[科普中国]-电镀

基本含义

电镀时，镀层金属或其他不溶性材料做阳极，待镀的工件做阴极，镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层。为排除其它阳离子的干扰，且使镀层均匀、牢固，需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液，以保持镀层金属阳离子的浓度不变。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸。电镀能增强金属的抗腐蚀性(镀层金属多采用耐腐蚀的金属)、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、光滑性、耐热性和表面美观。

相关作用利用电解池原理在机械制品上沉积出附着良好的、但性能和基体材料不同的金属覆层的技术。电镀层比热浸层均匀，一般都较薄，从几个微米到几十微米不等。通过电镀，可以在机械制品上获得装饰保护性和各种功能性的表面层，还可以修复磨损和加工失误的工件。

此外，依各种电镀需求还有不同的作用。举例如下：

1.镀铜：打底用，增进电镀层附着能力，及抗蚀能力。（铜容易氧化，氧化后，铜绿不再导电，所以镀铜产品一定要做铜保护）

2.镀镍：打底用或做外观，增进抗蚀能力及耐磨能力，（其中化学镍为现代工艺中耐磨能力超过镀铬）。（注意，许多电子产品，比如DIN头，N头，已经不再使用镍打底，主要是由于镍有磁性，会影响到电性能里面的无源互调）

3.镀金：改善导电接触阻抗，增进信号传输。（金最稳定，也最贵。)

4.镀钯镍：改善导电接触阻抗，增进信号传输，耐磨性高于金。

5.镀锡铅：增进焊接能力，快被其他替物取代（因含铅现大部分改为镀亮锡及雾锡）。

6.镀银：改善导电接触阻抗，增进信号传输。（银性能最好，容易氧化，氧化后也导电）

电镀是利用电解的原理将导电体铺上一层金属的方法。

除了导电体以外，电镀亦可用于经过特殊处理的塑胶上。

电镀的过程基本如下：

镀层金属在阳极

待镀物质在阴极

阴阳极以镀上去的金属的正离子组成的电解质溶液相连

通以直流电的电源后，阳极的金属会氧化（失去电子），溶液中的正离子则在阴极还原（得到电子）成原子并积聚在阴极表层。

电镀后被电镀物件的美观性和电流大小有关系，电流越小，被电镀的物件便会越美观；反之则会出现一些不平整的形状。

电镀的主要用途包括防止金属氧化(如锈蚀) 以及进行装饰。不少硬币的外层亦为电镀。

电镀产生的污水（如失去效用的电解质）是水污染的重要来源。电镀工艺已经被广泛的使用在半导体及微电子部件引线框架的工艺。

VCP：垂直连续电镀，电路板使用的新型机台，比传统悬吊式电镀品质更佳。

局部镀银

铝件电镀液配方工艺流程：

高温弱碱浸蚀→清洗→酸洗→清洗→浸锌→清洗→二次浸锌→清洗→预镀铜→清洗→预镀银→氰化光亮镀银→回收洗→清洗→银保护→清洗→烘干。

从工艺流程看，所选保护材料必须耐高温（80℃左右）、耐碱、耐酸，其次，保护材料在镀银后能易于剥离。

市售的保护材料有可剥性橡胶、可剥性漆、一般粘性胶带及胶带等。分别试验这些保护材料的耐酸、碱腐蚀、耐高温（碱蚀溶液最高温度80℃左右）性能以及可剥离性。

材料要求镀层大多是单一金属或合金，如钛钯、锌、镉、金或黄铜、青铜等；也有弥散层，如镍-碳化硅、镍-氟化石墨等；还有覆合层，如钢上的铜-镍-铬层、钢上的银-铟层等。电镀的基体材料除铁基的铸铁、钢和不锈钢外，还有非铁金属，或ABS塑料、聚丙烯、聚砜和酚醛塑料，但塑料电镀前，必须经过特殊的活化和敏化处理。

工作原理电镀需要一个向电镀槽供电的低压大电流电源以及由电镀液、待镀零件(阴极)和阳极构成的电解装置。其中电镀液成分视镀层不同而不同，但均含有提供金属离子的主盐，能络合主盐中金属离子形成络合物的络合剂，用于稳定溶液酸碱度的缓冲剂，阳极活化剂和特殊添加物（如光亮剂、晶粒细化剂、整平剂、润湿剂、应力消除剂和抑雾剂等）。电镀过程是镀液中的金属离子在外电场的作用下，经电极反应还原成金属原子，并在阴极上进行金属沉积的过程。因此，这是一个包括液相传质、电化学反应和电结晶等步骤的金属电沉积过程。

在盛有电镀液的镀槽中，经过清理和特殊预处理的待镀件作为阴极，用镀覆金属制成阳极，两极分别与直流电源的正极和负极联接。电镀液由含有镀覆金属的化合物、导电的盐类、缓冲剂、pH调节剂和添加剂等的水溶液组成。通电后，电镀液中的金属离子，在电位差的作用下移动到阴极上形成镀层。阳极的金属形成金属离子进入电镀液，以保持被镀覆的金属离子的浓度。在有些情况下，如镀铬，是采用铅、铅锑合金制成的不溶性阳极，它只起传递电子、导通电流的作用。电解液中的铬离子浓度，需依靠定期地向镀液中加入铬化合物来维持。电镀时，阳极材料的质量、电镀液的成分、温度、电流密度、通电时间、搅拌强度、析出的杂质、电源波形等都会影响镀层的质量，需要适时进行控制。

首先电镀液有六个要素：主盐、附加盐、络合剂、缓冲剂、阳极活化剂和添加剂。
电镀原理包含四个方面：电镀液、电镀反应、电极与反应原理、金属的电沉积过程。
电镀反应中的电化学反应：下图是电镀装置示意图，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结，阳极与阴均浸入镀液中。当在阴阳两极间施加一定电位时，则在阴极发生如下反应：从镀液内部扩散到电极和镀液界面的金属离子Mn+从阴极上获得n个电子，还原成金属M。另一方面，在阳极则发生与阴极完全相反的反应，即阳极界面上发生金属M的溶解，释放n个电子生成金属离子Mn+。

反应机理A、电极电位
当金属电极浸入含有该金属离子的溶液中时，存在如下的平衡，即金属失电子而溶解于溶液的反应和金属离子得电子而析出金属的逆反应应同时存在：Mn++ne = M
平衡电位与金属的本性和溶液的温度，浓度有关。为了精确比较物质本性对平衡电位的影响，人们规定当溶液温度为250℃，金属离子的浓度为1mol/L时，测得的电位叫标准电极电位。标准电极电位负值较大的金属都易失掉电子被氧化，而标准电极电位正值较大的金属都易得到电子被还原。

B、极化
所谓极化就是指有电流通过电极时，电极电位偏离平衡电极电位的现象。所以，又把电流-电位曲线称为极化曲线。产生极化作用的原因主要是电化学极化和浓差极化。
1、电化学极化
由于阴极上电化学反应速度小于外电源供给电子的速度，从而使电极电位向负的方向移动而引起的极化作用。
2、浓差极化
由于邻近电极表液层的浓度与溶液主体的浓度发生差异而产生的极化称浓差极化，这是由于溶液中离子扩散速度小于电子运动造成的。
电镀过程是镀液中的金属离子在外电场的作用下，经电极反应还原成金属原子并在阴极上进行金属沉积的过程。
电镀原理简单而言，就是在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层。

电镀的要素：

1.阴极：被镀物，指各种接插件端子。

2.阳极：若是可溶性阳极，则为欲镀金属。若是不可溶性阳极，大部分为贵金属（白金，氧化铱）。

3.电镀药水：含有欲镀金属离子的电镀药水。

4.电镀槽：可承受，储存电镀药水的槽体，一般考虑强度，耐蚀，耐温等因素。

5.整流器：提供直流电源的设备。

磨光→抛光→上挂→脱脂除油→水洗→电解抛光或化学抛光→酸洗活化→预浸→电镀→水洗→后处理→水洗→干燥→下挂→检验包装

电镀工作条件是指电镀时的操作变化因素，包括：电流密度、温度、搅拌和电源的波形等。

阴极电流密度任何镀液都有一个获得良好镀层的电流密度范围，获得良好镀层的最小电流密度称电流密度下限，获得良好镀层的最大电流密度称电流密度上限。一般来说，当阴极电流密度过低时，阴极极化作用小，镀层的结晶晶粒较粗，在生产中很少使用过低的阴极电流密度。随着阴极电流密度的增大，阴极的极化作用也随之增大（极化数值的增加量取决于各种不同的电镀溶液），镀层结晶也随之变得细致紧密；但是阴极上的电流密度不能过大，不能超过允许的上限值（不同的电镀溶液在不同工艺条件下有着不同的阴极电流密度的上限值），超过允许的上限值以后，由于阴极附近严重缺乏金属离子的缘故，在阴极的尖端和凸出处会产生形状如树枝的金属镀层、或者在整个阴极表面上产生形状如海绵的疏松镀层。在生产中经常遇到的是在零件的尖角和边缘处容易发生“烧焦”现象，严重时会形成树枝状结晶或者是海绵状镀层。

电镀溶液温度当其它条件（指电压不变，由于离子扩散速度加快，电流会增大）不变时，升高溶液的温度，通常会加快阴极反应速度和离子扩散速度，降低阴极极化作用，因而也会使镀层结晶变粗。但是不能认为升高溶液温度都是不利的，如果同其它工艺条件配合恰当，升高溶液温度也会取得良好效果。例如升高温度可以提高允许的阴极电流密度的上限值，阴极电流密度的增加会增大阴极极化作用，以弥补升温的不足，这样不但不会使镀层结晶变粗而且会加快沉积速度，提高生产效率。此外还可提高溶液的导电性、促进阳极溶解、提高阴极电流效率（镀铬除外）、减少针孔、降低镀层内应力等效果。

搅拌搅拌会加速溶液的对流，使阴极附近消耗了的金属离子得到及时补充和降低阴极的浓差极化作用，因而在其它条件相同的情况下，搅拌会使镀层结晶变粗。

采用搅拌的电镀液必须进行定期或连续过滤，以除去溶液中的各种固体杂质和渣滓，否则会降低镀层的结合力并使镀层粗糙、疏松、多孔。

电源电镀生产中常用的电源有整流器和直流发电机，根据交流电源的相数以及整流电路的不同可获得各种不同的电流波形。例如单相半波、单相全波、三相半波和三相全波等。实践证明，电流的波形对镀层的结晶组织、光亮度、镀液的分散能力和覆盖能力、合金成分、添加剂的消耗等方面都有影响，故对电流波形的选择应予重视。除采用一般的直流电外，根据实际的需要还可采用周期换向电流及脉冲电流。

典型技术无氰碱性亮铜在铜合金上一步完成预镀与加厚，镀层厚度可达10μm以上，亮度如酸性亮铜镀层，若进行发黑处理可达漆黑效果，已在1万升槽正常运行两年。

能完全取代传统氰化镀铜工艺和光亮镀铜工艺，适用于任何金属基材：纯铜丶铜合金丶铁丶不锈钢丶锌合金压铸件、铝丶铝合金工件等基材上，挂镀或滚镀均可。

无氰光亮镀银普通型以硫代硫酸盐为主络合剂，高级型以不含硫的有机物为主络合剂。全光亮镀层厚度可达40μm以上，镀层表面电阻~41μΩ·㎝，硬度～HV101.4，热冲击298K（25℃）合格，非常接近氰化镀银的性能。

无氰镀金无氰自催化化学镀金主盐采用Na3[Au(SO3)2]，金层厚度可达1.5μm，已用在高密度柔性线路板和电子陶瓷上镀金。

非甲醛镀铜非甲醛自催化化学镀铜用于线路板的通孔镀和非导体表面金属化。革除有毒甲醛代之以廉价无毒次磷酸盐，国内外尚无商业化产品。已基本完成实验室研究，沉积速度3~4μm/h，寿命达10循环（MTO）以上，镀层致密、光亮。但有待进一步完善和进行中试考验。

纯钯电镀Ni会引发皮炎，欧盟早已拒绝含Ni饰品进口，钯是最佳的代Ni金属。本项目完成于1997年，包括二种工艺：

一是薄钯电镀，厚度0.1~0.2μm，已用在白铜锡上作为防腐装饰性镀层和防银变色层；

二是厚钯电镀，厚度达3μm无裂纹（国际水平），因钯昂贵，目前尚未进入国内市场。

三价铬锌镀层蓝白和彩色钝化剂

以三价铬盐代替致癌的六价铬盐。蓝白钝化色泽如镀铬层，通过中性盐雾实验24小时以上，一些特殊处理的可达到中性盐雾试验96小时以上，已经历了十年的市场考验。彩色钝化相较蓝白钝化，色泽鲜艳，其中性盐雾试验时间较蓝白钝化高出许多，可达到48至120小时。

纯金电镀主盐为K[Au(CN)2]，属微氰工艺。镀层金纯度99.99%，金丝（30μm）键合强度>5g，焊球（25μm）抗剪切强度>1.2Kg。努普硬度H