电镀技术教材2.docx

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电镀技术教材2

電鍍技術教材

第一章．電鍍概論

1．電鍍定義2．電鍍的目的

3．鍍金屬方法4．電鍍流程

5．電鍍藥水組成6．電鍍條件

7．電鍍厚度8．電鍍檢驗

第二章．電鍍計算

1.電流密度2.耗金計算

3.理論厚度4.陰極電鍍效率計算

5.綜合計算

第三章．電鍍實務

1.電鍍底材（素材）2.電鍍前處理

3.水洗工程4.電鍍溶液

5.電鍍流程6.電鍍設備

第四章．電鍍不良對策

1．表面粗糙2．沾附異物

3．密著不良4．露銅

5．刮傷6．變形

7．壓傷8．白霧

9．針孔10．錫鉛重烙

11．端子融熔12．鍍層燒焦

13．電鍍厚度太高14．電鍍厚度不足

15．電鍍厚度不均16．鍍層暗紅

17．界面黑鎳、霧燥18．焊錫不良

19．鍍層發黑

電鍍應用單位換算

1.長度換算2.面積換算

3.體積換算4.重量換算

電鍍技術教材

第1章．電鍍概論

1.電鍍定義：

電鍍為電解鍍法金屬法之簡稱。

電鍍乃是將鍍件（制品），浸於含有欲鍍上金屬的離子溶液，

接通陰極，另一端置適當陽極（可溶性或不溶性），

通以直流電後，鍍件的表面即析出一層金屬薄膜的方法。

2．電鍍的目的：

1．增進美觀（如光亮、色澤）

2．提升抗環境能力（如抗蝕、耐熱、耐磨等）

3．提升密著能力（如打底電鍍）

4．配合後加工制程（如焊接、折彎）

5．提升使用功能（如導電、潤滑、強度、彈性等）

6．降低制造成本（如取代物）

3．鍍金屬方法：

1．電解鍍金法（俗稱電鍍）

2．化學鍍金法（俗稱化學電鍍）

3．熔融鍍金法

4．熔射鍍金法

5．氣相鍍金法（俗稱真空電鍍）

6．沖挈鍍金法（俗稱機械電鍍）

4．電鍍流程：

（未含水洗工程）

1．研磨polish（機械、化學、電解）

2．前處理pretreatment（脫脂、活化、清潔）

3．電鍍electroplating（鍍底、選鍍）

4．後處理aftertrcatment（著色封孔上臘）

5.乾燥drying（air，heater，IR）

5．電鍍藥水組成：

1．純水

2．金屬鹽

3．陽極解離助劑

4．導電鹽

5．緩衝劑

6．添加劑（如光澤劑、平滑劑、軟劑、濕潤劑、抑制劑等）

6．電鍍條件：

1．電流密度（鍍液特性，鍍件結構）

2．電鍍位置（陰陽極相對距離、位置）

3．攪拌狀況（速度←→穩定度）

4．電流波形（濾波度,PR,脈波等）

5．陽極（可溶性,不可溶性,輔助性）

6．鍍液溫度（Λu-50℃,Ni-55℃,SnPb-20℃）

7．PH值（酸性,中性,鹼性）

8．比重（粘度←→導電度）

9．鍍液組成分為（金屬離子含量、比例等）

7．電鍍厚度：

在現今電子連接器端子之電鍍厚度的表示法：

有

（1）μn（microinch）微英寸，即是10–6inch，

（2）μm（micrometer）微米，即是１0－６M。

　　　　一公尺（一米，１M）等於39.37inch（英寸）,所以1M相當於39.37μn，為了方便記憶，

一般以40計算，即是假設電鍍錫鉛3μ應大約為3*40=120μn。

以下為一般端子零件電鍍所需之基本厚度（資料來自ΛSTM標準），

當然在商業化時需根據消費者要求或買賣雙方協議，故此敘述僅作參考。

1.TIN-LEADALLOYPLATING：

（錫鉛合金電鍍）

（1）5μm以上其儲存期為三個月。

（2）12~30μm以上其儲存期為九個月。

一般至少需3μm以上焊錫性較具可靠，但現在已很多降至1~2μm之厚度，

若底材（或底層）選擇不適當的話，實在是令人擔優。

2.NICKELPLATING：

（鎳電鍍）

現在市場上（電子連接器端子）皆以其為Underplating（打底），故在50μn以上為一般普遍之規格，

但若單純電鍍鎳（最後鍍層），則必須要有5μm以上始可通過24小時以上之鹽水噴霧試驗。

3.GOLDPLATING（黃金電鍍）

其為昂貴之電鍍加工，故一般電子業在選用規格時，皆考慮其使用環境，使用對象、製造成本，

若需通過一般腐蝕試驗必須在50μm以上。

（此為國際標準規格）

８．電鍍檢驗：

在端子電鍍鍍層的檢驗項目有如下，但有些項目必須使用較昂貴之儀器及檢驗時效，故並非一般電鍍業皆能有完整之檢驗系統。

1.外觀（顯微鏡）８.純度（分光儀、AAS）

2.厚度（X-RAY螢光膜厚儀）９.耐磨性行（物理試驗機）

3.密著性行（折彎、急冷、膠帶法）10.延展性（物理試驗機）

　　　4.焊錫性（沾錫法）11.耐變色性（烘烤法、腐蝕性）

　　　5.耐蝕性行為鹽水、硝酸、二氧化硫等）12.阻抗（電阻測試器）

　　　6.硬度（硬度測試器）13.內應力（HULLCELL，&應力測試器）

　　　7.成分（分光儀、X-RAY．．）

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第2章．電鍍計算

1.電流密度：

即電極單位面積所通過的安培數，一般以Λ/dm2表示。

電流密度在電鍍操作上是很重要的變數。

諸如鍍層的性質、鍍層的分布、電流效率等，皆有很大的關系。

其計算方法如下：

平均電流密度（ΛSD）＝電鍍槽通電的安培數（Λmp）／電鍍面積（dm2）連續端子電鍍業，

計算陰電流密度時，必須先知道電鍍槽長及單支端子電鍍面積，然後再算出鍍槽中之總電鍍面積。

舉例：

有一連續端子電鍍，機鎳槽槽長1.5米，欲鍍一種端子，端子之間距為2.54mm,

每支端子電鍍面積為50mm2,今開電流50Λmp，請問平均電流密度為多少?

（1）電鍍槽中端子數量=1.5*1000/2.54=590支

（2）電鍍槽中電鍍面積=590*50=29500mm2=2.95m2

　　　　（3）平均電流密度=50/2.95=16.95ΛSD

2.耗金計算：

黃金電鍍（或鈀電鍍）因使用不溶解性陽極（如白金鈦綱），

故鍍液中消耗之金屬離子無法自行補給，需仰賴添加方式補充。

一般黃金是以金鹽田金氰化鉀）PGC來補充，

而鈀金屬是以鈀鹽（如氰化銨鈀、硝酸銨鈀或氯化鈀）來補充。

其計算方法如下：

重量（g）=面積（cm2）*長度（cm）*密度（g/cm3）

加金量＝電鍍面積＊　電鍍厚度　＊　金屬密度

一般使用電鍍厚度單位為μn（microinch）。

電鍍面積單位為dm2，鈀金屬密度12.0g/cm3，黃金密度19.3g/cm3。

本段將添加量計算公式簡化為：

（１）黃金添加量（g）=Λ（dm2）*Z（μn）*19.3（g/cm3）

（耗金量）＝100cm2*0.00000254cm*19.3．．．．．單位一致化

＝0.0049ΛZ．．．．．簡化後

（1dm2=100cm2，1μ=0.00000254cm）

（Λ：

電鍍面積dm2，Z：

電鍍厚度μ）

lgPGC理論上含純金量為0.683g，實際上制造（耗PGC量）

=0.000752ΛΖ出1Gpgc含黃金量約在0.681g之諳。

故若換算為耗PGC量（g）公式為加PGCJ量（g）=0.0049ΛΖ÷0.618

（２）鈀金屬添加量（g）=Λ（dm2）*z（μn）*19.3（g/cm３）

（耗鈀量）=100cm2*0.00000254cm*12.0……….單位一致化

=0.00305ΛΖ……….簡化後

若使用

（1）二氯二銨鈀鹽=0.00305ΛΖ÷0.5035=0.00605ΛΖ

（2）二氯四銨鈀鹽=0.00305ΛΖ÷0.4337=0.00703ΛΖ

（3）硝酸銨鈀鹽=0.00305ΛΖ÷0.4024=0.00757ΛΖ

電鍍技術教材

舉例：

有一連接端子電鍍機，欲生產一種端子1000支，電鍍黃全面3μn，

每支端子電鍍面積為50mm2，實際電鍍出平均厚度為3.5μn，請問需補充多少g純金?

多少gpgc?

（1）10000支總面積=10000*50mm2，=50（dm2）

（2）耗純金量=0.0049ΛΖ=0.0049*50*305=0.8575g

（3）耗PGC量=0.0072ΛΖ=0.0072*50*3.5=1.26g

3．理論厚度：

在計算理論厚度之前，必須知道法拉第電解定律。

法拉第的第一定律，為被電解出的生成物與所通入的電量在正比。

法拉第的第二定律，為通入一定的電量，各物質生成的量，與其化學當量成正比。

公式

（1）一個法拉第F=電流Λmp*時間hr/96500coul

公式

（2）一克當量E=金屬重量W*電荷數/原子量

公式（3）金屬重量W=面積cm2*厚度cm*密度g/cm３

由公式

（1）及公式

（2）得知（一個法拉第F=一克當量E）

公式（4）金屬重量W=電流Λmp*時間hr原子量/96500coul*電荷數

由公式（3）及公式（4）得知

厚度cm=電流Λmp*時間hr原子量/96500coul*電荷數*面積cm2*密度g/cm３

=電流密度Λmp/cm2*時間hr**時間hr*原子量/96500coul*電荷數*密度D

（Ζ厚度T時間M原子量N電荷數D密度　C電流密度）

Ζ（cm）=C（Λmp/cm2）*T（hr）*M/96500（coul）*N*D（g/cm３）

（1μn=2.54*106cm，1Λmp/dcm2=102Λmp/cm2，1hr=60min）

2.54*106Ζ=102C*60T*M/96500*N*D………單位一致化

.　Ζ=2.448CTM/ND………...簡化後

舉例：

鎳密度8.9g/cm３電荷數2，原子量58.68，試問鎳電鍍理論厚度?

Ζ=2.448CTM/ND

=2.448CT*58.69/2*8.9

=8.07CT

若電流密度為1Λmp/dcm2（1ASD），電鍍時間為1分鐘，則理論厚度

Ζ=8.07*1*1=8.07μn

金理論厚度=24.98CT（密度19.3，分子量196.9665，電荷數1）

銅理論厚度=8.47CT（密度8.9，分子量63.546，電荷數1）

鈀理論厚度=10.85CT（密度12.00，分子量106.42，電荷數1）

80/20鈀鎳論厚度=CT（平均密度11.38，分子量106.42，電荷數1）

90/10錫鉛論厚度=CT（平均密度11.38，分子量106.42，電荷數1）

4．陰極電鍍效率計算：

一般計算陰極電鍍效率（指平均效率）的方法有兩種，如下。

　陰極電鍍效率E=實際平均電鍍厚度Ζ’/理論電鍍厚度……

（1）

=理論需耗電流值/實際使用電流值……

（2）

本段僅介紹方法

（1）。

舉例：

假設電鍍鎳金屬，所用電流密度為10ASD，

電鍍時間為2分鐘，而實際的測厚度為150μn，請問陰極電鍍效率?

Ζ=8.07CT=8.07*10*2=161.4μn，E=Ζ/Ζ=150/161.4=93%

一般鎳的陰極電鍍效率應皆在90/10錫鉛的陰極電鍍效率約在80%以上，

黃金電鍍則視藥水金屬離子含量多寡而有很大差異。

若無法達到應有的陰極電鍍效率,，則可以從攪拌能力之提升或check電鍍藥水組成。

5．綜合計算：

假設電鍍一批D-25P-10ShPb端子，數量有20萬支，生產速度為20M/mi，

每個鎳槽鎳電流為50Λmp、金電流為4Λmp、錫鉛電流為40Λmp，

實際電鍍所測出厚度鎳為43μn、金為11.5μn、錫鉛為150μn，

每個電鍍槽長度皆為2M，鎳槽３個、金槽為２個、錫鉛槽３個，

每支端子鍍鎳面積為82mm2、鍍金面積為20mm2、鍍錫鉛面積為46mm2，每支端子間距為6.0mm，請問

（1）20萬支端子須多久可以完成？

（2）總耗純金量為多少g？

換算PGC為多少g？

（3）每個鎳、金、錫鉛槽電流密度各為多少？

（4）每個鎳、金、錫鉛電度效率為多少？

（1）２０萬支端子總長度＝20000*6=120000mm=1200M

２０萬支端子耗時=1200/20=60min=1hr

（2）２０萬支端子總面積=200000*20=400000mm2=400dm2

２０萬支端子耗純金量=0.0049ΛΖ=0.0049*400*1105=22.54g

２０萬支端子耗PGC量=22.54/0.681=33.1g

（3）每個鎳槽電鍍面積=2*1000*82/6=27333.33mm2=2.73dm2

每個鎳槽電流密度=50/2.73=18.32ΛSD

每個金槽電鍍面積=2*1000*20/6=6666.667mm2=0.67dm2

每個金槽電流密度=4/0.67=5.97ΛSD

每個錫鉛槽電鍍面積=2*1000*46/6=15333.33mm2=1.53dm2

每個錫鉛槽電流密度=40/1.53=26.14ΛSD

（4）鎳電鍍時間=3*2/20=0.3min

鎳理論厚度=8.07CT=8.07*18.32*0.3=44.35

鎳電鍍效率=43/44.35=97%

金電鍍時間=2*2/20=0.2min

金理論厚度=24.98CT=24.98=38.6%

金電鍍效率=11.5/29.83=38.6%

錫鉛電鍍時間=3*2*=/20=0.3min

錫鉛理論厚度=20.28CT=20.28*26.14*0.3=159

錫鉛電鍍效率=150/159=94.3%

電鍍技術教材

第3章．電鍍實務

１．電鍍底材（素材）：

一般在電鍍之前，本人建議最好先對底材進行了解，這有助於有效的電鍍加工。

如材質、端子結構、表面狀況（如油份、氧化情形、加工外觀等）。

而在電腦端子零件之電鍍加工中，所使用之材質有銅合金

（黃銅、磷銅、鈹銅、鈦銅、銀銅、鐵銅等）及鐵合金（SPCC、42合金等），

而一般最使用的材料為黃銅（brass）及磷青銅（phos-bronze）。

以下就對純銅及此兩種金屬加以說明。

（1）純銅（copper）：

銅的特點是導電度和導熱度大，所以多半用為電氣材料傳熱材料。

像導電率即是以銅做為μ基準，是以韌煉銅（ElectrolyticToughPitch）的電阻係數1.724μΩ.cm為100%1ACS（InternationalAnnealedCopperStandard），

其他金屬導電率之計算即是1.724/金屬電阻係數=%（如表

（1）及表

（2）。

銅在乾燥空氣中及清水中是不易起變化，但和海水便會起作用。

且若在空氣中有濕氣和CO2時，銅表面會生綠色鹼性碳酸銅（俗稱銅綠）。

（2）黃銅（brass）：

黃銅是銅和鋅的合金。

一般鋅含量在30-40％之間，黃銅的顏色隨鋅含量的增加從暗紅色，紅黃色，淡橙黃色漸漸變為黃色。

其機械性質優良，製造和加工都容易，價格又便宜，故多半皆用來做公端材料。

但其耐蝕性較差，故需鍍一層銅或鍍一定厚度以上之鎳，作為打底（underplating）防蝕用。

若在黃銅中加少量錫時，60/40黃銅加1％錫稱為navalbrass，70/30黃銅加1%錫稱為adamiraltybrass。

其他也有加少量鋁、鐵、矽、鎳等，皆為提升其物理性能及耐蝕性。

（3）磷青銅（phosphorusbronze）：

磷青銅為銅、錫、磷之合金。

一般錫含量在4~11%之間，磷含量在0.03~0.35之間。

在青銅中，加磷是為除去內部之氧化物，而改良其彈性及耐性能。

磷青銅之耐蝕性遠比黃銅優良，但價格較貴。

通常皆用在母端或彈片接點，有時在磷青銅加其他金屬更大增其耐蝕性，

可不必鍍鎳打底而直接鍍錫鉛合金，如加鎳為CA-725。

表

（1）

金屬名稱

銀

無氧銅

軔煉銅

脫氧銅

黃金

鉻

鋁

鋅

密度（g/cc）

10.5

8.91

8.91

8.89

19.3

7.1

2.7

7.14

導電率%

106.0

102.0

100.0

98.0

74.9

66.5

63.1

29.2

金屬名稱

鉆

鐵

鈀

白金

錫

鎳

鉛

鈦

密度（g/cc）

8.9

7.86

12.02

21.45

7.31

8.9

11.34

4.5

導電率%

17.8

17.3

16.0

15.7

15.3

14.7

8.4

2.1

表

（2）

磷青銅名稱

CA5100

CA5110

CA5190

CA5210

CA5240

CA1100軔煉銅

錫含量%

4.2~5.8

3.5~4.9

5.0~7.0

7.0~9.0

9.0~11.0

0

密度（g/cc）

8.86

8.88

8.80

8.78

8.78

8.91

導電率%

25

27

20

18

11

100

黃銅名稱

CA2100

CA2200

CA2260

CA2300

CA2400

CA2600

CA2700

CA2800

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

導電率%

58

46

40

37

34

29

28

27

2．電鍍前處理：

在實施電鍍作業前一般皆要將鍍件表面清除乾凈，方可得到密著性良好之鍍層。

現就一般鍍件表面結構伯剖析（如圖

（1））：

通常在銅合金衝壓（stamping）加工搬運儲存期間表面會附著睛些塵埃汙垢油脂及生成氧化物等，

而我們可以在素材表面這些污物予以分層說明處理方法（如表（3））。

1塵埃污物

2油脂

3氧化層

4加工層

5擴散層

6銅合金

圖

（1）

1.脫脂（degreasing）：

一般脫脂方法有：

溶劑脫脂、劑脂、電解脫脂、乳劑脫脂、機械脫脂（端子電鍍業通常不用）。

在進行脫脂前必須先了解油脂種類及特性，方可有效去除油脂。

油脂一般可分為植物性油、動物性油、礦物性油、合成油、混合油、等（如表（4））。

表

（2）

層數

類別

處理方法

目的

第一層

污物

水、鹼熱脫脂劑

第一層至第三層處理完全後，

基本上密著性已經很好。

第二層

油脂

鹼熱脫脂劑、電解脫脂劑、溶劑等

第三層

氧化物

稀硫酸、稀鹽酸、活化劑等

第四層

加工層

化學拋光、電解拋光

在處理表面加式紋路、毛邊、

較厚氧化膜。

第五層

擴散層

表（3）

表

（

（4）

類別

性質

處理方法

植物性油脂

可被性鹼脫脂劑皂化

鹼性脫脂劑、電解脫脂劑、有機溶劑、乳化劑（冷劑）。

動物性油脂

礦物性油脂

無法被鹼性脫脂劑皂化、必須籍由乳化、滲透、

分散作用。

有機溶劑、乳化劑。

合成油

有機溶劑、乳化劑、電解脫脂劑、

鹼性脫脂劑、選擇並用。

混合油

金屬表面油脂的脫除效用乃是由數種作用兼備而成的，

如皂化作用、乳化作用、滲透作用、分散作用、剝離作用等。

且脫脂時，除視何種脫脂劑外，像素材對鹼的耐蝕程度（如黃銅在PH值11以上就會被侵蝕）、

端子的形狀（如死角、低電流密度區）、油脂分布不均、油脂凝固等，皆會影響脫脂效果，須特別注意。

所以脫脂的方法的選擇即相當重要。

以端子業來說，一般所使用的油脂為礦物油、合成油、混合油，不可能用動植物油。

以下就對溶劑脫脂法、乳化脫脂法、鹼劑脫脂法、電解脫脂法作以比較說明。

電鍍技術教材

表（5）

方法

優點

缺點

使用藥劑

溶劑脫脂法

脫脂速度快、

不會腐蝕素材

對人體有害、

易燃價錢高。

石油系溶劑、氧化碳氫系溶劑。

如；去漬油、三氯乙烷。

乳化脫脂法

脫脂速度快、

不會腐蝕素材

廢水處理困難、

價錢高，

對人體有害。

非離子;界面活性劑溶劑水混合。

性脫脂法

對人體較無害、

便宜、使用方便

易起泡沫，

須加熱、

只能當作預備脫脂。

氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸鈉、

磷酸三鈉等、界面活性劑。

電解脫脂劑

對人體較無害、

便宜、使用方便、

效果好。

易起泡沫，

須搭配作預備脫脂、

易氫脆。

氫氧化鈉、磷酸鈉、矽酸鈉、

磷酸鈉、界面活性劑。

２.活化（activation）：

脫脂完後的金屬表面，仍然殘存有很薄的氧化膜、鈍熊膜，

會阻礙電鍍層的密著性，幫必須使用一些活化酸將金屬表面活化，

以防止電鍍層產生剝離（peeling）起泡（blister）等之密著不良現象。

一般銅合金所使用之活化酸，為硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸等之混合酸，其中也有加一些抑制劑。

３.拋光（polishing）：

由於端子在機械加工過程中，使金屬表面產生加工紋路，在電鍍後會影響外觀，

一般在客戶要求下，皆必須進行拋光作業。

另外像素材有毛邊，或氧化膜較厚活性化作業無法處理（如熱處理後）時，皆必需仰賴拋光作業。

而端子的拋光，一般僅限於使用化學拋光法及電解拋光法。

而上述兩種方法皆使用酸液，為達到細微拋光，在酸的濃度種類就相當重要。

通常使用稀酸，細部拋光效果較佳，但是費時。

使用深濃酸，處理速度快，但易素材且對人體有害。

故管使用何種方式，攪拌效果要好，才可以得到較均勻的拋光的表面。

3.水洗工程：

一般電鍍業，當專注在電鍍技術研究，及電鍍藥水的開發，卻往往忽略了水洗的重要性。

很多電鍍不良，皆來自水洗工程設計不良或水質不凈，

以下我們就水洗不良而造成電鍍缺陷之各種情形加以解說。

1.若脫脂劑的水質為硬水，則端子脫脂後金屬表面殘存的皂鹼，和Ca、Mg金屬生成金屬皂，

固著於金屬表面時，產生鍍層密著不良、光澤不良的原因。

一般改善方法，可以將水質軟化並於脫脂劑內加界面活性劑。

2.若在電鍍為酸性時，與金屬表面殘存的皂鹼作用，產生硬脂酸膜，

而造成鍍層密著不良、光澤不良的原因。

改善方法為控制使用水質（調整PH值）。

3.若各工程藥液帶出嚴重並水洗不良，或水質不佳（即有不純物），會污染下一道工程，

造成電鍍缺陷。

改善方法為使用乾凈的純水，避免帶出（吹氣對準）藥液，修正水洗效果。

4.電鍍槽間之水洗，水中含鍍液濃度若過高，造成鍍層間密著不良。

改善方法為避免帶出（吹氣對準）藥液，經常更換水洗或做連續式排放。

5.若在電鍍完畢最後水洗不良時，會造成鍍件外觀不良，及鍍件壽命簡短（殘留酸）。

　　改善方法為使用乾凈的純水，經常更換水洗或做連續式排放。

4.電鍍溶液：

在端子電鍍業，一般的電鍍種類有金、鈀、鈀鎳、銅、錫鉛、鎳。

而目前使用比較多的有鎳、錫、鉛合金鍍金（純金及硬金），

以下就針對這几種電鍍溶液加以敘述其基本理論。

1.鎳鍍液：

目前電鍍業界鍍鎳液，多採用氨基磺酸鎳浴（也有少數仍使用硫酸鎳浴）。

此浴因不純物含量極低，故所析出之電鍍層內應力很低（在非全光澤下），

鍍液管理容易（不須時常提純），但電鍍成本較硫酸鎳浴高。

而目前鍍液分為二種類別，半光澤，全光澤。

半光澤鎳多半用在全面鍍錫