电镀基本知识课程纲要.docx
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电镀基本知识课程纲要
连续电镀基本知识
第一章.电镀概论:
一.电镀定义:
电镀为电解镀金属法之简称.电镀乃是将镀件（制品）,浸于含有欲镀上金属离子的药水中并接通阴极,药水的另一端放置当阳极（可溶性或不可溶性）,通以直流电后,镀件的表面即析出一层金属薄膜的方法.
二.电镀基本要素.
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（如白金,氧化铱等）.
3.电镀药水:
含有欲镀金属离子之电镀药水.
4.电镀槽:
可承受.储存电镀药水之槽体,一般考虑强度.耐蚀,耐温等因素.
5.整流器:
提供直流电源之设备.
三.电镀目的:
电镀除了要求美观外,依各种电镀需求而有不同的目的.
1.镀铜:
打底用,增进电镀层附着能力,及抗蚀能力.
2.镀镍:
打底用,增进抗蚀能力.
3.镀金:
改善导电接触阻抗,增进讯号传输.
4.镀钯镍:
改善导电接触阻抗,增进讯号传输,耐磨性能比金佳.
5.镀锡铅:
增进焊接能力,快被其它替物取代.
四.电镀流程:
一般铜合金底材如下（未含水洗工程）.
1.脱脂:
通常同时使用碱性预备脱脂及电解脱脂.
2.活化:
使用稀硫酸或相关之混合酸.
3.镀镍:
有使用硫酸镍系及氨基磺酸镍系.
4.镀钯镍:
目前皆为氨系.
5.镀金:
有金钴,金镍.金铁,一般使用金钴系最多.
6.镀锡铅:
目前为烷基磺酸系.
7.干燥:
使用热风循环烘干.
8.封孔处理:
有使用水溶性及溶剂型两种.
五.电镀药水组成:
1.纯水:
总不纯物至少要低于5PPM.
2.金属盐:
提供欲镀金属离子.
3.阳极解离助剂:
增进及平衡阳极解离速率.
4.导电盐:
增进药水导电度.
5.添加剂（如缓冲剂,光泽剂,平滑剂,柔软剂.湿润剂,抑制剂等）.
六.电镀条件.
1.电流密度:
单位电镀面积下所承受之电流.通常电流密度越高膜厚越厚,但是过高时,镀层会烧焦粗糙.
2.电镀位置:
镀件在药水中位置.与阳极相对应位置,会影响膜厚分布.
3.搅拌状况:
搅拌状况越好,电镀效率越好.有空气.水流,阴极等搅拌方式.
4.电流波形:
通常泸波度越好,镀层组织越均一.
5.镀液温度:
镀金约50~60℃,镀镍约50~60℃,镀锡铅约17~23℃,镀钯镍约45~55℃.
6.镀液PH值:
镀金约4.0~4.8,镀镍约3.8~4.4,镀钯镍约8.0~8.5.
7.镀液比重:
基本上比重低,药水导电差,电镀效率差.
七.电镀厚度.在现今电子连接器端子电镀厚度的表示法有u”（microinch）微英寸,即是10-6inch,另一种是um（micrometer）微米,即是10-6M.因一公尺等于39.37英寸,所以1um相当于39.37u”.为了方便记忆,一般以40计算..
1.锡铅合金电镀,作为焊接用途,一般膜厚在100~150u”最多.
2.镍电镀,现在市场上（电子连接器端子）皆以其为打底,故在50u”以上为一般普遍之规格,较低的规格为30u”（可能考虑到折弯或成本）.
3.黄金电镀,其为昂贵之电镀加工,故一般电子业在选用规格时,皆考虑其使用环境,使用对象,制造成本,若需通过一般强腐蚀试验必须在50u”以上.
八.镀层检验.
1.外观检验:
目视法.放大镜（4~10倍）
2.膜厚测试:
X-RAY荧光膜厚仪.
3.密着试验:
折弯法,胶带法或并用法.
4.焊锡试验:
沾锡法,一般95%以上沾锡面积均匀平滑即可.
5.水蒸气老化试验:
测试是否变色或腐蚀斑点,及后续之可焊性.
6.抗变色试验:
使用烤箱烘烤法.是否变色或脱皮.
7.耐腐蚀试验:
盐水喷雾试验.硝酸试验.二氧化硫试验.硫化氢试验等.
第四章.电镀实务
表
（2）
磷表铜名称
CA5100
CA5110
CA5190
CA5210
CA5240
CA1100韧炼铜
锡含量%
4.2~5.8
3.5~4.9
5.0~7.0
7.0~9.0
9.0~10.0
0
密度（g/cc）
8.86
8.88
8.88
8.78
8.78
8.91
导电率%
25
27
20
18
11
100
黄铜名称
CA2100
CA2200
CA2260
CA2300
CA2400
CA2600
CA2700
CA2800
锌含量%
5
10
12.5
15
20
30
35
40
密度（g/cc）
8.86
8.80
8.77
8.74
8.69
8.53
8.47
8.39
导电率%
58
46
40
37
34
29
28
27
一.电镀前处理:
在实施电镀作业前一般皆要将镀件表面清除干净,方可得密着性良好之镀层.现就一般镀件表面结构作剖析（如图1）:
通常在铜合金冲压加工,搬运,储存期间,表面会附着一些尘埃,污垢,油脂及生成氧化等.而我们可以在素材一面这些污物予以分层说明处理方法（如表3）
图
（1）
1.尘埃,污物
2.油脂
3.氧化层
4.加工层
5.扩散层
6.铜合金素材
1.脱脂:
一般脱脂方法有溶剂脱脂,碱剂脱脂,电解脱脂,乳剂脱脂,机械脱脂（端子电镀业通常不用）.在进行脱脂前必须先了解油脂种类及特性.方可有效去除油脂.油脂一般可分为植物性油,动物性油,矿物性油,合成油,混合油等（如表4）.
金属表面油脂的脱除效用乃是由数种作用兼备而成的,如皂化作用,乳化作用,渗透作用,分散作用,剥离作用等.且脱脂时,除视何种油脂须用何种脱脂剂外,像素材对碱的耐蚀程度（如黄铜在PH值11以上就会被侵蚀）,端子的形状（如死角.低电流密度区）.油脂分布不均,油脂凝固等.皆会影响脱脂效果.须特别注意.所以脱脂的方法的选择即相当重要.以端子业来说,一般所用的油脂为矿物油,合成油,混合油,不可能用动植物油.
表（3）
层数
类别
处理方法
目的
第一层
污物
水.碱热脱脂剂
第一层至第三层处理完全后,基本上密着性已经很好
第二层
油脂
碱热脱脂剂,电解脱脂剂,溶剂等
第三层
氧化层
稀硫酸,稀盐酸,活化剂等
第四层
加工层
化学抛光,电解抛光
在处理表面加工纹路,毛边,较厚氧化膜
第五层
扩散层
表（4）
类别
性质
处理方法
植物性油脂
可被碱性脱脂剂皂化
碱性脱脂剂,电解脱脂剂,有机溶剂,乳化剂（冷脱）
动物性油脂
矿物性油脂
无法被碱性脱脂剂皂化,必须藉由乳化.渗透,分散作用
有机溶剂,乳化剂
合成油
有机溶剂,乳化剂,电解脱脂剂,碱性脱脂剂,选择并用
混合油
表（5）
方法
优点
缺点
使用药剂
溶剂脱脂法
脱脂速度快,不会腐蚀素材
对人体有害,易燃,价钱高
石油系溶剂,氯化碳氢系溶剂.如去渍油,三氯已烷
乳化脱脂法
脱脂速度快,不会腐蚀素材
废水处理困难,价钱高,对人体有害
非离子界面活性剂.溶剂,水混合
碱性脱脂法
对人体较无害,便宜,使用方便
易起泡沫,须加热,只能当作预备脱脂
氢氧化钠,碳酸钠,磷酸钠,磷酸三钠,界面活性剂
电解脱脂法
对人体较无害,使用方便,交果好
易起泡沫,须搭配预备脱脂,易氢脆
氢氧化钠,碳酸钠,硅酸钠,碳酸钠,界面活性剂等
2.活化:
脱脂完后的金属表面,仍然残存有很薄的氧化膜,钝态膜,会阻碍电镀层的密着性,故必须使用一些活化酸将金属表面活化,以防止电镀层产生剥离.起泡等之密着不良现象.一般铜合金所使用之活化酸为硫酸,盐酸,硝酸,磷酸等之混合酸,中也有加一些抑制剂.
3.抛光:
由于端子在机械加械过程中,使金属表面产生加工纹路或毛边,电镀后会影响外观及功能,一般在客户要求下,皆必须进行抛光作业.另外像素材氧化膜较厚活性化作业无法处理（如热处理后）时,皆必需仰赖抛光作业.而端子的抛光,一般仅限于使用化学抛光及电解抛光法.而上述两种方法皆使用酸液.为达到细微抛光.在酸的浓度及种类就相当重要.通常使用稀酸,细部抛光效果较佳,但是费时.使用浓酸,处理速度快,但易伤素材且对人体有害.故不管使用何种方式,搅拌效果要好,才可以得到较均匀的抛光表面.一般铜合金底材抛光的药水,强酸如硝酸,盐酸较佳.弱酸如磷酸,草酸,铬酸较佳,市售专利配方不外乎强酸搭弱酸使用.使用电解法抛光可以大大提升抛光速度,及产生较平滑细致之表面,目前连续电镀几乎皆采用此方法.甚至最新使用活化抛光液,可以在后续镀半光泽镍,一样可以得全光泽效果,又可以得到低内应力之镀层.快速搅拌对抛光极为重要.切记.
二.水洗工程:
一般电镀业,常专注在电镀技术研究,及电镀药水的开发,却往往忽略了水洗的重要性.很多电镀不良,皆来自水洗工程设计不良或水质不净.以下就水洗不良面造成电镀缺陷之各种情形加以解说.
1.若脱脂剂的水质为硬水,则端子脱脂后金属表面残存的皂碱,和Ca;Mg金属生成金属皂,固着于金属表面时,而产生镀层密着不良或光泽不良.一般改善方法,可以将水质软化并于脱脂剂内加界面活化剂.
2.若水质为酸性时,与金属表面残存的皂碱作用,产生硬脂酸膜,而造成镀层密着不良或光泽不良.改善方法为控制使用水质（调整PH值）.
3.若各工程药液带出严重并水洗不良,或水质不佳（即有不纯物）,会污染下一道工程,造成电镀缺陷.改善方法为使用干净的纯水,避免带出（吹气对准）药液,修正水洗效果.
4.在电镀槽间之水洗,水中含镀液浓度若过高,会造成镀层间密着不良或产生结晶物.改善方法为避免带出（吹气对准）药液,经常更换水洗水或做连续式排放.
5.若在电镀完毕最后水洗不良时,会造成镀件外观不良（水斑）,及镀件寿命简短（残留酸）.改善方法为使用干净的纯水,超纯水,经常更换水洗或做连续式排放.
四.电镀药水:
在端子电镀业,一般的电镀种类有金.钯.钯镍.铜.锡铅.镍.而目前使用比较多的有镍.锡铅合金及镀金（纯金及硬金）,以下就针对这几种电镀药水加以叙述其基本理论.
1.镍镀液:
目前电镀业界镀镍液,多采用氨基磺酸镍浴.（也有少数仍使用硫酸镍浴）,此浴因不纯物含量极低,故所析出之电镀层内应力很低（在非全光泽下）,镀液管理容易（不须时常提纯）,但电镀成本较硫酸镍浴高.而目前镀液分为三种类别,第一种为无光泽镍（又称雾镍或暗镍）,即是不添加任何光泽剂,其内应力属微张应力.第二种为半光泽镍（或称软镍）,即是添加第一类光泽剂（又称柔软剂）,随着添加量之增加,由微张应力渐渐下降为零应力,再变为压缩压力.第三种为全光泽镍（或称镜面镍）,即是同时添加第一类光泽剂及第二类光泽剂,此时内应力属高张应力.无光泽,半光泽镍多半用在全面镀锡铅时（因锡铅镀层能将镍层全面覆盖,故无须用全光泽）,或是用在电镀后须再做二次加工（如折弯）而考虑内应力时,或是考虑低电流析出时.而全光泽镍则用在镀金且要求光泽度时.氨基磺酸镍浴在搅拌情况良好下,平均电流密度可以开到40ASD.最佳操作温度是50~60℃,随温度下降高电流密度区镀层由光泽度下降,到白雾粗糙,烧焦,至密着不良.随着温度上升,氨基磺酸镍开始起水解成硫酸镍,内应力也随之增加.PH值控制在3.8~4.8之间,PH值过高镀层的光泽度会下降,逐渐变粗糙,甚至烧焦,PH值过低层会密着不良.比重控制在32~36Be,比重过高PH会往下降（氢质子过多）,比重过低PH值会上升且电镀效率变差.电流须使用直流三相滤波3%以下（可提升操作电流密度）.此镍镀浴在制程中最容易污染的金属为铜,建议超过3~5PPM时,尽快做弱电解处理.
2.锡铅镀液:
目前电镀业界镀锡铅液,多半采用烷基磺酸光泽浴（BRIGHT）,或无光泽浴（MAT）.市面上也分为低温型（约18℃~23℃之间）与常温型.其中以低温光泽浴使用最多.也较成熟.而常温型最好还是要恒温恒湿操作.因为不同的浴温公影响电镀速率与锡铅析出比例.镀层锡铅比的要求多半为90%锡10%铅.但实际镀液锡铅比约为10:
1~12:
1之间,而阳极锡铅比约为92:
8（因阳极解离之部分锡氧化为四价锡沉淀,为平衡9:
1之锡铅析出比）.烷基磺酸浴在搅拌情况良好下,平均电流密度是可以开到40ASD.除组成分外最会影响镀层的就是光泽剂及温度.正常下光泽剂的量越多（有效范围内）.其使用的电流密度范围就越宽,但若过量会影响其焊锡性,甚至造成有机污染,若量不足时,很明显光泽范围会缩小,不过控制得宜的话,可得半光泽镀层有助于焊锡性.若温度过高,其使用的电流密度范围会缩短,很明显怎么镀就是白雾不亮,而且药水混浊速度会加快（因四价锡产生）,不过倒是会增加电镀效率.若温度过低则电镀效率会下降,另在搅拌情况不良下,高电流密度区容易产生针孔现象.由于无光泽锡铅的焊锡性比光泽锡铅的好（镀层含碳量较低）,所以现阶段很多电镀厂在流程上,会设计先以无光泽锡铅打底后,再镀光泽铅.另外由于未来全球管制锡铅金属之使用.所以目前很多厂商在开发无铅制程,有纯锡,锡铜,锡铋,锡银,钯等,就功能,成本,安全,加工性等综合评比,以锡铜较具有取代性.也是目前较多电镀厂在试产.
3.硬金镀液:
由于镀层是做为连接器之导电皮膜用,相对镀层之耐磨性及硬度就必须比较优良,因而使用硬金系统镀液（酸性金）.硬金系统有金钴合金,金镍合金及金铁合金.在台湾电镀业界多半使用金钴合金（药水控制较成熟）,一般镀层之金含量在99.7~99.8%之间,硬度在160~210HV之间.目前镀液系统多半属于柠檬酸系,磷酸系,有机磷酸系等.一般会影镀层析出速率及使用电流密度范围之因素,有含量,光泽剂,整合剂,温度.PH值等.金含量之多少为取决效率之主要因素,但一般皆考虑投资成本及带出之损失,所以业者是不会将金含量开得太高的,一般金含量约开在1~15G/L之间（由生产速率及投资成本考虑而不定）.因此金能使用的电流密度就无法像镍或锡铅一样可以达40ASD.而仅限于15ASD（搅拌良好下）以下.而效率也仅限于60%以上.通常随着金含量增加,电镀效率也随着提升,但色泽会渐渐偏红,若随着温度降低,则电镀效率会下降,而色泽会由较黄渐渐变暗,偏绿.一般建议温度控制在50~60℃.随着PH值上升,电镀效率也随着上升,但过高即会造成烧焦（呈粗糙黑褐色）,若随着PH值下降,则电镀效率会下降,甚至过低时,黄金及盐类极易沉淀下来（PH低于3以下）,若注重效率则建议PH值控制在4.8左右,若注重金色泽较黄控制在4.0左右.光泽剂有分高电流及中低电流用,电低电流光剂是用钴,而高电流光泽剂则使用砒碇衍生物（多属专利）.此镀金溶液在制程中最易也最怕之金属为铅.建议在2~3PPM时,尽快做除铅处理.
4.纯金镀液:
此电镀乃是做为电镀薄金用或覆盖厚金用（因纯金颜色较黄）但不能做电镀厚金用（因耐磨性差）.一般多使用柠檬酸及磷酸混合浴等.此浴可操作之电流密度为30ASD,效率约在10~20之间.温度控制在50~60℃,PH值控制在5~8之间,故此浴也称为中性金.由于此浴单纯,在未有其它金属污染下,是极容易操作使用.一般只要控制金含量不提高太多即可（勿超过2G/L）,金含量高时一旦电镀膜厚稍厚,会有严重发红现象.
表（6）
电镀类别
镀层硬度
电流密度
PH值
温度
金属含量
镍电镀
300~500Hv
0~40ASD
3.8~4.8
50~60℃
90~110g/l
锡铅电镀
10~30Hv
3~40ASD
---
18~25℃
30~70g/l
硬金电镀
130~210Hv
0~15ASD
4.0~4.8
50~60℃
1~15g/l
纯金电镀
90~120Hv
0~30ASD
5~8
50~60℃
0.3~1.0g/l
钯镍电镀
500~600Hv
0~15ASD
7.5~8.5
50~60℃
30~40g/l
5.钯镍镀液:
目前此种镀液仍为氨系镀浴.由于组成份多为氨水.故在控制上,操作上并不是相当成熟.开缸总金属含量约在30~40G/L.电镀效率随着金属浓度成正比.一般PH值在8~8.5之间,而电镀时随着氨水的挥发PH值也跟着下降.现阶段以80%钯20%镍合金为主.膜厚约从20~50u”之间.当使用高电流密度时,操作条件必须控的很严苛.如PH值,金属含量,钯镍比,滤波度,铜污染,镍表层活化度等.稍有偏差马上发生密着不良现象.
五.电镀流程:
连续端子电镀的规格,有全镀镍,全镀锡铅,全镀镍再全镀锡铅.全镀镍再全镀金,全镀镍后再选镀金及选镀锡铅.全镀镍后再选镀钯镍并复盖金及及选镀锡铅等.下列为一般连续端子电镀之基本流程.
放料→预备脱脂→水洗→电解脱脂（阴或阳）→水洗→活性化→水洗→镀镍→水洗→镀钯镍→水洗→镀硬金→水洗→镀纯金→水洗→镀锡铅→水洗→中和→水洗→干燥→封孔→收料
使用在较不处理之油脂及氧化膜场合.由于阳极电解腐饼镀件速度快（特别是黄铜产速偏低时应注意）,故不易控制.通常多采用阳极电解脂法,阳极板使用316不锈钢.
5.活性化:
在铜合金底材,通常有使用稀硫酸.锋盐酸或市专利售活化酸（活性酸）.
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