电镀基本概论

電鍍基本概論作成:劉家冕1.選擇性連續電鍍概論1.1選擇性連續電鍍是藉由(微張力同步電鍍機械設備製程)，在物件製品表面具有銅材表面，利用電氣電解原理還原一層保護金屬皮膜，使物件製品表面具有耐腐蝕性、耐磨性、電導性、焊錫性等特性。1.2影響電鍍層皮膜的物理及化學性質之主要因素與電鍍製程之操作條件有關。諸如電解液的溫度、電流密度、pH值、不純物質及攪拌速率等之操作條件皆會影響。2.電鍍基本理論2.1對電解液施加外加電壓，便有電流通過，電解質在電流作用下被分的過程叫電解。2.2電解時，電解液中陽離子跑向陰極，在陰極得到電子被還原。陰離子跑向陽極失去電子被氧化。陰极:Cu++2eCu(還原)2H++2eH2陽極:Cu-2eCu2+(氧化)40H--4e2H2O+O22SO42-+2H2O-4e2H2SO4+O2從陽離子上溶解的銅，補充了電解液中的銅離子的消耗，如果我們在陰極上挂上經清洗好表面的零件，則銅在零件上沉積的過程叫電鍍。2.3金屬的電極電位:2.3.1電位負的金屬可將電位正的金屬置換過來。2.3.2電位正的離子首先析出，電位負的離子首先溶解。2.4極化:電解時電極電位發生改變並產生反向電動勢，阻礙電流的通過叫做極化。極化所增加的電壓叫超電壓。濃差極化------離子遷移速度所造成的極化。電化學極化------離子放電遲緩而造成的極化。極化發生在陽極上叫陽極極化。極化發生在陰極上叫陰極極化。2.5極化對電鍍的影響:2.5.1有利於得到結晶細致的鍍層。(陰極極化)2.5.2有利於改善分散能力，使鍍層均勻分布。2.5.3使析氫加劇，降低電流效率和鍍層的結合力。嚴重時造成鍍層起泡、脫皮現象發生。2.5.4陽極極化不利於陽極的正常溶解，消耗電力，不利於電解液的穩定工作。2.6影響極化作用的因素:2.6.1電解液特性的影響主監濃度-----濃度越低極化作用越強。有機添加劑、緩衝劑及加入和主監(同離子效應)的物質皆可提高極化作用，加入活性物質可降低陽極極化。2.6.2電流密度的影響隨電流密度增高，極化作用會增強。2.6.3溫度的影響隨溫度的增高，極化作用會降低。2.6.4攪拌的影響隨攪拌速度增加，極化作用會降低。2.7庫侖定律:Q=I×tI:電流(A)t:時間(秒)2.8法拉第定律:Q=96500×π×WMπ:化合物數W:重量(g)M:分子量2.9厚度計算:由庫侖定律及法拉第定律可推演出厚度之計算公式I×t=96500×π×WMW=I×t×M96500×πW=D×σ×A(cm)(g/cm2)(cm3)D×σ×A=I×t×MD=厚度96500×πD=I×t×M96500×π×ρ×A1cm=2.54×10-6μ〞μ〞=I×t×M(厚度單位轉換)96500×π×ρ×A×2.54×10-6=I×t(秒)×M(面積單位轉換)96500×π×ρ×1dm2×2.54×10-6100I(電流)=ASD×t(分)×MASD=dm2(面積)96500×π×ρ×1dm3×2.54×10-6×60100=ASD×t(分)×M0.147×π×ρ2.10耗金計算:重量=長×寬×厚×密度(cgs制)2.10.1端子Kpcs=1000pcsPGCg/K=A(cm3)×2.54×10-6×μ〞×19.3×1000÷0.683=A×μ〞×0.0717745[1g金監(PGC)=0.683g純金]2.10.2銅片長=1000×金寬×金厚×2.54×10-6×19.3÷0.683材寬×材厚×ρ101010=金寬(mm)×金厚(μ〞)×0.718材寬(mm)×材厚(mm)×銅ρ銅材密度=1.青銅:8.72.磷銅:8.93.鈹銅:8.3g/cm32.11電流密度(η):η=W×100%I×t×C式中W--實際析出的物質重量(g)I--電流(安培)C--電化當量(克/安培--小時)電化當量:在1個單位時間內通過1安培電流在陰極上析出的物質重量就叫物質的電化當量2.12[例題1]已知鍍鎳電解液的電流效率η=95%電流密度CD=4.5ASD，求鍍2.5分鐘所得到的鍍層厚度(μ〞)。解:因為μ〞=ASD×t×M×0.950.14×π×ρ從週期表查得鎳分子量M=58.71密度ρ=8.907g/cm3化合價=2所以μ〞=4.5×2.5×58.71×0.95=240μ〞0.147×2×8.907[例題2]已知每1pcs鍍金端子之鍍金面積為4.5mm2，厚度為15μ〞，求此端子每Kpcs之耗金為多少?(以PGC表示)解:因為PGCg/K=A×μ〞×0.0717745鍍金面積A=4.5mm2=0.045cm2所以g/K=0.045×15×0.0717745=0.048(PGC)鍍金端子每Kpcs之耗金為0.048g/PGC[例題3]通過電流20安培經2小時在陰極析出鉻之重量為1.8克，求鍍鉻電解液的電流效率?解:因為η=W×100%I×t×C從表三查得鉻電化當量C=0.324g/安培--小時所以η=1.8×100%=13.9%20×2×0.324鍍鉻電解液的電流效率為13.9%[例題4]已知金槽之有效長鍍為1.52米，端子之pitch為7.6mm，鍍金面積每pcs為mm2，試求在電流1.2A的情形之下欲鍍得24μ〞金厚度需開多少速度?(η=30%)解:速度=長度時間μ〞=ASD×t×M×300.14×π×ρ100t=0.147×π×ρ×μ〞×100ASD×M×30t=0.147×3×19.3×24=0.3分鐘(停留槽內之時間)11.5×196.97速度=1.52=5m/min0.33.製程之控制與管理3.1連續電鍍流程圖放料脫脂脫脂水洗水洗酸浸水洗(陰脫)(陽脫)水洗鍍鎳鍍鎳鍍鎳鎳回收1鎳回收2鎳回收3水洗水洗翻轉鍍金鍍金金回收1金回收2金回收3預金預金回收1預金回收2預金回收3翻轉鍍錫鍍錫鍍錫水洗水洗封孔水洗水洗熱水吹氣烘干導正收料回收系統:係已逆向傳送方式將帶出之鍍液回收，並使回收水保持低濃度之水洗液以確保水洗之效果。即回收3回收2回收1鍍槽框形部份之流程可相互對調3.2脫脂工程3.2.1目的金屬表面因加工作業時，沾上了機械油，所以表面常留有油污，假使不能脫脂去油，直接電鍍，那麼鍍層起泡或整片剝落，因此充份脫脂是必要的，換句話說是要金屬表面清潔干凈。3.2.2說明1.鹼性脫脂:以苛性鈉或苛性鉀為主之脫脂劑，此种脫脂的機構，完全依賴油脂之皂化作用以去除油脂，其缺點是去脂速度慢，優點是成本低廉壽命長。2.溶劑脫脂:是一种利用溶劑溶解油脂的方法，如工業上最常用的三氯乙烯。(需防日光照射，長時間加熱造成溶劑分解成有害物質，傷害人體}3.乳化脫脂:這是使用煤油等碳化氫係的有機溶劑，再加上介面活性劑，其脫脂之機構，主要是乳化作用。優點是脫脂速度快、不需加熱、節省能源)。4.電解脫脂:這是在鹼性之脫脂液內，通直流電以進行脫脂之方法。通常分為陽極電解法及陰極電解法。此方法係通以直流電讓陰極發生氫氣，而陽極產生氫氣，油脂受到氣體的攪拌及溶液之皂化作用而達到快速去除油脂之目的。一般操作條件:電壓5-6V電流密度5-10ASD溫度60~90℃優點:脫脂快速表面干凈缺點:消耗太多能源3.3.3問題探討1.濃度不足，溫度太低，皂化效果不佳，無法有效去除油污。2.濃度過高:脫脂效果反而會急速下降。3.pH值太高:會腐蝕底材，如黃銅在pH=11.5時，即會遭脫脂劑的腐蝕。4.電壓太高:易使導輪過熱，致使表面粗糙嚴重時會產生火花、容易擊傷素材。5.清洗不夠:脫脂後的水洗若不充份，其後的中和作用將無法完全清潔，而殘留表面，使鍍層密著不良。3.3.4製程管制1.定時取樣，分析濃度。2.定期更換鍍液。3.隨時檢查導輪，如發現碳黑現象，立即更新。4.經常點檢管路閥門是否鬆脫阻塞，閥門泵旋轉葉片是否脫落。5.檢查溫度控制器感溫棒、液位是否正常。6.檢查電線接點是否正常。3.3酸洗工程3.3.1目的浸洗兼有除銹及活化雙層效果，即在酸浴中除去鐵銹及黑皮等氧化物。3.3.2說明1.硫酸:一般常用5~10%重量百分率之硫酸溶液，浸漬時間如果太長，須加抑制劑0.1~0.5%，抑制劑之主成份是膠、奎碄、苯胺、硫尿，砒啶等。2.鹽酸:鹽酸之除銹效果以化學溶解為主，濃度10~20%體積百分率，常溫下使用。3.3.3製程管制1.定時取樣分析(有污染時隨時更換)。2.定時更新溶液。3.檢查管路閥門是否鬆落，閥門泵旋轉葉片是否脫落。3.3.4問題探討1.酸濃度及其效果會隨作業時間之增加而減弱，當濃度不足時，無法中和脫脂殘留物，更無法除銹及活化底材，使鍍層密著性變差。2.酸濃度過高時，會溶解金屬表面，使底材粗化，鍍層不佳且易對閥門泵造成傷害。3.3.5注意事項1.倒取酸液時應戴塑膠手套，防止灼傷。2.建浴時應注意將酸加入水中，不可將水倒入酸液中。3.4鍍鎳工程3.4.1目的利用鎳細致的鍍層，達到對底材完全的被覆作用，使鍍件具有更高的防銹能力。3.4.2說明1.以酸性氨基磺鹽類成份為底的系統比硫酸鹽類成份為底的系統其沉積速率更高、更具有優越的耐磨性、硬度及均一性。2.此系統是以二價的鎳作為鍍膜金屬附著於鍍件表層上，酸性氨基磺鹽類鎳組成較不受電流密度影響，即操作的電流密度範圍較寬。3.4.3氨基橫鹽類系統之操作條件操作條件單位範圍標准鎳含量g/l80~120100氯化鎳g/l5~1510硼酸g/l30~4035添加劑g/l0.5~53溫度℃50~6055pH3.8~4.64.2比重°βe28~3230電流密度A/dm25~40沉積密度4-5μm20A/dm2at25.Sec攪拌陰极劇烈攪拌，陽极與陰極比4:14.4.4鍍層特性1.外觀(Appearance)2.硬度(Hardness)3.密度(Dcnsity)4.光澤添加劑(BrightenerSystem)5.耐磨性(SbrasionResistance)6.抗腐蝕性(CorrosionResistance)3.5鍍金工程3.5.1目的利用金鍍層優越的導電性、耐磨性、延展性美觀的特性廣泛的被應用在電子金屬零件及半導體工業上。3.5.2說明1.以酸性鹽類金鈷合金成份為底的系統比鹼性鹽類成份為底來的穩定。酸性鹽類鈷合金系列具有優越的[鍍膜耐磨性、均一性及電鍍沉積效率]。2.此系統是以一價金的還原作為鍍膜金屬、而鈷隨著金的還原供沉積附著於鍍件表層上;酸性監燈鈷系組成之鍍液其操作電流密度範圍較寬廣，鈷之理想析出率0.為5~0.3%.3.一般鈷含量不可超過1200ppm。3.5.3鍍層特性1.外觀(Appearance)2.硬度(Hardness)3.密度(Dcnsity)4.光澤添加劑(BrightenerSystem)5.耐磨性(SbrasionResistance)6.抗腐蝕性(CorrosionResistance)3.5.4酸性金-鈷監類操作條件操作條件單位範圍標准金含量g/l6~1510鈷含量g/l0.4~0.80.6平衡監g/l25~4035添加劑g/l0.4~0.60.5溫度℃45~6055pH4.2~4.84.6比重°βe10~1614電流密度A/dm25~20沉積密度1μm10A/dm2at25Sec攪拌劇烈攪拌，陽极與陰極比3:13.5.6注意事項1.光澤添加劑之補充，需按安培小時添加或隨PGC添加量來補充。2.pH值超過4.8上易形成三價鈷，低于4.2以下，沉積速率趨緩。3.緩衝鹽之含量可用比重方式控制。緩衝鹽之作用:鈷、鎳其析，可增加其硬度;作.pH之緩衝;低金屬加強析出。4.發現鍍液污染值異常升高時，應立即找出污染源，控制污染之持續帶入。污染了值如超過容許範圍，即更新鍍液。5.藥品之採購，需要求廠商附檢測報告，確保藥品之純度。3.5.7金屬污染容許範圍及影響PS.以上之污染皆有可能來自原物料，故原物料需予以管制。污染物容許範圍可能污染原因現象鎳3000ppmm以下水洗不良，由鎳槽帶入鍍層顏色偏淡，呈綠色偏光現象，鍍層金比例偏低鈷600~1200pmm鈷添加劑過量鐵100pmm以下不純陽極溶出，零附件之溶出，掉入槽中鍍層光澤性好，易脆，附著力不良銅50pmm以下銅素材掉入槽中，陰