电镀概论.docx

1、电镀概论電 鍍 技 術 教 材第1章 電鍍概論1. 電鍍定義 : 電鍍乃是將鍍件(製品) , 浸於含有上金屬的離子溶液 , 接通陰極 , 另一 端置適當陽極(可溶性或不可溶性) , 通以直流電後 , 鍍件的表面即析出一層薄膜的方法.2. 電鍍目的: 1. 美觀 ( Au, Ag, Ni, Cr, Zn-Cu ) 2. 防蝕性 ( Ni, Cr, Zn, Cd ) 3. 耐磨性 ( Hard Cr, Hard Au ) 4. 導電性 ( Au, Ag, Cu ) 5. 潤滑性 ( Ag, Sn, Pb ) 6. 耐熱性 ( Al ) 7. 焊接性 ( Sn, Sn-Pb ) 8. 強度 ( Me

2、tal ) 9. 成本3. 電鍍方法:1. 電解鍍金法2. 化學鍍金法3. 熔融鍍金法4. 溶射鍍金法5. 氣相鍍金法 ( 真空蒸著, 陰極噴濺, 離子鍍著 )6. 衝擊鍍金法 4. 電鍍流程:1. 研磨polish ( 機械, 化學, 電解 )2. 前處理pertreatment ( 脫脂, 活化, 清潔 )3. 電鍍electroplating ( 底鍍, 選鍍 )4. 后處理aftertreatment ( 著色, 對孔, 上臘 )5. 乾燥drying ( air, heater, lR ) 5. 鍍液組成:1. 純水2. 金屬監3. 溶解助劑4. 導電監5. 緩衡劑6. 添加劑 (

3、如光澤劑, 平滑劑, 柔軟劑, 濕潤劑, 抑制劑等 )電 鍍 技 術 教 材6. 電鍍條件:1. 電流密度 ( 鍍液特性, 鍍件結構 )2. 鍍液溫度 ( Au-50, Ni-55, SnPb-20 )3. 攪拌狀況 ( 速度 穩定度 )4. 電流波形 ( 濾波度, PR, 脈波 )5. 陽極 ( 可溶性, 不可溶性, 輔助性 )6. PH值 ( 酸性, 中性, 鹼性 )7. 比重 (粘度 導電度 )7. 電鍍厚度 : 在電腦端子零件之電鍍加工中 , 一般鍍膜厚度的表示方法有 (micro inch) 微英寸 , 即是10 6 inch , m ( micro meter ) 微米 , 即是1

4、0 6 M , 一般簡寫為 . 一公尺( 一米 , 1M ) 等於39.37inch ( 英寸 ) , 所以1m相當於39.37. 為了方便記憶 , 一般以40計算 , 即假設電鍍錫鉛3應大約為3*40=120. 以下為一般端子零件電鍍所需之基本厚度(根據ASTM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-LEAD ALLOY PLATING : 5m 以上其儲存期為三個月 . 1230m 以上其儲存期為九個月 . 一般至少需3以上尚可談銲錫性 . 但台灣現已很多淪落至12之厚度 , 實在是人擔憂 . 2. NICKEL PLATING :

5、 現在市場上(電腦端子)皆以其為Underplating ( 打底 ) , 故在50以上為一般普遍規格 , 但若單純電鍍鎳 ( 最後鍍層 ) , 則必須要有5m以上始可通過24小時以上之鹽水噴霧試驗 . 3. GOLD PLATING : 其為昂貴之電鍍加工 , 故一般電子業再選用規格時 , 皆考慮其使用環境 使用對象製造成本 , 若需通過一般強腐蝕試驗必須在50以上 . ( 此為國際標準規格 )8. 鍍層檢驗 : 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 AA

6、S. ) 2. 厚度 ( X-PAY , BETA-SCOPE ) 9. 耐磨性 ( 物理試驗機 ) 3. 密著性 ( 折彎 急冷 膠帶法 ) 10. 延展性 ( 物理試驗機 ) 4. 銲錫性 ( 沾錫法 ) 11. 耐變色性 (加熱法 腐蝕法 ) 5. 耐蝕性 ( 鹽水 硝酸 ) 12. 阻抗 ( 電阻測試器 ) 6. 硬度 ( 硬度測試器 ) 13. 內應力 ( HULL CELL & 應力測試器 )7. 成分 ( 分光儀 X-PAY ) 電 鍍 技 術 教 材第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A/dm 表示 . 電流密度在電鍍操作上是很重要的

7、變數 . 諸如鍍層的性質 鍍層得分佈 電流效率等 , 皆有很大的關係 . 通常有陽極電流密度和陰極電流密度 . 其計算方法如下 : 平均電流密度 ( ASD ) = 電鍍槽通電的安培數 ( Amp ) / 電鍍面積 ( dm ) 在連續端子電鍍業 , 計算電流密度時 , 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 , 端子之間距離為2.54 , 每支端子電鍍面積為50 , 今開電流50Amp , 請問平均電流密度為多少? 電鍍槽中端子數量 = 1.5 * 1000 / 2.54 = 590支 電鍍

8、槽中電鍍面積 = 590 * 50 = 29500 = 2.95 d 平均電流密度 = 50 / 2.95 = 16.95 ASD 2 . 耗金計算 : 黃金電鍍因使用不溶解性陽極 ( 如白金鈦網 ) , 故鍍液中消耗之金離子無法自行補給 , 需仰賴添加方式補充 . 一般以金鹽 ( 金氰化鉀 ) PGC 來補充 . 其計算方法如下 : 重量 ( g ) = 面積 ( ) * 長度 ( ) * 密度 ( g / ) 加金量 = 電鍍面積 * 電鍍厚度 * 黃金密度 一般使用電鍍厚度單位為( micro inch ) , 電鍍面積單位為d . 本段將加金公式簡化為 : 加金量 ( g ) = A

9、( d ) * Z () * 19.3 ( g / ) = 100 * 0.000254 * 19.3 單位一致化 = 0.0049 A Z 簡化後 ( 1 d = 100 , 1= 0.00000254 ) ( 1g純金 = 0.683gPCC ) ( A : 為電鍍面積 d , Z : 為電鍍厚度) 舉例 : 有一連續端子電鍍機 , 欲生產一種端子10000支 , 電鍍黃金全面3, 每支端子電鍍面積為50 , 實際電鍍出平均厚度為3.5, 請聞需補充多少g純金?多少gPGC? 10000支總面積 = 10000 * 50 = 50000 = 50 d 耗純金量 = 0.0049 A Z =

10、 0.0049 * 50 * 3.5 = 0.8575 g 耗 PGC 量 = 0.8575 /0.683 = 1.2555 g 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成正比 . 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 : 一個法拉第F = 電流 Amp * 時間 hr / 96500 coul 公式 : 一克當量E = 金屬重量 W * 電荷數 / 原子量 電 鍍 技 術 教 材 公式 : 金屬重量 W = 面積 * 厚度 * 密度 g / 由公式

11、及 公式 得知 ( 一個法拉第F =一克當量E ) 公式 : 金屬重量 W = 電流Amp * 時間 hr * 原子量 / 96500 coul * 電荷數 由公式 及 公式 得知 厚度 = 電流Amp * 時間 hr * 原子量 / 96500 * 電荷數 * 面積 * 密度g/ =電流密度Amp / * 時間 hr * 原子量 / 96500 coul * 電荷數 * 密度g/ ( Z 厚度 , T 時間 , M 原子量 , N 電荷數 , D 密度 , C 電流密度 ) Z ( ) = C ( Amp / ) * T ( hr ) * M / 96500 ( coul ) * N * D

12、 ( g / ) ( 1= 2.54 * 10 6 , 1Amp / dm = 10 2 Amp / , 1hr = 60 min ) 2.54 * 10 6 Z = 10 2 C * 60 T * M / 96500 * N * D 單位一致化 Z = 2.448 C T M / N D 簡化後 舉例 : 鎳密度8.9 g / , 電荷數2 , 原子量58.7 , 試問鎳電鍍理論厚度? Z = 2.448 C T M / N D = 2.448 C T * 58.7 * 8.9 = 8.07 C T 若電流密度為1 Amp / dm ( 1ASD ) , 電鍍時間為1分鐘 , 則理論厚度 Z

13、 = 8.07 * 1 * 1 = 8.07 參考資料 : 金理論厚度 = 24.98 C T ( 密度19.3 , 分子量196.97 , 電荷數1 ) 銅理論厚度 = 8.74 C T ( 密度8.9 , 分子量63.54, 電荷數1 ) 90 / 10 錫鉛理論厚度 = 20.28 C T ( 密度7.713, 分子量127.8, 電荷數2 ) 4. 效率計算 : 一般計算電鍍效率 ( 指平均效率 ) 的方法有兩種 , 如下 : 電鍍效率 E = 實際平均電鍍厚度 / 理論電鍍厚度 = 理論所需耗電流值 / 實際使用電流值 本段僅介紹方法 . 舉例 : 假設電鍍鎳金屬 , 所開電流密度為

14、10 ASD , 電鍍時間為2分鐘 , 而實際所測厚度為150, 請問電鍍效率? Z = 8.07 C T = 8.07 * 10 * 2 = 161.4 E = Z / Z = 150 / 161.4 = 93 %5. 綜合計算 : 假設電鍍一批D-25P-10SnPb端子 , 數量有20萬支 , 生產速度為20 M / min , 每 個鎳槽鎳電流為50 Amp , 金電流為4 Amp , 錫鉛電流為40 Amp , 實際電鍍所測出厚度鎳為43金為11.5錫鉛為150, 每個電鍍槽長度皆為2 M , 鎳槽3個 金槽2個 錫鉛槽3個 , 每支端子鍍鎳面積為82鍍金面積為20鍍錫鉛面積為46

15、, 每支端子間距為 6.0 , 請問 20萬支端子需多久可以完成 ? 總耗純金量為多少 ? 換算PGC為多少 ? 每個鎳金錫鉛槽電流密度各為多少 ? 每個鎳金錫鉛電鍍效率為多少?電 鍍 技 術 教 材 20萬支端子總長度 = 200000 * 6 = 1200000 = 1200 M 20萬支端子耗時 = 1200 / 20 = 60 min = 1 hr 20萬支端子總面積 = 200000 * 20 = 4000000 = 400 dm 20萬支端子耗純金量 = 0.0049 A Z = 0.0049 * 400 * 11.5 = 22.54 g 20萬支端子耗PGC量 = 22.54 /

16、 0.683 = 33 g 每個鎳槽電鍍面積 = 2 * 1000 * 82 / 6 = 27333.33 = 2.73 dm 每個鎳槽電流密度 = 50 / 2.73 = 18.32 ASD 每個金槽電鍍面積 = 2 * 1000 * 20 / 6 = 666.667 = 0.67 dm 每個金槽電流密度 = 4 / 0.67 = 5.97 ASD 每個錫鉛槽電鍍面積 = 2 * 1000 * 46 / 6 = 15333.33 = 1.53 dm 每個錫鉛槽電流密度 = 40 / 1.53 = 26.14 ASD 鎳電鍍時間 = 3 * 2 / 20 = 0.3 min 鎳理論厚度 = 8

17、.07 C T = 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 = 0.2 min 金理論厚度 = 24.98 C T = 24.98 * 5.97 * 0.2 = 29.83 金電鍍效率 = 11.5 / 29.83 = 38.6 % 錫鉛電鍍時間 = 3 * 2 / 20 = 0.3 min 錫鉛理論厚度 = 20.28 C T = 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 電鍍概論1. 電鍍底材

18、( 素材 ) : 在電腦端子零件之電鍍加工中 , 所使用之素材有銅合金 ( 黃銅磷 青銅鈹銅鈦銅銀銅鐵銅等 ) 及鐵合金 ( spcc 42合金等 ) , 而一般最常使用的材料為黃銅 ( brass ) 及磷青銅 ( phos bronze ) . 以下就對純銅及此兩重金屬加以說明 .1. 純銅 ( copper ) : 銅的特點是導電度和導熱度大 , 所以多半用為電器材料或傳熱材料 . 像導電率即是以銅做為基準 , 是以韌煉銅 ( Electrolytic Tough Pitch ) 的電阻係數 1.7241 為100% 1ACS ( International Annealed Coppe

19、r Standard ) , 其他金屬導電率之計算即是 1.7241 / 金屬電阻係數 = % . 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 3040 % 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 . 但其耐腐蝕性較差 , 故需度一層銅或鍍一定厚度以上之鎳 , 作為打底 ( Underplatin

20、g ) 防蝕用 . 若在黃銅中加少量錫時 , 會增加其耐蝕性 , 特別對海水的耐蝕性會增大 . 60 / 40 黃銅加 1% 錫稱為 naval brass , 70 /30 黃銅加1% 錫稱為admiralty brass . 其他也有加少量鋁鐵矽鎳等 , 皆為提昇其物理性能及耐蝕性 . 2. 磷青銅 ( phosphorus bronze ) : 磷青銅為銅錫磷之合金 . 一般錫含量在 411 % 之間 ,磷含量在 0.030.35 之間 . 在青銅中加磷是為除去內部之氧化物 , 而改良其彈性及耐是性能 . 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

21、在磷青銅中加其他金屬會更大增其耐蝕性 , 可不必鍍鎳打底而直接鍍錫鉛合金 , 如加鎳為 CA-725 . 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淨 , 方可得到密著性良好之鍍層. 現就一般鍍件表面結構做剖析 ( 如圖 （1）) : 通常在銅合金沖壓 ( stamping ) 加工搬運儲存期間 , 表面會附著一些塵埃污垢油脂氧化物等 , 而我們可以再素材表面這些污物予以分層說明處理方法 ( 如表 (1) ) .1. 塵埃、污物2. 油 脂3. 氧化層4. 加工層5. 擴散層6. 銅合金素材 圖 (1 )電 鍍 技 術 教 材 表 ( 1 ) 層 數 類 別 處 理 方 法

22、 目 的 第一層污 物水鹼熱脫脂劑 第一層至第三層處理 第二層 油 脂 鹼熱脫脂劑電解脫脂劑溶劑等 完全後 , 基本上密著 第三層 氧化層 稀硫酸活化劑 性已經很好 . 第四層 加工層 酸拋光電解拋光 在處理表面加工紋路, 第五層 擴散層 必要使用之 . 1. 脫脂 ( decreasing ) : 一般脫脂方法有溶劑脫脂鹼劑脫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 . 油至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 ( 2 ) ) . 表 ( 2 ) 類 別 性 質 處 理 方 法 植物性油脂 可

23、被鹼性脫脂劑皂化 鹼性脫脂劑電解脫脂劑有機溶劑乳化動物性油脂 劑 ( 冷脫 ) . 礦物性油脂 無法被鹼性脫脂劑皂 有機溶劑乳化劑 .合成油 化 , 必須籍由乳化 有機溶劑乳化劑電解脫脂劑鹼熱脫脂 混合油 滲透分散作用 . 劑 , 選擇並用 .金屬表面有值得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 , 除視何種油脂須用何種脫脂劑外 , 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 ) 油脂分布不均等 , 皆會影響脫脂效果 , 特別注意 . 所以脫脂的方法的選擇即相當重要 . 以端子業來

24、說 , 一般所使用的油脂為礦物由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鹼劑脫脂法電解脫脂法作以下比較說明 . 電 鍍 技 術 教 材 表 ( 3 ) 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 . 石油系溶劑氯 氯化碳氫系溶劑 . 如煤油三氯乙烯 . 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 . 鹼性脫脂法 對人體較無害 便 宜 使用方便 . 易起泡沫 須加 熱 只能當作預 脫脂 . 氫氧化鈉 碳酸鈉 磷酸鈉 磷酸三鈉等, 界面活性劑

25、. 電解脫脂劑 對人體較無害使 用方便 效果好 . 易起泡沫 須搭 配預脫脂 易氫 脆 . 氫氧化鈉 磷酸鈉 矽酸鈉 碳酸鈉 界面活性劑等 .2. 活化 ( activation ) : 脫脂完後的金屬表面 , 仍然殘存有很薄的氧化膜 鈍態膜 會阻礙電鍍層的密著性 , 故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 , 使金屬表面產生紋路 ,

26、會影響電鍍外觀 . 一般在客戶的要求下 , 皆必須進行拋光作業 . 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 , 在酸的濃度及種類就相當重要 . 通常使用稀酸 , 細部拋光較佳 , 但是費時 . 使用濃酸 ,處理速度快 , 但易傷素材且對人體有害 . 故不管使用何種方式 , 攪拌效果要好 , 才可以得到較均勻的拋光表面 . 3. 水洗工程 : 一般電鍍業 , 常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淨 , 以下我們就水洗不良而造成電鍍缺陷之各種情形加

27、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 , 可以將水質軟化並預脫脂劑內加界面活性劑 . 2. 若水質為酸性時 , 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 ) .電 鍍 技 術 教 材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 . 改善方法為使用乾淨的純水 , 避免帶出 ( 吹氣對準 ) 藥液 ,

28、修正水洗效果 .4. 在電鍍槽間之水洗 , 水中含鍍液鎔度若過高 , 會造成鍍層間密著不良 . 改善方法為避免帶出 ( 吹氣對準 ) 藥液 , 經常更換水洗水 .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 ) . 改善方法為適用乾淨的純水 , 經常更換水洗水 . 4. 電鍍溶液 : 在端子電鍍業 , 一般的電鍍種類有 Au Ag PdNi Cu SnPb . 而在本公司目前只有鍍金 ( 純金及硬金 ) 鎳及錫鉛合金 , 所以本節將只敘述此四種金屬電鍍理論 . 1. 鎳電鍍 : 本公司鍍鎳液 , 採用氨基磺酸鎳浴 . 此浴因不純物含量極低 , 故所析

29、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 . 而目前鍍液分為兩種類別 , 半光澤 全光澤 . 半光澤鎳是用在全面鍍錫鉛時 ( 因錫鉛鍍層能將錫鉛鍍層能將鎳層全面覆蓋 , 故無須用全光澤 ) , 或是用在鍍金時 ( 客戶不要求光澤度及考或是用在鍍金時 ( 客戶不要求光澤度及考慮低電流析出 ) ,全光澤鎳則用再鍍金且要求光澤度時 . 氨基磺酸鎳浴在攪拌情況良好下 , 電流密度是可以開到 40 ASD . 最佳操作溫度在5060 , 隨著溫度下降 , 高電流密度鍍層由光澤度下降 , 到百霧粗糙 燒焦 至密著不良 . 隨著溫度上升

30、, 氨基磺酸鎳開始水解成硫酸開始水解成硫酸鎳 , 內應力也隨之增加 . PH值控制在3.84.8 之間 , PH值過高鍍層輝光則不佳 逐漸變粗糙 , PH值過低鍍層會密著不良 . 比重控制在3236 Be ,比重過高PH值會往下降 ( 氫質子過多 ),比重過低PH值會往上升且電鍍效率變差 . 電流須使用直流三相濾波 5%以下 ( 可提升操作電流密度 ) . 2. 錫鉛電鍍 : 本公司鍍錫鉛液 , 採用甲基磺酸光澤浴 . 鍍層錫鉛比為90錫比10鉛 , 但實際鍍液錫鉛比為10 : 1 左右 , 而陽極錫鉛比為92 : 8 ( 因陽極解離之部分錫氧化為四價錫沉澱 , 為平衡 9 : 1之錫鉛析出比 ) . 氨基磺酸鎳在攪拌情況良好下 , 電流密度是可以開到4