第六章 电镀和化学镀技术
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第六章 电镀和化学镀
二、电镀溶液的基本组成
主盐：沉积金属的盐类，用于提供金属离子。
有单盐，如硫酸铜、硫酸镍等； 有能与金属离子形成络盐的成分，如锌酸钠、氰锌酸钠等。
络 合剂：络合剂与沉积金属离子形成络合物，改变镀液的 电化学性质和金属离子沉积的电极过程，对镀层质量有很 大影响，是镀液的重要成分。
常用络合剂有氰化物、氢氧化物、焦磷酸盐、酒石酸盐、 氨三乙酸、柠檬酸等。
e
阴极反应： Cu2++ 2e = Cu 2H+ + 2e = H2↑
阴 极 阳 极
阳极反应： Cu- 2e = Cu2+ 4OH- -4e = 2H2O+O2↑
Cu2+ H+
＋
－
SO4 2OH—
工 件
CuSO4
以镀镍为例：将零件浸在 NiSO4 溶液中作为阴极，金属 Ni 板 作为阳极，接通电源后，在零件表面就会沉积出金属Ni层。 在阴极上发生还原的反应： Ni2++2e-→Ni 副反应： 2H++2e-→H2↑ 镍阳极上发生金属镍失去电 子变为镍离子的氧化反应： Ni→Ni2++2e副反应： 4OH-→2H2O+O2+4e-
板、螺钉、螺栓、仪器仪表外壳等。
镀锌层特性
纯净的镀锌层，在常温和大陆性气候条件下比较稳定； 在温度高于70℃的热水中，锌的电势变得比较正，失去对黑 色金属的保护作用。 它在潮湿的介质中容易生成一层主要由碱式碳酸锌组成的薄 膜(3Zn(OH)2· ZnCO3)，这层薄膜有一定防护能力。
在含氮离子介质中，锌不耐腐蚀，在海水中不稳定（Cd），
• 光亮剂——提高镀层的光亮度。 • 整平剂——改善镀液微观分散能力，使基体显微粗糙表面变平 整。 • 润湿剂——降低金属与溶液的界面张力，使镀层与基体更好地 附着，减少针孔。 • 掩蔽剂——消除微量杂质的影响。
第6章 电镀和化学镀
电镀过程中的基本术语
6．阴极性镀层：电极电位的代数值比基体金属大 的金属镀层。 7．阳极性镀层：电极电位的代数值比基体金属小 的金属镀层。 8．阳极泥：在电流作用下阳极溶解后的残留物。 9．沉积速度：单位时间内零件表面沉积出金属的 厚度。 10．初次电流分布：在电极极化不存在时，电流在 电极表面上的分布。
镀覆方法术语
6．钢铁发蓝（钢铁化学氧化）：将钢铁制件在空 气中加热或浸入氧化性的溶液中，使之于表面形成 通常为蓝（黑）色的薄氧化膜的过程。 7．冲击电流：电流过程中通过的瞬时大电流。 8．光亮电镀：在适当条件下，从镀槽中直接得到 具有光泽镀层的电镀。 9．合金电镀：在电流作用下，使两种或两种以上 金属（也包括非金属元素）共沉积的过程。 10．多层电镀：在同一基体上先后沉积上几层性质 或材料不同的金属层的电镀
＋ ＋ ＋ ＋
6.1.1 电镀过程及反应
6.1 电镀与电刷镀
6.1.1 电镀过程及其反应
阴极反应： Men++ ne = Me 2H+ + 2e = H2
阳极反应： Me- ne = Me n+。 OH- - 4e = 2H2O+O2
＋
Me n+
－
SO4 2Cl -
OH -
6.1.1 电镀过程及反应
阴极上的电镀过程包括五个步骤：
1）液相传质 2）前臵转化 3）电荷转移 4）晶核的形成 5）晶体生长
常见镀膜方式
电铸
− 通过电解使金属沉积在铸模上制造或复制金属制品（能将 铸模和金属沉积物分开）的过程。
常见镀膜方式
真空镀
− 主要包括真空蒸镀、溅射镀和离子镀几种类型， − 采用在真空条件下，通过蒸馏或溅射等方式在制件表面沉 积各种金属和非金属薄膜 − 可以得到非常薄的表面镀层，同时具有速度快附着力好的 突出优点 − 但是价格也较高，可以进行操作的金属类型较少 − 一般用来作较高档产品的功能性镀层，例如作为内部屏蔽 层使用。
电镀和化学镀技术
第六章电镀和化学镀技术
1. 电镀和化学镀在印制电路板工业应用的意义和目的是什么？印制电路板制造工业中常用到哪些电镀和化学镀镀种和技术，各镀种的作用是什么？
2. 铜镀层的作用及对镀层，镀液的基本要求是什么？
3. 解释和说明表6－2电镀铜镀液配方和工艺条件中，各组分和工艺条件的功能和作用。
4. 什么叫做霍尔槽试验，如何进行霍尔槽试验，霍尔槽试验在电镀工艺试验中有何作用？
5.酸性光亮电镀铜故障原因及排除方法有哪些？试作适当的说明。
6.印制板镀铜的工艺过程有哪几种？简述全板电镀和图形电镀的工艺流程，并说明这两种工艺的优缺点和适用范围。
7.什么叫做脉冲电镀？与直流电镀铜相比，脉冲电镀铜有何优点？
8.说明表6－8电镀锡铅合金配方中各主要成分的作用和工艺参数对镀层质量的影响。
9.电镀镍/金镀层的作用是什么？插头部位电镀镍层厚度应在什么范围，电镀金层厚度又应该控制在什么范围，才能满足要求。
10．来改善可焊性，并作抗蚀用的电镀镍/闪镀金对镍层和金层厚度的要求是多少？常采用什么电镀工艺配方。
11．化学镍和化学浸金层有何作用和优点？化学镀镍的基本原理是什么？化学镀和浸镀在原理上有何不同？
12．与直流镀金相比，脉冲镀金有何优点？采用脉冲镀金的镀液配方与相应的直流镀金的配方是否相同？
13．化学镀锡、镀银、镀钯和镀铑在印制电路板生产中有何应用？其相应的镀液配方和工艺参数是什么？。
第6章 电镀和化学镀
镀层按镀层的性能分为三类：
(1) 防护性镀层 镀锌及锌合金，镀镉等； (2) 防护装饰性镀层 多层镍+铬，钢+镍+铬，铜
+锡+铬，镍+铜+镍+铬等； (3) 功能性镀层
电镀层必须满足的三个条件：
1) 与基体金属结合牢固，附着力好； 2) 镀层完整，结晶细致，孔隙少； 3) 镀层厚度分布均匀。
1.2、电镀溶液的基本组成
1 析出金属的易溶于水的盐类，称为主盐； 2 能与析出的金属离子形成络盐的成分； 3 提高镀液导电性的盐类； 4 能保持溶液的PH值在要求范围内的缓冲剂； 5 有利于阳极溶解的助溶阴离子； 6 影响金属离子在阴极上析出的成分——添加剂。
考察一个电镀溶液是否满足生产的需要，一般 要了解一些基本的性能参数：包括电流效率、 分散能力、整平能力、覆盖能力等。
电刷镀设备石的墨用的电形量状、可用根水据量需比要槽制镀成少各很种多样，式，以 可以节约能适源应、被资镀源工。件表面形状为宜。刷镀某些镀 液时，也可以采用金属材料作阳极。
(2)镀液特点
电刷镀溶液大多数是金属有机络合物水溶液，络合物 一般在水中溶解度大，并且稳定性好。因而镀液中金 属离子含量通常比槽镀高几倍到几十倍。
1.3.3 刷镀
采用直流电源，电源的正极接镀笔，作为阳极，电源的负 极接工件，作为阴极。刷镀时使浸满镀液的镀笔以一定的 相对运动速度在工件表面上移动。随着刷镀时间的增长， 镀层逐渐增厚。
在镀笔与工件接触的部 位，镀液中的金属离子 在电场力的作用下扩散 到工件表面，并在工件 表面获得电子被还原成 金属原子，形成镀层。
电刷镀技术的特点：
(1)设备特点
电刷镀设备简单，体积小、重量轻，多为便携式 或可移动式，便于现场使用或进行野外抢修。
第6章 化学镀与电镀技术
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6.1.2 镀铜液的选择
镀铜溶液有多种类型如：硫酸盐型，焦磷酸盐型， 氟硼酸盐型以及氰化物型。 硫酸盐型镀液获得均匀，细致，柔软的镀层，并 且镀液成分简单，分散能力和深镀能力好，电流 效率高，沉积速度快，污水治理简单，所以，印 制板镀铜主要使用硫酸盐镀铜。
20-25
1-3.5 0.5-1.75 连续 空气搅拌 在2安培/分米2下， 0.45微米/分
36-40
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一种是用于零件电镀的普通硫酸盐镀铜液
一种是用于印制板电镀的高分散能力的镀铜液， 这种镀液具有“高酸低铜”的特点，因而有很高 的导电性和很好的分散能力与深镀能力。
电镀液
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搅拌的方式
1). 阴极移动： 阴极移动是通过阴极杆的运动来 实现工件的移动。 2). 压缩空气搅拌：对镀铜液而言，它能提供足 够的氧气，促进溶液中的Cu+氧化成Cu2+，协助消 除Cu+的干扰。 3). 过滤：过滤可以净化溶液，使溶液中的机械 杂质及时地除去，防止或减少了毛刺出现的机会
2-4
1-2
1-3
0.3-2
0.1-8
1-2
0.1-8.6
温度（°C）
28-32
22-26
21-32
21-32
阳极（含P%）
0.045-0.06
0.02-0.06
0.03-0.08
搅拌方式
空气搅拌 连续过滤
阴极移动 20-25mm/次 5-45次/分 可调
空气搅拌 阴极移动 连续过滤
空气搅拌 阴极移动 连续过滤
名称成分 硫酸铜（克/升） 硫酸（克/升） 氯离子(毫克/升) 添加剂
6.1.2 镀铜液的选择
镀铜溶液有多种类型如：硫酸盐型，焦磷酸盐型， 氟硼酸盐型以及氰化物型。 硫酸盐型镀液获得均匀，细致，柔软的镀层，并 且镀液成分简单，分散能力和深镀能力好，电流 效率高，沉积速度快，污水治理简单，所以，印 制板镀铜主要使用硫酸盐镀铜。
20-25
1-3.5 0.5-1.75 连续 空气搅拌 在2安培/分米2下， 0.45微米/分
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一种是用于零件电镀的普通硫酸盐镀铜液
一种是用于印制板电镀的高分散能力的镀铜液， 这种镀液具有“高酸低铜”的特点，因而有很高 的导电性和很好的分散能力与深镀能力。
电镀液
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搅拌的方式
1). 阴极移动： 阴极移动是通过阴极杆的运动来 实现工件的移动。 2). 压缩空气搅拌：对镀铜液而言，它能提供足 够的氧气，促进溶液中的Cu+氧化成Cu2+，协助消 除Cu+的干扰。 3). 过滤：过滤可以净化溶液，使溶液中的机械 杂质及时地除去，防止或减少了毛刺出现的机会
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0.1-8
1-2
0.1-8.6
温度（°C）
28-32
22-26
21-32
21-32
阳极（含P%）
0.045-0.06
0.02-0.06
0.03-0.08
搅拌方式
空气搅拌 连续过滤
阴极移动 20-25mm/次 5-45次/分 可调
空气搅拌 阴极移动 连续过滤
空气搅拌 阴极移动 连续过滤
名称成分 硫酸铜（克/升） 硫酸（克/升） 氯离子(毫克/升) 添加剂
电镀、电刷镀与化学镀
5
3、功能性镀层
能明显改善基体金属的某些特性的镀层：包括 耐磨镀层，如镀硬铬；减摩镀层，如铅——锡合 金、锡、钴——锡合金、银——锡合金等；导电镀 层，如银、金、金——钴合金等；导磁镀层，如 镍——铁合金、镍——钻合金、镍——磷合金、镍一 钴——磷合金等；钎焊性镀层，如锡，铅合金、 锡——铈合金等； 其它功能性镀层还有吸热镀层、反光镀层、防 渗镀层、抗氧化镀层、耐酸镀层等。
15
二、电镀反应
图6-1是电镀过程原理图，被镀 的零件为阴极，与直流电源的 负极相连，金属阳极与直流电 源的正极联接。阳极与阴极均 浸入镀液中。 当在阴阳两极间施加一定电压 时，则在阴极发生还原反应： 即从镀液内部扩散到电极和镀 液界面上的金属离子Mn+从阴极 上获得n个电子，被还原成金属 M。
26
5．电镀液的覆盖能力
在电镀生产中，常用到的另一个概念是覆 盖能力，亦称深镀能力，它是指电镀液所 具有的使镀件的深凹处沉积上金属镀层的 能力。 分散能力和覆盖能力不同， 前者是说明金属在阴极表面分布均匀程度 的问题，它的前提是在阴极表面都有镀层； 而后者是指金属在阴极表面的深凹处有无 沉积层的问题。
4
不同溶液和工艺参数下得到的镀层，性能和 用途也不同。按镀层的性能可将其分为三类：
1、防护性镀层 在大气或其它环境下，可 延缓基体金属发生腐蚀的镀层。如：钢铁 基体上的锌和锌合金镀层、镉镀层等。 2、防护装饰性镀层 在大气环境中，既可 减缓基体金属的腐蚀，又起到装饰作用的 镀层，如：多层镍+铬，铜+镍+铬，铜+锡 +铬，镍+钢+镍+铬等。
m kIt
式中，I为电流；t为通电时间。 只要知道比例常数k，根据实测的电流强度I和时 间t，就可以用上式来计算电极上析出（或溶解） 物的质量。
3、功能性镀层
能明显改善基体金属的某些特性的镀层：包括 耐磨镀层，如镀硬铬；减摩镀层，如铅——锡合 金、锡、钴——锡合金、银——锡合金等；导电镀 层，如银、金、金——钴合金等；导磁镀层，如 镍——铁合金、镍——钻合金、镍——磷合金、镍一 钴——磷合金等；钎焊性镀层，如锡，铅合金、 锡——铈合金等； 其它功能性镀层还有吸热镀层、反光镀层、防 渗镀层、抗氧化镀层、耐酸镀层等。
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二、电镀反应
图6-1是电镀过程原理图，被镀 的零件为阴极，与直流电源的 负极相连，金属阳极与直流电 源的正极联接。阳极与阴极均 浸入镀液中。 当在阴阳两极间施加一定电压 时，则在阴极发生还原反应： 即从镀液内部扩散到电极和镀 液界面上的金属离子Mn+从阴极 上获得n个电子，被还原成金属 M。
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5．电镀液的覆盖能力
在电镀生产中，常用到的另一个概念是覆 盖能力，亦称深镀能力，它是指电镀液所 具有的使镀件的深凹处沉积上金属镀层的 能力。 分散能力和覆盖能力不同， 前者是说明金属在阴极表面分布均匀程度 的问题，它的前提是在阴极表面都有镀层； 而后者是指金属在阴极表面的深凹处有无 沉积层的问题。
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不同溶液和工艺参数下得到的镀层，性能和 用途也不同。按镀层的性能可将其分为三类：
1、防护性镀层 在大气或其它环境下，可 延缓基体金属发生腐蚀的镀层。如：钢铁 基体上的锌和锌合金镀层、镉镀层等。 2、防护装饰性镀层 在大气环境中，既可 减缓基体金属的腐蚀，又起到装饰作用的 镀层，如：多层镍+铬，铜+镍+铬，铜+锡 +铬，镍+钢+镍+铬等。
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式中，I为电流；t为通电时间。 只要知道比例常数k，根据实测的电流强度I和时 间t，就可以用上式来计算电极上析出（或溶解） 物的质量。
第六章-电镀、电刷镀和化学镀
复合镀层，如 Ni-Al2O3，Co-SiC等。
若按镀层成分分类，可分为：单一金属镀层、合金镀层
及复合镀层。
6.2 电镀的基本原理及工艺
6.2.1 电镀的基本原理
阴极反应： Men++ ne = Me 2H+ + 2e = H2
阳极反应： Me- ne = Me n+。 OH- - 4e = 2H2O+O2
14
5.1.1金属的电沉积过程 6.2.2 电镀过程及反应
阴极上的电镀过程包括三个步骤： （1）液相传质：金属的水合离子或络离子从溶液内部迁移到阴 极表面; （2）电化学反应：金属水合离子脱水或络离子解离，金属离子 在阴极上得到电子发生还原反应生成金属原子; （3）电结晶： 还原的原子进入晶格结点。
钝化是在新镀出的镀层人为地形成一层致密的氧化物膜， 使镀层金属与空气隔绝，以提高镀层的防护性和装饰性。浸 膜是在镀后的零件表面浸涂一层有机或无机高分子膜，以提 高镀层的防护性和装饰性
24
6.2.5 影响电镀层质量的基本因素 1) 镀液的影响
①配离子的作用: 配离子使阴极极化作用增强，所以镀层比较致密， 镀液的分散能力也较好，整平能力较高。 ②主盐浓度的影响: 主盐浓度增大，浓差极化降低，导致结晶形核 速率降低，所得组织较粗大。这种作用在电化学极化不显著的单 盐镀液中更为明显。稀溶液的分散能力比浓溶液好。 ③附加盐的作用:除可提高镀液的电导性外，还可增强阴极极化能 力，有利于获得细晶的镀层。
③周期换向电流的作用:周期性地改变直流电流方向可适当控 制换向周期、电镀时间和退镀时间，可使镀层均匀、平整、 光亮。因为退镀时，可去除劣质镀层和镀件凸出处较厚的 镀层；周期换向还可减弱阴、阳极的浓差极化作用。 ④温度的影响: 通常温度升高，阴极极化作用降低，镀层结晶 粗大；但允许提高电流密度上限，并使阴极电流效率提高， 改善镀层韧性和镀液的分散能力，减少镀层吸氢量。不同 的镀液有其最佳温度范围。 ⑤搅拌的影响：搅拌增强电解液的流动，降低阴极的浓差极 化，使镀层结晶粗大，但搅拌允许提高电流密度，这可抵 消降低浓差极化的作用，并提高生产率。搅拌还可增强整 平剂的效果。
若按镀层成分分类，可分为：单一金属镀层、合金镀层
及复合镀层。
6.2 电镀的基本原理及工艺
6.2.1 电镀的基本原理
阴极反应： Men++ ne = Me 2H+ + 2e = H2
阳极反应： Me- ne = Me n+。 OH- - 4e = 2H2O+O2
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5.1.1金属的电沉积过程 6.2.2 电镀过程及反应
阴极上的电镀过程包括三个步骤： （1）液相传质：金属的水合离子或络离子从溶液内部迁移到阴 极表面; （2）电化学反应：金属水合离子脱水或络离子解离，金属离子 在阴极上得到电子发生还原反应生成金属原子; （3）电结晶： 还原的原子进入晶格结点。
钝化是在新镀出的镀层人为地形成一层致密的氧化物膜， 使镀层金属与空气隔绝，以提高镀层的防护性和装饰性。浸 膜是在镀后的零件表面浸涂一层有机或无机高分子膜，以提 高镀层的防护性和装饰性
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6.2.5 影响电镀层质量的基本因素 1) 镀液的影响
①配离子的作用: 配离子使阴极极化作用增强，所以镀层比较致密， 镀液的分散能力也较好，整平能力较高。 ②主盐浓度的影响: 主盐浓度增大，浓差极化降低，导致结晶形核 速率降低，所得组织较粗大。这种作用在电化学极化不显著的单 盐镀液中更为明显。稀溶液的分散能力比浓溶液好。 ③附加盐的作用:除可提高镀液的电导性外，还可增强阴极极化能 力，有利于获得细晶的镀层。
③周期换向电流的作用:周期性地改变直流电流方向可适当控 制换向周期、电镀时间和退镀时间，可使镀层均匀、平整、 光亮。因为退镀时，可去除劣质镀层和镀件凸出处较厚的 镀层；周期换向还可减弱阴、阳极的浓差极化作用。 ④温度的影响: 通常温度升高，阴极极化作用降低，镀层结晶 粗大；但允许提高电流密度上限，并使阴极电流效率提高， 改善镀层韧性和镀液的分散能力，减少镀层吸氢量。不同 的镀液有其最佳温度范围。 ⑤搅拌的影响：搅拌增强电解液的流动，降低阴极的浓差极 化，使镀层结晶粗大，但搅拌允许提高电流密度，这可抵 消降低浓差极化的作用，并提高生产率。搅拌还可增强整 平剂的效果。
第六章 电镀、化学镀及化学热处理
缺点：
劳动强度大，消耗镀液较多，消耗阳极包缠材料。
21
电刷镀应用
修复 表面强化 表面改性处理 与其他技术复合
22
一、基本原理
图 电刷镀工作原理示意图
23
二、电刷镀设备
设备特点
多为便携式或可移动式，体积小、重量轻，便于拿到现 场使用或进行野外抢修。 既不需要镀槽，也不需要挂具，设备数量大大减少。 占用场地也小，设备对场地设施的要求大大降低。 一套设备可以完成多种镀层的刷镀。 镀笔（阳极）材料主要采用高纯细石墨，是不溶性阳极。 石墨的形状可根据需要制成各种样式，以适应被镀工件 表面形状。 刷镀某些镀液时，也可以采用金属材料作阳极。 设备的用电量、用水量比槽镀少得多，可以节约能源、 资源。
搅拌的影响
搅拌可降低阴极极化，使晶粒变粗，但可提高电 流密度，从而提高生产率。此外，搅拌还可增强整平剂的 效果。
16
二、镀前预处理和镀后处理
电镀工艺过程一般包括电镀前预处理、电 镀及镀后处理三个阶段。
镀前处理
第一步 使表面粗糙度达到一定要求，磨光、抛光； 第二步 去油脱脂，溶剂溶解、化学、电化学； 第三步 除锈，机械、酸洗、电化学； 第四步 活化处理，弱酸中侵蚀。
29
三、电刷镀溶液
镀液特点
电刷镀溶液大多数是金属有机络合物水溶液，络合物在水中有相 当大的溶解度，并且有很好的稳定性。 镀液中金属离子的含量通常比槽镀高几倍到几十倍。 不同镀液呈不同的颜色，透明清晰，没有浑浊或沉淀现象，便于 鉴别。 性能稳定，能在较宽的电流密度和温度范围内使用、使用过程中 不必调整金属离子浓度。 不燃、不爆、无毒性，大多数镀液接近中性，腐蚀性小 ．因而能 保证手工操作的安全，也便于运输和储存。 除金、银等个别镀液外，均不采用有毒的络合剂和添加剂。现无 氰金镀液已经研制出来。 镀液固化技术和固体制剂的研制成功，给镀液的运输、保管带来 了极大的方便。
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第六章电镀和化学镀技术
1. 电镀和化学镀在印制电路板工业应用的意义和目的是什么？印制电路板制造工业中常用到哪些电镀和化学镀镀种和技术，各镀种的作用是什么？
2. 铜镀层的作用及对镀层，镀液的基本要求是什么？
3. 解释和说明表6－2电镀铜镀液配方和工艺条件中，各组分和工艺条件的功能和作用。
4. 什么叫做霍尔槽试验，如何进行霍尔槽试验，霍尔槽试验在电镀工艺试验中有何作用？
5.酸性光亮电镀铜故障原因及排除方法有哪些？试作适当的说明。
6.印制板镀铜的工艺过程有哪几种？简述全板电镀和图形电镀的工艺流程，并说明这两种工艺的优缺点和适用范围。
7.什么叫做脉冲电镀？与直流电镀铜相比，脉冲电镀铜有何优点？
8.说明表6－8电镀锡铅合金配方中各主要成分的作用和工艺参数对镀层质量的影响。
9.电镀镍/金镀层的作用是什么？插头部位电镀镍层厚度应在什么范围，电镀金层厚度又应该控制在什么范围，才能满足要求。
10．来改善可焊性，并作抗蚀用的电镀镍/闪镀金对镍层和金层厚度的要求是多少？常采用什么电镀工艺配方。
11．化学镍和化学浸金层有何作用和优点？化学镀镍的基本原理是什么？化学镀和浸镀在原理上有何不同？
12．与直流镀金相比，脉冲镀金有何优点？采用脉冲镀金的镀液配方与相应的直流镀金的配方是否相同？
13．化学镀锡、镀银、镀钯和镀铑在印制电路板生产中有何应用？其相应的镀液配方和工艺参数是什么？。