候，環(huán)境以及化學品的腐蝕性要求。一 電鍍原理 1.2 電鍍槽的結(jié)構(gòu) 電鍍槽是電鍍的必備條件，它是由外加直流電源，鍍液，鍍件和陽極組成的電解裝置，如圖一 電鍍原理實物圖一 電鍍原理 在含有金屬離子的溶液中插入金屬板，從外部接通電源，加載一定量的電壓,和電源正極相連的電極叫陽極，和電源負極相連的電極叫陰極。 例如：圖1，陽極為金屬銅板，溶液為硫酸銅溶液，由于外加電源的作用，在陽極發(fā)生Cu Cu2+ + 2e 的反應(yīng)，陽極不斷溶解，在陰極則發(fā)生 Cu2+ + 2e Cu的反應(yīng)，

3、即銅在陰極上不斷沉積一 電鍍原理1.3 法拉第定律 1833年英國科學家法拉第（Faraday M），研究了大量電解過程后提出了著名的法拉第定律：電解時電極上發(fā)生化學反應(yīng)的物質(zhì)的量與通過電解池的電荷量成正比。 如果以Q表示通過的電荷量（單位為庫侖，用 C表示），n表示電極反應(yīng)得失電子的物質(zhì)的量（單位為mol）,法拉第定律可表示為： Q = n F F稱為法拉第常數(shù)，其物理意義為1mol電子的電荷量；已知一個電子的電荷量 e = 1.602176487 10-19 C ,所以 F= Le = (6.022141791023 1.06217648710-19 )C.mol-1 = 96485.34

4、0 C.mol-1 （ 大約26.8Ah）1.1 電鍍的原理 一般計算時用F 96500 C.mol-1 電極上析出（或溶解）的物質(zhì)的質(zhì)量（m）與他們的摩爾質(zhì)量和離子電荷數(shù)有關(guān)，用公式表示： m = MQ /ZF F-法拉第常數(shù)；96500C.mol-1 或 26.8Ah.mol-1 M -物質(zhì)的摩爾質(zhì)量（g/mol） Z-離子電荷數(shù)。電極上每通過單位電量所反應(yīng)的物質(zhì)的質(zhì)量，稱為該物質(zhì)的電化學當量，單位為g/Ah。常見金屬的電化學當量見表1 。一 電鍍原理 表1.電化學當量一 電鍍原理1.4 電極電勢 把金屬浸入含有金屬離子的溶液中時該金屬具有一定的電位,但單個電極電勢尚不能直接由實驗測定。為

5、了確定單個電極的電極電勢可選定某個電極作為標準，國際上通常以標準氫電極作為標準，并規(guī)定在任何溫度下，標準氫電極的電極電勢為零。將待測電極作為正極，標準氫電極作為負極，組成電池 標準氫電極待測電極 該電池的電池電動勢即為待測電極的電極電勢。一 電鍍原理 例如：0(Cu2/Cu) 稱為標準電極電勢。按電極電勢的規(guī)定，待測電極位于電池的右邊，進行還原反應(yīng)，其電極反應(yīng)： 氧化態(tài)Ze 還原態(tài) 其電極電勢為 上式稱為電極能斯特方程 電極電勢代數(shù)值越小，電對的還原態(tài)物質(zhì)還原能力越強，氧化態(tài)物質(zhì)氧化能力越弱；電極電勢代數(shù)值越大，電對的還原態(tài)物質(zhì)還原能力越弱，氧化態(tài)物質(zhì)氧化能力越強。代數(shù)值是反映物質(zhì)得失電子傾向

6、的大小， 如Zn比H2更容易失去電子，它與物質(zhì)的數(shù)量無關(guān)。一 電鍍原理1.5 電極極化 當有電流通過電極時，電極的電勢偏離平衡電勢將發(fā)生變化，這種變化稱為電極極化。 極化產(chǎn)生的原因主要有3個：（1） 電阻極化；（）濃差極化；（3）電化學極化。 由于電極附近濃度與溶液內(nèi)部體相濃度不一致而產(chǎn)生的極化稱為濃差極化，由此產(chǎn)生的超電勢稱為濃差超電勢。 溶液中電極附近的離子首先到電極上去放電，若溶液內(nèi)部的離子來不及擴散到電極附近，將造成電極附近濃度底于溶液內(nèi)部體相濃度，使電極電勢偏離平衡電極電勢。 電極過程常分為若干步進行，若其中某一步速率很慢，則將阻礙整個電極反應(yīng)的進行，并導致正電荷在陽極的積聚和負電荷

7、在陰極的積聚，從而使陽極電勢更正，陰極電勢更負，這種由于電化學反應(yīng)本身遲緩引起的極化稱為電化學極化。一 電鍍原理1.6 電極反應(yīng)的機理 電極反應(yīng)發(fā)生在電極與溶液的界面處，所以電極反應(yīng)與多相反應(yīng)一樣，是一個連續(xù)過程，通常包括以下步驟： （1）離子或其它物質(zhì)從溶液體相向電極表面遷移（液相傳質(zhì)）； （2）離子吸附在電極表面； （3）離子放電（得到或失去電子）生成產(chǎn)物； （4）產(chǎn)物自電極表面解吸； （5）產(chǎn)物自電極表面液層向溶液體相遷移。 （6）反應(yīng)物或產(chǎn)物在電極表面附近發(fā)生化學反應(yīng)； （7）產(chǎn)物形成新相（氣泡、沉淀等）以及金屬離子放電后遷移到晶格點陣上成為穩(wěn)定態(tài)等。 上述各步中最慢的一步?jīng)Q定整個反應(yīng)

8、的速度。了解電極反應(yīng)的機理，有利于電極反應(yīng)的控制。一 電鍍原理1.7 電鍍的結(jié)晶過程 電解液中的金屬離子或其絡(luò)合離子（或叫配合離子）在陰極還原沉積出金屬的過程叫電結(jié)晶，也叫電沉積。 在形成金屬晶體時又分為兩個步驟進行：結(jié)晶核的生成和成長。這兩個過程的速度決定著金屬結(jié)晶的粗細程度。如果晶核的生成速度較快，而晶核生成后的成長速度較慢，則生成的晶核數(shù)目較多，晶粒較細，鍍層結(jié)晶愈細致、緊密。反之如果析出速度快（單位面積的電鍍電流密度大時），電極面的金屬離子濃度太低，就難以引起金屬析出反應(yīng)，氫就會大量析出，發(fā)生“粗糙”、“燒焦”等現(xiàn)象。一 電鍍原理 實踐結(jié)果表明，提高電結(jié)晶時的陰極極化作用可以加速晶核的

9、生成速度，便于形成微小顆粒的晶體。在一般情況下的電鍍中常常提高電結(jié)晶時的陰極極化作用以增加晶核生成速度，從而獲得結(jié)晶細致的鍍層。 為了提高金屬電結(jié)晶時的陰極極化作用可以采取以下幾種措施： （1）提高陰極電流密度 一般情況下陰極極化作用隨陰極電流密度的增大而增大，鍍層結(jié)晶也隨之變得細致緊密。在陰極極化作用隨陰極電流密度的提高而增大的情況下可適當提高電流密度的方法提高極化作用，但不能超過所允許的上限值一 電鍍原理（2）適當降低電解液的溫度 降低溫度能夠減慢陰極反應(yīng)速度和離子擴散速度，提高陰極極化作用。但是實際操作中對于提高溫度所帶來的負面影響，可以通過增大電流密度而獲得補償。因為提高溫度，就可以進

10、一步提高電流密度，從而加速了電鍍過程。因此在具體操作過程中，根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)電解液的溫度。 （3）加入絡(luò)合劑 在電鍍生產(chǎn)中能夠絡(luò)合主鹽中金屬離子的物質(zhì)稱為絡(luò)合劑。因為絡(luò)離子較簡單離子難以在陰極上還原，從而提高陰極極化值。一 電鍍原理（2）適當降低電解液的溫度 降低溫度能夠減慢陰極反應(yīng)速度和離子擴散速度，提高陰極極化作用。但是實際操作中對于提高溫度所帶來的負面影響，可以通過增大電流密度而獲得補償。因為提高溫度，就可以進一步提高電流密度，從而加速了電鍍過程。因此在具體操作過程中，根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)電解液的溫度。 （3）加入絡(luò)合劑 在電鍍生產(chǎn)中能夠絡(luò)合主鹽中金屬離子的物質(zhì)稱為絡(luò)合劑。因為絡(luò)離子較簡單離

11、子難以在陰極上還原，從而提高陰極極化值。二鍍液2.1 鍍液的組成和評價 電鍍生產(chǎn)中的鍍液一般由主鹽和添加劑兩部分組成。不同用途的鍍液體系的添加劑有所不同，即使用途相同，不同廠家的鍍液也有不同。鍍液中主鹽為金屬鹽類，其作用是提供金屬離子，在PCB電鍍銅鍍液的主鹽一般為硫酸銅、硫酸，添加劑包含絡(luò)合劑、光亮劑等。 在鍍液生成中鍍層在零件表面上分布的均勻性和完整性是決定鍍層質(zhì)量的重要因素。實際上不管哪種鍍液，其所得鍍層總不是十分均勻的。為評定鍍液的優(yōu)劣，可以用鍍液的分散能力和覆蓋能力來表示。二 鍍液 分散能力是指鍍液所具有的鍍層厚度均勻分布的能力，也叫均鍍能力。覆蓋能力是指鍍液能使零件深孔、凹洼的表面

12、沉積出鍍層的能力，也叫深鍍能力。鍍液的分散能力只說明鍍件表面厚度的的均勻程度，而覆蓋能力只說明鍍件表面凹入處或深孔處有無鍍層沉積。這兩個概念共同表示零件在鍍液中能否得到完整、均勻的鍍層。二 鍍液2.2 影響鍍液分散能力和覆蓋能力的因素 影響鍍層分布的因素主要有以下幾個方面：（1）電流分布 首先鍍層的分布與電流的分布有關(guān)系。根據(jù)法拉第定律:電流通過電解質(zhì)溶液時，在陰極上析出物質(zhì)的量與通過的電童成正比。從這一點來說，陰極表面不同部位所得鍍層的薄厚、均勻與否(如果不考慮電流效率的影響)就決定于電流在陰極表面上分布是否均勻。電流密度愈大，鍍層也就愈厚，反之鍍層愈薄,因此金屬在陰極表面上的沉積量取決于電

13、流在陰極表面上的分布。二鍍液2）電流效率 金屬在陰極表面的分布還與電流效率有關(guān)。鍍層金屬的分布決定于電流的分布，但金屬的分布不等于電流的分布。因為通過陰極的電流不單是消耗于金屬離子的沉積，而且消耗于析氫和其他副反應(yīng)，即存在電流效率問題。電流效率隨電流密度的變化而改變，其影響金屬在不同部位上分布，可分為以下三種情況： 陰極電流效率隨電流密度的改變而幾乎沒有變化的，如硫酸鹽鍍銅、鍍鋅等電流效率對金屬的分布沒有影響，陰極不同部位上鍍出的金屬多少，就直接決定于該處的電流大小。二 鍍液 陰極電流效率:它隨電流密度的升高而下降的，則能提高分散能力。這是大多數(shù)絡(luò)合物電解液的特點。由于電流密度大的地方電流效率

14、低，電流密度小的地方電流效率高。這樣使各處的電流密度分布變得更加均勻些，電解液的分散能力得到了改善。 陰極電流效率：它隨電流密度的升高而增大的，則會降低分散能力。由于陰極上電流密度大的地方電流效率高。電流密度小的地方電流效率低，這樣各處的實際電流密度更加不均勻，而造成分散能力的低下。如在鍍鉻時由于陰極極化小，再加上電流效率隨電流密度的增高而加大，其分散能力很差，甚至在一個平板（陰極）上電流的分布也很不均勻，鍍層厚度相差懸殊。二 鍍液（3）基體金屬的表面狀態(tài) 基體金屬的表面狀態(tài)對金屬在陰極表面的分布有著重大的影響。金屬在不潔凈的陰極表面上很難沉積出均勻的鍍層，甚至不能沉積。由于氫在粗糙表面上的過

15、電位小于光滑表面，所以在粗糙表面上氫容易析出，鍍層就難以沉積。（4）幾何因素 電鍍槽的幾何形狀，陰陽級的形狀和尺寸，兩個電極在電鍍槽中的排布形式等幾何因素直接影響著鍍層的分布。 所有這些與電解液分散能力和覆蓋能力有關(guān)的因素，彼此不是孤立的，而是有著內(nèi)在的聯(lián)系。在實際操作實踐中要根據(jù)具體情況找出主要影響因素。二 鍍液 2.3 改善電解液分散能力和覆蓋能力的途徑 在電鍍生成中。根據(jù)影響鍍層分布的主要因素采取以下相應(yīng)的措施。（1）陰極極化度 對于陰極極化較小的電解液，力求增大陰極極化的因素。當其他條件不變時凡是陰極極化隨電流密度的變化而較大改變的電解液，即陰極極化度（改變單位電流密度所引起的電極電位

16、的變化）大的鍍液，其分散能力較好。因此間接或直接促使陰極極化度增大的因素如選擇適當?shù)慕j(luò)合劑及添加劑，均能改善鍍層的分散能力和覆蓋能力。二 鍍液（2）鍍液電導率 對電阻較大的電解液，可以適當加入導電能力較強的電解質(zhì)。當鍍液的陰極極化度較大時，提高電導率能明顯地提高分散能力和覆蓋能力。如果極化度較小那么對分散能力影響就不大。 （3）陰極電流效率 改善陰極電流效率，可提高電解液的分散能力和覆蓋能力。 （4）基體金屬的表面狀況 提高基體金屬的表面光潔度，采用短時間沖擊電流，提高氫在基體金屬上的過電位等。可以改善基體金屬對分散能力和覆蓋能力的不良影響二 鍍液（5）幾何因素的影響 在實際生產(chǎn)中經(jīng)常采用輔助

17、陰極和象形陽極，合理調(diào)節(jié)陰陽極之間的距離等方法盡可能消除幾何因素對電解液分散能力的影響。 例如鍍鉻電解液就是一個特殊的例子。它是一種具有強氧化能力的酸性電解液，在所應(yīng)用的電解液中分散能力最差的一種。在鍍鉻時為了提高電解液的分散能力往往從電化學性能以外的角度出發(fā)，采用加保護陰極，使用輔助陽極和非金屬屏蔽以及合理調(diào)節(jié)電極之間距離等方法，使其處于最佳的電流分布狀態(tài)。二 鍍液均勻性和深鍍能力的測試方法：（1）均勻性 （2）深鍍能力二 鍍液2.4 影響鍍層質(zhì)量的主要因素 影響鍍層主要因素有以下幾個方面：（1）鍍前處理是否良好 實踐證明造成鍍層質(zhì)量事故多數(shù)是由于金屬制品的鍍前處理不當和欠佳所致。鍍前處理的

18、每道工序都會直接影響到鍍層質(zhì)量。（2）電鍍?nèi)芤旱谋拘?鍍液的性質(zhì)、組成成分、各成分的含量以及附加鹽、添加劑的含量等都會影響鍍層質(zhì)量。（3）基體金屬的本性 鍍層金屬與基體金屬的結(jié)合是否良好，與基體金屬的化學性質(zhì)有密切關(guān)系，如基體金屬的電位負于鍍層金屬的電位，或?qū)σ子阝g化的基體或中間層，若不采取適當?shù)拇胧┖茈y獲得結(jié)合牢固的鍍層。二 鍍液（4）電鍍過程 電鍍過程中的各個工藝參數(shù)，如電流密度、溫度、送電方式，移動和攪拌等對電鍍具有明顯的影響。（5）析氫反應(yīng) 在電鍍過程中大多數(shù)鍍液的陰極反應(yīng)都伴隨有氫氣的析出。在不少情況下析氫對鍍層質(zhì)量有惡劣的影響：主要有針孔或麻點，鼓泡，氫脆等。如當析出的氫氣粘附在陰

19、極表面上會產(chǎn)生針孔或麻點；當一部分還原的氫原子滲入基體金屬或鍍層中，使基體金屬及鍍層的韌性下降而變脆，叫“氫脆”。 （6）鍍后處理 鍍后對鍍件的清洗、鈍化、除氫、拋光、保管方法等都會繼續(xù)影響鍍層質(zhì)量。 （7）電源 除采用一般的直流電源外，根據(jù)實際需要廣泛采用換向電鍍的方法，使用周期換向電流。因此各種電源會對鍍層質(zhì)量產(chǎn)生相應(yīng)的影響。二 鍍液2.5 電鍍光亮劑的類型 要獲得好的深鍍能力除了與前述的影響因素之外，另個一個重要的因素為光亮劑的類型，一般光亮劑按類型可分為：普通直流光亮劑、脈沖光亮劑、填孔（直流）光亮劑、低電流直流光亮劑等；按其作用可分為光亮劑、載運劑和整平劑。二 鍍液2.7 光劑的作用

20、原理 光亮劑一般含硫有機物，常見有時磺酸丙硫醇和其他二價硫化物。槽液中會與氯離子作用而被吸附在待鍍面上，在酸性鍍銅中具有“去極化”作用，提高鍍銅速度。 反應(yīng)過程中將與整平劑、載運劑、CL-協(xié)同作用從而獲得良好的鍍層。二 鍍液例：典型的二硫光亮劑反應(yīng): R-S-S-R + 2 H+ + 2 e = 2 R-SH Cu+ 減少和螯合反應(yīng): 2 R-SH + Cu+ + 2 Cl- = 2 R-S-CuCl Cu+進一步 減少: 2 R-S-CuCl + 4 H+ + 4 e = 2 Cu + 2 R-SH + 2 HCl 醇硫氧化反應(yīng): 2 R-SH = R-S-S-R + 2 H+ + 2 e

21、二 鍍液二 鍍液二 鍍液二 鍍液二 鍍液載運劑（carrier）作用原理二 鍍液載運劑（carrier）作用原理二 鍍液整平劑（leveler）作用原理二 鍍液整平劑（leveler）作用原理二 鍍液整平劑（leveler）作用原理二 鍍液整平劑（leveler）作用原理二 鍍液三 電鍍設(shè)備 電鍍設(shè)備包括：電氣設(shè)備、鍍槽設(shè)備、干燥設(shè)備、過濾設(shè)備以及其他輔助設(shè)備。 3.1 電氣設(shè)備 電源 是電鍍的關(guān)鍵設(shè)備。電源的種類比較多，可以根據(jù)具體的情況選擇合理的電源。電鍍生成的電源除了具備一些性能如電壓電流波形、過載能力、功率等。還需要具有電壓電流無級調(diào)節(jié)、電壓電流自動控制以及安全等特點。 目前電鍍電源主

22、要設(shè)備是硅整流裝置和可控硅裝置。硅整流裝置可以采用不同的線路和結(jié)構(gòu)。獲得半波、全波等多種波形的電流，以滿足不同電鍍的要求?？煽毓枵餮b置體積小、效率高、容易實現(xiàn)自動控制，便于自動生產(chǎn)線的管理。三 電鍍設(shè)備3.2 鍍前處理設(shè)備 鍍件清潔的表面是獲得鍍層的必要條件，所以電鍍前處理就顯得十分重要。前處理一般分為機械處理（如磨刷、拋光等）、化學處理、以及電化學處理等。對于PCB而言，一般采用機械處理（如磨刷）和化學處理方法。其目的是除去表面的油污和氧化層，PCB前處理設(shè)備相應(yīng)的多為槽體結(jié)構(gòu)。 3.3 電鍍槽 鍍槽是對電鍍生成所用各個工序?qū)Ｓ貌垠w的總稱，包括前處理槽、電鍍槽、清洗槽等。電鍍槽是電鍍生成的主要設(shè)備，要求其表面層與電鍍液長期接觸時不會腐蝕和溶解；同時要求槽體具有足夠的剛性和強度，以承受槽體和鍍液的重力以及鍍液的側(cè)壓力。根據(jù)需要有時還需要有保溫層、絕緣層和加熱裝置等。 槽體的尺寸與電鍍零件的尺寸有關(guān)?？紤]陰陽極的距離、液面高度等。還需要考慮陰極移動裝置和其他攪拌裝置等。三 電鍍設(shè)備3.4 其他輔助設(shè)備 主要有干燥設(shè)備、過濾設(shè)備等。 干燥方法有大氣干燥法、壓縮空氣干燥法、熱空氣吹氣法、遠紅外線加熱干燥法等。 過濾