PCB工艺基础8-电镀基础原理和概念培训

1、制作：XXX编制时间：2020年07月应届大学生入司培训教材电镀的基础原理和概念目 录一 电镀原理二 镀液电镀设备四 电镀条件及其管理一 电镀原理1.1 电镀的概念 电镀是在含有某种金属离子的电解质溶液中，将被镀工件作为阴极，同以一定波形的低压直流电，使金属离子得到电子，不断在阴极沉积为金属的加工过程，电镀的实质是一种特殊的电解加工工艺。通过电镀，我们可以改变零件的表面外观和物理化学性质，达到装饰性、耐腐蚀性和耐磨性等各种技术性能，还可以根据具体的工艺要求增加某种功能性镀层，如焊接性、电性能、磁性能、光性能等镀层。一 电镀原理 一般而言，镀层应具有如下的基本要求： （1）与镀件结合力良好； （

2、2）外观光滑，镀层致密； （3）各部分镀层厚度均匀，孔内也有一定的厚度； （4）镀层有一定的机械强度； （5）能够满足对于气候，环境以及化学品的腐蚀性要求。一 电镀原理 1.2 电镀槽的结构 电镀槽是电镀的必备条件，它是由外加直流电源，镀液，镀件和阳极组成的电解装置，如图一 电镀原理实物图一 电镀原理 在含有金属离子的溶液中插入金属板，从外部接通电源，加载一定量的电压,和电源正极相连的电极叫阳极，和电源负极相连的电极叫阴极。 例如：图1，阳极为金属铜板，溶液为硫酸铜溶液，由于外加电源的作用，在阳极发生Cu Cu2+ + 2e 的反应，阳极不断溶解，在阴极则发生 Cu2+ + 2e Cu的反应，

3、即铜在阴极上不断沉积一 电镀原理1.3 法拉第定律 1833年英国科学家法拉第（Faraday M），研究了大量电解过程后提出了著名的法拉第定律：电解时电极上发生化学反应的物质的量与通过电解池的电荷量成正比。 如果以Q表示通过的电荷量（单位为库仑，用 C表示），n表示电极反应得失电子的物质的量（单位为mol）,法拉第定律可表示为： Q = n F F称为法拉第常数，其物理意义为1mol电子的电荷量；已知一个电子的电荷量 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 （ 大约26.8Ah）1.1 电镀的原理 一般计算时用F 96500 C.mol-1 电极上析出（或溶解）的物质的质量（m）与他们的摩尔质量和离子电荷数有关，用公式表示： m = MQ /ZF F-法拉第常数；96500C.mol-1 或 26.8Ah.mol-1 M -物质的摩尔质量（g/mol） Z-离子电荷数。电极上每通过单位电量所反应的物质的质量，称为该物质的电化学当量，单位为g/Ah。常见金属的电化学当量见表1 。一 电镀原理 表1.电化学当量一 电镀原理1.4 电极电势 把金属浸入含有金属离子的溶液中时该金属具有一定的电位,但单个电极电势尚不能直接由实验测定。为

5、了确定单个电极的电极电势可选定某个电极作为标准，国际上通常以标准氢电极作为标准，并规定在任何温度下，标准氢电极的电极电势为零。将待测电极作为正极，标准氢电极作为负极，组成电池 标准氢电极待测电极 该电池的电池电动势即为待测电极的电极电势。一 电镀原理 例如：0(Cu2/Cu) 称为标准电极电势。按电极电势的规定，待测电极位于电池的右边，进行还原反应，其电极反应： 氧化态Ze 还原态 其电极电势为 上式称为电极能斯特方程 电极电势代数值越小，电对的还原态物质还原能力越强，氧化态物质氧化能力越弱；电极电势代数值越大，电对的还原态物质还原能力越弱，氧化态物质氧化能力越强。代数值是反映物质得失电子倾向

6、的大小， 如Zn比H2更容易失去电子，它与物质的数量无关。一 电镀原理1.5 电极极化 当有电流通过电极时，电极的电势偏离平衡电势将发生变化，这种变化称为电极极化。 极化产生的原因主要有3个：（1） 电阻极化；（）浓差极化；（3）电化学极化。 由于电极附近浓度与溶液内部体相浓度不一致而产生的极化称为浓差极化，由此产生的超电势称为浓差超电势。 溶液中电极附近的离子首先到电极上去放电，若溶液内部的离子来不及扩散到电极附近，将造成电极附近浓度底于溶液内部体相浓度，使电极电势偏离平衡电极电势。 电极过程常分为若干步进行，若其中某一步速率很慢，则将阻碍整个电极反应的进行，并导致正电荷在阳极的积聚和负电荷

7、在阴极的积聚，从而使阳极电势更正，阴极电势更负，这种由于电化学反应本身迟缓引起的极化称为电化学极化。一 电镀原理1.6 电极反应的机理 电极反应发生在电极与溶液的界面处，所以电极反应与多相反应一样，是一个连续过程，通常包括以下步骤： （1）离子或其它物质从溶液体相向电极表面迁移（液相传质）； （2）离子吸附在电极表面； （3）离子放电（得到或失去电子）生成产物； （4）产物自电极表面解吸； （5）产物自电极表面液层向溶液体相迁移。 （6）反应物或产物在电极表面附近发生化学反应； （7）产物形成新相（气泡、沉淀等）以及金属离子放电后迁移到晶格点阵上成为稳定态等。 上述各步中最慢的一步决定整个反应

8、的速度。了解电极反应的机理，有利于电极反应的控制。一 电镀原理1.7 电镀的结晶过程 电解液中的金属离子或其络合离子（或叫配合离子）在阴极还原沉积出金属的过程叫电结晶，也叫电沉积。 在形成金属晶体时又分为两个步骤进行：结晶核的生成和成长。这两个过程的速度决定着金属结晶的粗细程度。如果晶核的生成速度较快，而晶核生成后的成长速度较慢，则生成的晶核数目较多，晶粒较细，镀层结晶愈细致、紧密。反之如果析出速度快（单位面积的电镀电流密度大时），电极面的金属离子浓度太低，就难以引起金属析出反应，氢就会大量析出，发生“粗糙”、“烧焦”等现象。一 电镀原理 实践结果表明，提高电结晶时的阴极极化作用可以加速晶核的

9、生成速度，便于形成微小颗粒的晶体。在一般情况下的电镀中常常提高电结晶时的阴极极化作用以增加晶核生成速度，从而获得结晶细致的镀层。 为了提高金属电结晶时的阴极极化作用可以采取以下几种措施： （1）提高阴极电流密度 一般情况下阴极极化作用随阴极电流密度的增大而增大，镀层结晶也随之变得细致紧密。在阴极极化作用随阴极电流密度的提高而增大的情况下可适当提高电流密度的方法提高极化作用，但不能超过所允许的上限值一 电镀原理（2）适当降低电解液的温度 降低温度能够减慢阴极反应速度和离子扩散速度，提高阴极极化作用。但是实际操作中对于提高温度所带来的负面影响，可以通过增大电流密度而获得补偿。因为提高温度，就可以进

10、一步提高电流密度，从而加速了电镀过程。因此在具体操作过程中，根据实际情况调节电解液的温度。 （3）加入络合剂 在电镀生产中能够络合主盐中金属离子的物质称为络合剂。因为络离子较简单离子难以在阴极上还原，从而提高阴极极化值。一 电镀原理（2）适当降低电解液的温度 降低温度能够减慢阴极反应速度和离子扩散速度，提高阴极极化作用。但是实际操作中对于提高温度所带来的负面影响，可以通过增大电流密度而获得补偿。因为提高温度，就可以进一步提高电流密度，从而加速了电镀过程。因此在具体操作过程中，根据实际情况调节电解液的温度。 （3）加入络合剂 在电镀生产中能够络合主盐中金属离子的物质称为络合剂。因为络离子较简单离

11、子难以在阴极上还原，从而提高阴极极化值。二镀液2.1 镀液的组成和评价 电镀生产中的镀液一般由主盐和添加剂两部分组成。不同用途的镀液体系的添加剂有所不同，即使用途相同，不同厂家的镀液也有不同。镀液中主盐为金属盐类，其作用是提供金属离子，在PCB电镀铜镀液的主盐一般为硫酸铜、硫酸，添加剂包含络合剂、光亮剂等。 在镀液生成中镀层在零件表面上分布的均匀性和完整性是决定镀层质量的重要因素。实际上不管哪种镀液，其所得镀层总不是十分均匀的。为评定镀液的优劣，可以用镀液的分散能力和覆盖能力来表示。二 镀液 分散能力是指镀液所具有的镀层厚度均匀分布的能力，也叫均镀能力。覆盖能力是指镀液能使零件深孔、凹洼的表面

12、沉积出镀层的能力，也叫深镀能力。镀液的分散能力只说明镀件表面厚度的的均匀程度，而覆盖能力只说明镀件表面凹入处或深孔处有无镀层沉积。这两个概念共同表示零件在镀液中能否得到完整、均匀的镀层。二 镀液2.2 影响镀液分散能力和覆盖能力的因素 影响镀层分布的因素主要有以下几个方面：（1）电流分布 首先镀层的分布与电流的分布有关系。根据法拉第定律:电流通过电解质溶液时，在阴极上析出物质的量与通过的电童成正比。从这一点来说，阴极表面不同部位所得镀层的薄厚、均匀与否(如果不考虑电流效率的影响)就决定于电流在阴极表面上分布是否均匀。电流密度愈大，镀层也就愈厚，反之镀层愈薄,因此金属在阴极表面上的沉积量取决于电

13、流在阴极表面上的分布。二镀液2）电流效率 金属在阴极表面的分布还与电流效率有关。镀层金属的分布决定于电流的分布，但金属的分布不等于电流的分布。因为通过阴极的电流不单是消耗于金属离子的沉积，而且消耗于析氢和其他副反应，即存在电流效率问题。电流效率随电流密度的变化而改变，其影响金属在不同部位上分布，可分为以下三种情况： 阴极电流效率随电流密度的改变而几乎没有变化的，如硫酸盐镀铜、镀锌等电流效率对金属的分布没有影响，阴极不同部位上镀出的金属多少，就直接决定于该处的电流大小。二 镀液 阴极电流效率:它随电流密度的升高而下降的，则能提高分散能力。这是大多数络合物电解液的特点。由于电流密度大的地方电流效率

14、低，电流密度小的地方电流效率高。这样使各处的电流密度分布变得更加均匀些，电解液的分散能力得到了改善。 阴极电流效率：它随电流密度的升高而增大的，则会降低分散能力。由于阴极上电流密度大的地方电流效率高。电流密度小的地方电流效率低，这样各处的实际电流密度更加不均匀，而造成分散能力的低下。如在镀铬时由于阴极极化小，再加上电流效率随电流密度的增高而加大，其分散能力很差，甚至在一个平板（阴极）上电流的分布也很不均匀，镀层厚度相差悬殊。二 镀液（3）基体金属的表面状态 基体金属的表面状态对金属在阴极表面的分布有着重大的影响。金属在不洁净的阴极表面上很难沉积出均匀的镀层，甚至不能沉积。由于氢在粗糙表面上的过

15、电位小于光滑表面，所以在粗糙表面上氢容易析出，镀层就难以沉积。（4）几何因素 电镀槽的几何形状，阴阳级的形状和尺寸，两个电极在电镀槽中的排布形式等几何因素直接影响着镀层的分布。 所有这些与电解液分散能力和覆盖能力有关的因素，彼此不是孤立的，而是有着内在的联系。在实际操作实践中要根据具体情况找出主要影响因素。二 镀液 2.3 改善电解液分散能力和覆盖能力的途径 在电镀生成中。根据影响镀层分布的主要因素采取以下相应的措施。（1）阴极极化度 对于阴极极化较小的电解液，力求增大阴极极化的因素。当其他条件不变时凡是阴极极化随电流密度的变化而较大改变的电解液，即阴极极化度（改变单位电流密度所引起的电极电位

16、的变化）大的镀液，其分散能力较好。因此间接或直接促使阴极极化度增大的因素如选择适当的络合剂及添加剂，均能改善镀层的分散能力和覆盖能力。二 镀液（2）镀液电导率 对电阻较大的电解液，可以适当加入导电能力较强的电解质。当镀液的阴极极化度较大时，提高电导率能明显地提高分散能力和覆盖能力。如果极化度较小那么对分散能力影响就不大。 （3）阴极电流效率 改善阴极电流效率，可提高电解液的分散能力和覆盖能力。 （4）基体金属的表面状况 提高基体金属的表面光洁度，采用短时间冲击电流，提高氢在基体金属上的过电位等。可以改善基体金属对分散能力和覆盖能力的不良影响二 镀液（5）几何因素的影响 在实际生产中经常采用辅助

17、阴极和象形阳极，合理调节阴阳极之间的距离等方法尽可能消除几何因素对电解液分散能力的影响。 例如镀铬电解液就是一个特殊的例子。它是一种具有强氧化能力的酸性电解液，在所应用的电解液中分散能力最差的一种。在镀铬时为了提高电解液的分散能力往往从电化学性能以外的角度出发，采用加保护阴极，使用辅助阳极和非金属屏蔽以及合理调节电极之间距离等方法，使其处于最佳的电流分布状态。二 镀液均匀性和深镀能力的测试方法：（1）均匀性 （2）深镀能力二 镀液2.4 影响镀层质量的主要因素 影响镀层主要因素有以下几个方面：（1）镀前处理是否良好 实践证明造成镀层质量事故多数是由于金属制品的镀前处理不当和欠佳所致。镀前处理的

18、每道工序都会直接影响到镀层质量。（2）电镀溶液的本性 镀液的性质、组成成分、各成分的含量以及附加盐、添加剂的含量等都会影响镀层质量。（3）基体金属的本性 镀层金属与基体金属的结合是否良好，与基体金属的化学性质有密切关系，如基体金属的电位负于镀层金属的电位，或对易于钝化的基体或中间层，若不采取适当的措施很难获得结合牢固的镀层。二 镀液（4）电镀过程 电镀过程中的各个工艺参数，如电流密度、温度、送电方式，移动和搅拌等对电镀具有明显的影响。（5）析氢反应 在电镀过程中大多数镀液的阴极反应都伴随有氢气的析出。在不少情况下析氢对镀层质量有恶劣的影响：主要有针孔或麻点，鼓泡，氢脆等。如当析出的氢气粘附在阴

19、极表面上会产生针孔或麻点；当一部分还原的氢原子渗入基体金属或镀层中，使基体金属及镀层的韧性下降而变脆，叫“氢脆”。 （6）镀后处理 镀后对镀件的清洗、钝化、除氢、抛光、保管方法等都会继续影响镀层质量。 （7）电源 除采用一般的直流电源外，根据实际需要广泛采用换向电镀的方法，使用周期换向电流。因此各种电源会对镀层质量产生相应的影响。二 镀液2.5 电镀光亮剂的类型 要获得好的深镀能力除了与前述的影响因素之外，另个一个重要的因素为光亮剂的类型，一般光亮剂按类型可分为：普通直流光亮剂、脉冲光亮剂、填孔（直流）光亮剂、低电流直流光亮剂等；按其作用可分为光亮剂、载运剂和整平剂。二 镀液2.7 光剂的作用

20、原理 光亮剂一般含硫有机物，常见有时磺酸丙硫醇和其他二价硫化物。槽液中会与氯离子作用而被吸附在待镀面上，在酸性镀铜中具有“去极化”作用，提高镀铜速度。 反应过程中将与整平剂、载运剂、CL-协同作用从而获得良好的镀层。二 镀液例：典型的二硫光亮剂反应: R-S-S-R + 2 H+ + 2 e = 2 R-SH Cu+ 减少和螯合反应: 2 R-SH + Cu+ + 2 Cl- = 2 R-S-CuCl Cu+进一步 减少: 2 R-S-CuCl + 4 H+ + 4 e = 2 Cu + 2 R-SH + 2 HCl 醇硫氧化反应: 2 R-SH = R-S-S-R + 2 H+ + 2 e

21、二 镀液二 镀液二 镀液二 镀液二 镀液载运剂（carrier）作用原理二 镀液载运剂（carrier）作用原理二 镀液整平剂（leveler）作用原理二 镀液整平剂（leveler）作用原理二 镀液整平剂（leveler）作用原理二 镀液整平剂（leveler）作用原理二 镀液三 电镀设备 电镀设备包括：电气设备、镀槽设备、干燥设备、过滤设备以及其他辅助设备。 3.1 电气设备 电源 是电镀的关键设备。电源的种类比较多，可以根据具体的情况选择合理的电源。电镀生成的电源除了具备一些性能如电压电流波形、过载能力、功率等。还需要具有电压电流无级调节、电压电流自动控制以及安全等特点。 目前电镀电源主

22、要设备是硅整流装置和可控硅装置。硅整流装置可以采用不同的线路和结构。获得半波、全波等多种波形的电流，以满足不同电镀的要求。可控硅整流装置体积小、效率高、容易实现自动控制，便于自动生产线的管理。三 电镀设备3.2 镀前处理设备 镀件清洁的表面是获得镀层的必要条件，所以电镀前处理就显得十分重要。前处理一般分为机械处理（如磨刷、抛光等）、化学处理、以及电化学处理等。对于PCB而言，一般采用机械处理（如磨刷）和化学处理方法。其目的是除去表面的油污和氧化层，PCB前处理设备相应的多为槽体结构。 3.3 电镀槽 镀槽是对电镀生成所用各个工序专用槽体的总称，包括前处理槽、电镀槽、清洗槽等。电镀槽是电镀生成的主要设备，要求其表面层与电镀液长期接触时不会腐蚀和溶解；同时要求槽体具有足够的刚性和强度，以承受槽体和镀液的重力以及镀液的侧压力。根据需要有时还需要有保温层、绝缘层和加热装置等。 槽体的尺寸与电镀零件的尺寸有关。考虑阴阳极的距离、液面高度等。还需要考虑阴极移动装置和其他搅拌装置等。三 电镀设备3.4 其他辅助设备 主要有干燥设备、过滤设备等。 干燥方法有大气干燥法、压缩空气干燥法、热空气吹气法、远红外线加热干燥法等。 过滤