第七讲——电镀液的电流效率
7电镀、刷镀
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电刷镀设备
电 源 镀 笔
电刷镀液
15Βιβλιοθήκη 河南农业大学机电工程学院电刷镀工艺
纳 米 电 刷 镀 参 数 选 择 刷镀 刷镀电压
刷镀电压 镀 镀 镀 镀
镀
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非金属电镀
说明： 说明： ① 非金属电镀是指对塑料、玻璃、陶瓷、纤维等非金属制品 电镀。 ② 非金属电镀的关键工艺是表面金属化，使非金属基体上生 成导电层以便进行导电。表面金属化的方法有化学镀法、 喷涂法、烧渗银法和涂刷法等。 ③ 塑料电镀是非金属电镀中应用最广泛的一种。通过电镀可 提高塑料制品的强度，防止老化，使其具有导电性、电磁 性、焊接性和装饰性的外观。 ④ 非金属电镀制品主要用于汽车、飞机某些装饰性零部件以 及印刷线路板、电子仪器屏蔽和碳纤维等。
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1)镀铁的工艺特点 1)镀铁的工艺特点
① ② ③ ④ 电解液温度低。 电解液温度低。 铁镀层与基体的结合强度高 铁镀层的硬度高， 铁镀层的硬度高，耐磨性好 沉积速度快，生产率高，镀铁的镀厚能力强， 沉积速度快，生产率高，镀铁的镀厚能力强， 镀层厚度可达2mm 2mm以上 镀层厚度可达2mm以上 ⑤ 电流效率高 电解液容易配制，成本低，有害气体少， ⑥ 电解液容易配制，成本低，有害气体少，对环 境污染小
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表面工程技术
河南农业大学机电工程学院 王万章 教授 wanzwang@
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第七讲 电镀、刷镀工艺 电镀、
电镀工艺是利用电解原理在金属或非金属零件表面上镀覆 一层金属的过程。它是一种修复工艺，也是一种强化工艺。 一、电镀 l.电镀工艺 l.电镀工艺 电镀分为有槽电镀 有槽电镀和无槽电镀——电刷镀 电刷镀。 有槽电镀 电刷镀
电镀液的电流效率：阴极上的主反应与副反应
电镀液的电流效率：阴极上的主反应与副反应电镀液的电流效率：阴极上的主反应与副反应关键词：电镀液，电流，效率，阴极，主反应，副反应作者：内容：1 阴极上的主反应电镀时通入电流，是要在作为阴极的工件上电沉积所需要的镀层组分，即希望主盐金属离子放电还原为金属原子，最终形成符合要求的电镀层。
故一般仅将主盐金属离子的还原反应视为主反应。
如镀锌是Zn2++2e-→Zn，镀铜是Cu2++2e-→Cu，镀铬是Cr2O2-7+ 14H++ 12e-→2Cr + 7H20，镀镍铁合金是Ni2++ 2e-→Ni及Fe2++ 2e-→Fe，等等。
对带n个正电荷的金属离子Men+而言，一般还原反应的通式为：Men++ ne-→Me。
事实上，金属离子并非均以简单离子的形式存在，因而实际反应要复杂些，如络离子的破络、多价金属离子的分步还原等。
主反应是我们希望在阴极上发生的还原反应。
2 阴极上的副反应实际在阴极上除了发生主反应之外，或多或少会发生一些多数情况下我们不希望的其他反应，这些统称为副反应。
2．1 氢离子的还原氢离子H+还原，最终生成氢气：2H++2e-→H2↑。
这是一个最易发生的主要副反应。
多数情况下该反应都有害：(1)降低了电源所供电流的利用效率。
(2)氢气泡附着在工件表面而不能及时逸出时，镀层会产生气体针孔、麻点。
(3)由于氢气分子的体积小，易渗入基体材料，使其产生脆性(专称为“氢脆”)，甚至产生“氢致延迟断裂”。
(4)渗入基体的氢气富集时产生很大的压力，使镀层在存放一段时间后起小泡。
(5)引起镀层缺陷，最常见的是高电流密度区镀层结晶粗糙、疏松、烧焦。
(6)装挂不恰当时，产生的氢气使工件内部局部“窝气”，无法形成镀层。
少数情况下人们也利用析氢副反应。
H+被还原为H原子而尚未结合成H2分子时形成所谓的“活性氢原子”，具有很强的还原能力，可以还原金属表面的氧化(钝化)层，使其活化。
例如无氰碱铜预镀的“闪镀铜”与不锈钢闪镀镍都要求大量析氢，以提高镀层与基体的结合力；铬上再镀铬采用“阶梯升电法”使原铬层析氢活化，二次铬镀在活化了的铬层上就不会发灰。
电镀基本原理及应用
电镀液覆盖能力的测定 • 电镀液的覆盖能力 表征镀层在镀件的深凹部位或内孔部位能否镀 上镀层的能力 • 影响因素 1.基体金属本性的影响 2.基体金属组织均匀程度的影响 3.基体金属表面关态的影响 测定方法 1.直角阴极法 2.内孔法 3.凹穴法 4.平行阴极法
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电镀Hull Cell试验 • 电镀过程中，电流的初次分布取决于溶液的电阻，溶液的电阻与阴 极之间的距离成正比。Hull Cell槽就是利用电流密在远，近阴极上 分布不同的原理，设计一种 平面阴极和平面阳极构成一定斜度的小 型电镀试验槽。 • • • • • • Hull Cell槽用途 1. 1.确定电镀工艺的电流密度范围 。 2.维护和调整镀液 3.电镀工艺的研究 4.测量镀液的分散能力 5.测量镀液的整平能力
电镀液性能的测试技术
• • • • • •
1.电镀液的pH值的测定 2.电镀液阴极电流效率的测定 3.电镀液分散能力的测定 4.电镀液覆盖能力的测定 5.电镀Hull Cell试验 6.电镀液整平能力的测定
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电镀液的pH值的测定 一.用pH试纸测pH值 pH试纸是用滤纸浸泡在几种酸碱指示剂的混合液中，取出后经 晾干而制成。在不同的酸性或碱性溶液中会显示不同的颜色。 二.pH计法测pH值 pH也称酸度计，仪器的基本原理相当一台电位测量仪，采用玻 璃电极为测量电极，甘汞电极为参比电极，测量两电极在溶液中的 电位差，溶液中氢离子的浓度不同，则玻璃电极有不同的电位，经 过信号的转换处理，把测的电位值显示为pH值。
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电镀液分散能力的测定 一.电镀液分散能力 表征镀层厚度分布的均匀性，用“分散能力”这一术语，其含义是 “电 镀液所具有的使镀件表面镀层厚度均匀分布的能力”。 二.电极在阴极表面的分布情况 (一)电流通过电镀槽时遇到的阻力 1.金属电极和导线的欧姆电阻(Rd)。 2.电解液本身的溶液欧姆电阻(Rr). 3.当电流通过电极和溶液的两相界面时也有一定的阻力，这个阻力是由于电化学反应 过程或离子放电过程的迟缓引起的电化学极化和浓差极化所造成的，称之为极化电 阻(Rj)。 (二)电流在电极表面的分布 1.电流的初次分布 假设极化电阴不存在，Rj=0，只讨论溶液欧姆电阻(Rr)对阴极电 流分布的影响，我们把该情况下的电流分布称之为电流的初次分布。 2.电流的二次分布 在电镀过程中，阴极极化是一定存在的，也就是说极化电阻Rj必 然要影响电流在阴极上的分布，此时的电流分布称之为电流的二次分布或称为电流 的实际分布。 电解液的分散能力就用电流的二次分布与初次分布的相结偏差来表示。 分散能力表达式：T= K-(I1/I2) ×100% K
电镀中的公式推导
I=(60ρd S)/(100Kηt）=R/t I：总电流， ρ：镀层金属密度， d：镀层厚度， S：总面积， K：电化当量， η：阴极电流效率， t： 时间， 安培（A） 克/立方厘米（g/cm3） 微米（μm） 平方分米（dm2） 克· 安时（g/（A· h）） % 分（min）
在镀件上，所有镀层的重量，就是阴极上的还原产物。镀层重量等于镀层体积乘以镀 层金属密度，镀层体积等于电镀面积乘以镀层厚度，因此， m实际（g）=v（cm3）* ρ（g/cm3） =s（dm2）*d（ μ m）* ρ（ g/cm3 ） =100s（cm2）*0.0001d（cm）* ρ（ g/cm3 ） = 0.01s（cm2）*d（cm）* ρ（ g/cm3 ） 法拉第第二定律：电镀过程中，阴极上还原出的物质的量与电镀时间和电流密度的关 系是： m实际（g）=m理论（g） * η（%） =t（h）*I（A）*K（g/（A*h）） * η（%） =1/60*t（min）*I（A）*K（g/（A*h）） * η（%） ， 即镀层重量=电镀时间*电流强度*比例常数*电流效率 因此 0.01s（dm2）*d（ μ m）* ρ（ g/cm3 ） = 1/60*t（min）*I（A）*K（g/（A*h）） * η（%） 两边同时除以1/60*t（min） *K（g/（A*h）） * η（%） ，得到： I （A） =[ 60s （dm2） *d （ μ m） * ρ（ g/cm3 ）]/[100t（min） *K（g/（A*h）） * η （%）]
法拉第第一定律：电镀过程中，阴极上还原物质析出的量与电镀的时间 和电流密度成正比。 电流密度：单位面积上的分布的电流的多少，表达式是：i=I/S，即电流 密度=总工作电流/总工作表面积 电流效率：电镀过程中会产生副反应，如析氢，总电量中，一部分产生 副反应，另一部分用于产生镀层，产生镀层的电量占总电量的比值叫电 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ效率，通常的计算方法是用以往生产中，对于给定电量，实际产生的 镀层厚度除以理论镀层厚度，理论镀层厚度要通过计算得到，计算公式 为： d=（100IKt）/（60 ρ t） 实际镀层重量等于通过电量理论应产生的镀层重量乘以电流效率，即 m实际（g）=m理论（g）* η(%)
电镀常用的计算方法
电镀常用的计算方法在电镀过程中，涉及到很多参数的计算如电镀的厚度、电镀时间、电流密度、电流效率的计算。
当然电镀面积计算也是非常重要的，为了能确保印制电路板表面与孔内镀层的均匀性和一致性，必须比较精确的计算所有的被镀面积。
目前所采用的面积积分仪(对底片的板面积进行计算)和计算机计算软件的开发，使印制电路板表面与孔内面积更加精确。
但有时还必须采用手工计算方法，下例公式就用得上。
1.镀层厚度的计算公式：(厚度代号：d、单位：微米)d=(C×Dk×t×ηk)/60r2.电镀时间计算公式：（时间代号：t、单位：分钟）t=(60×r×d)/(C×Dk×ηk)3.阴极电流密度计算公式：（代号：、单位：安/分米2）ηk=(60×r×d)/(C×t×Dk)4.阴极电流以效率计算公式：Dk=(60×r×d)/(C×t×Dk)第三章沉铜质量控制方法化学镀铜(Electroless Plating Copper)俗称沉铜。
印制电路板孔金属化技术是印制电路板制造技术的关键之一。
严格控制孔金属化质量是确保最终产品质量的前提，而控制沉铜层的质量却是关键。
日常用的试验控制方法如下：1．化学沉铜速率的测定：使用化学沉铜镀液，对沉铜速率有一定的技术要求。
速率太慢就有可能引起孔壁产生空洞或针孔；而沉铜速率太快，将产生镀层粗糙。
为此，科学的测定沉铜速率是控制沉铜质量的手段之一。
以先灵提供的化学镀薄铜为例，简介沉铜速率测定方法：(1)材料：采用蚀铜后的环氧基材，尺寸为100×100(mm)。
(2)测定步骤：A. 将试样在120-140℃烘1小时，然后使用分析天平称重W1(g)；B. 在350-370克／升铬酐和208-228毫升／升硫酸混合液（温度65℃）中腐蚀10分钟，清水洗净；C．在除铬的废液中处理(温度30-40℃)3-5分钟，洗干净；D. 按工艺条件规定进行预浸、活化、还原液中处理；E. 在沉铜液中(温度25℃)沉铜半小时，清洗干净；F. 试件在120-140℃烘1小时至恒重，称重W2(g)。
电镀化学镀实验
上电镀锌 的原理和实验技术，通过实验使学生了 解到电镀的原理和过程。 2.了解添加剂、电流密度、镀液pH值对 电镀的影响，通过电流效率的计算认识 到电镀过程中存在的副反应。 3.了解化学镀的原理和过程。
实验原理
电镀：在含有金属离子的溶液中，在电场 的作用下，金属离子在阴极得到电子并被 还原，从而沉积在阴极金属基体表面。 以镀铜为例， 阴极主要反应 : Cu2+(aq) + 2e- → Cu (s) 阳极主要反应: Cu (s) → Cu2+(aq) + 2e-
实验步骤
2．电镀液的配制 按以下的配方配制100 ml镀锌基础溶液： KCl 200 g/L ZnCl2 60 g/L H3BO3 25 g/L
实验步骤
3. 添加剂对电镀的影响 取上述电镀液40 ml在小烧杯中，用pH试 纸测量出溶液的pH值并记录，然后插入锌片作 为阳极，铜片为阴极，施加直流电，电镀过程 中开启搅拌，调节电流密度为15 mA.cm-2, 电镀 时间为5分钟，观察铜片电极表面镀锌层的颜色 和均匀性。
实验原理
化学镀：以化学镀镍为例，利用镍盐溶液 在强还原剂次亚磷酸钠的作用下，使镍离 子还原成金属镍，反应过程为： Ni2+ + H2PO2- + H2O →HPO32- + 3H+ + Ni 反应必须发生在催化活性表面上（如Fe 等金属基体），且需要在较高的温度 （60≤T≤95℃）下，反应才能进行。
实验步骤
6．电流效率的计算： 另取上述锌基础溶液40 mL在小烧杯 中，加入镀锌添加剂（氯锌－8号）20 mL/L并溶解均匀。取一个铜工作电极称 其质量，待镀面积总共为2 cm2，然后放 入镀液中，施加电流密度为15 mA· -2， cm 电镀时间为10分钟，然后取出用蒸馏水冲 洗干净，并用热风吹干，称重。计算出沉 积上的Zn的质量，再和理论沉积量进行 比较，计算出电流效率。
电镀基本计算
电镀基本计算(附录三)1.0 法拉第定律法拉第定律又叫电解定律，是电镀过程遵循的基本定律。
法拉第(Michael Faraday l791-1867)是英国著名的自学成才的科学家，他发现的电解定律至今仍然指导着电沉积技术，是电化学中最基本的定律，从事电镀专业的工作者，都应该熟知这一著名的定律。
它又分为两个子定律，即法拉第第一定律和法拉第第二定律。
(1)法拉第第一定律法拉第的研究表明，在电解过程中，阴极上还原物质析出的量与所通过的电流强度和通电时间成正比。
当我们讨论的是金属的电沉积时，用公式可以表示为：M=KQ=KIt式中M一析出金属的质量；K—比例常数；Q—通过的电量；I—电流强度；t—通电时间。
法拉第第一定律描述的是电能转化为化学能的定性的关系，进一步的研究表明，这种转化有着严格的定量关系，这就是法拉第第二定律所要表述的内容。
(2)法拉第第二定律电解过程中，通过的电量相同，所析出或溶解出的不同物质的物质的量相同。
也可以表述为：电解lmol的物质，所需用的电量都是l个“法拉第”(F)，等于96500庫仑，或者26．8 A•h。
1F=26.8A•h=96500庫仑结合第一定律也可以说用相同的电量通过不同的电解质溶液时，在电极上析出(或溶解)的物质与它们的物质的量成正比。
由于现在标准用语中推荐使用摩尔数，也可以用摩尔数来描述这些定理。
所谓摩尔是表示物质的量的单位，每摩尔物质含有阿伏伽德罗常数个微粒。
摩尔简称摩，符号mol。
由于每mol的任何物质所含的原子的数量是一个常数，即6.023 ×1023，这个数被叫作阿伏伽德罗常数。
说明：上面的代号是定律的表达，我推荐的计算用代号见下述。
2.0 电化学常数(C)：电化学常数(C)与电镀的电材质有关。
材质名称C--- (G/I-t)式中：G---电镀镀上基体上的量(g)I--电镀使用用电流(A)t---电镀使用时间(h)铜(Cu) 1.186 (二价铜)锌(Zn) 1.2196锡(Sn) 2.214铜(Cu) 2.271 (一价铜)对於合金的电化学常数(C)要按它的组分来计算，下面对黄铜合金示例：例：67.5﹪合金黄铜的电化学常数(C)计算公式：C(Cu-Zn)=1/(Cu﹪/C-Cu -Zn﹪/C-Zn)C(Cu-Zn)=1/(0.675/2.371-0.325/1.2196)=1.8143 g/A-h(克/安培-小时)3.0 钢丝线密度(g)：计算公式：g=6.16d²(见结构计算)4.0 镀层重量：命名：δ---镀层厚度(μ) μ=微米d---钢丝直径(mm)W---单位镀层重量(g/Kg)公式：δ=kdwk---镀层材质常数k的计算式为k=γ-s/4γ-cγ-s----基体材料比重γ-c----镀层材料比重下列常数中基体材料为轧制钢，比重采用7.85。
电镀液性能PPT课件
镀铬电解液的覆盖能力最差，并且因基体 金属的不同而不同：铜＞镍＞黄铜＞钢
改善覆盖能力的方法
➢冲击镀 ➢中间镀层
注意
• 析氢过电位低的基体金属，金属就不容易 析出，所以若基体金属组织不均匀或其表 面含有降低氢过电位的金属杂质．则此表 面就可能没有镀层。
• 基体金属表面不洁部位沉积困难 • 基体金属表面粗糙度大沉积困难
(1)初次电流分布(或一次电流分布)
• 初次电流分布：假设阴极极化不存在时 的电流分布，此时R 极化≈ 0。
I1 jK1 R电液2 I2 jK2 R电液1 I1 jK1 l2 K I2 jK2 l1
(2)二次电流分布(或实际电流分布)
• 二次电流分布：阴极极化存在时的电流分布
I1 R电液2 R极化2 I2 R电液1 R极化1
电解液的整平作用：电解液所具有的能使 镀层的微观轮廓比底层更平滑的能力。
微观轮廓—指粗糙度小于0.5毫米的表面 宏观轮廓—指复杂形状的零件表面
注意
• 镀液的分散能力是指在宏观轮廓表面上的 沉积分布情况，是宏观分散能力
• 镀液的整平能力是指在微观轮廓表面上的 沉积分布情况，是微观分散能力
例如
• 硫酸盐镀铜溶液宏观分散能力差，但整平 能力强，能填平基体表面的微观孔穴
K M1 T M 2 100%
K
实际电流分布与极化率、溶液电阻率、几何尺 寸等的关系
远阴极和近阴极与阳极之间的距离差
I1 I2
j1 j2
1
l1
l 1
j
近阴极和阳极之间的距离 电解液的电阻率
阴极极化度
j
j2
j1
j
阴极极化曲线
３、影响电流和金属在阴极表面分布的因素