现代表面工程技术电镀和化学镀剖析.pptx

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1、电镀、化学镀技术电镀概念电镀原理电源发展介绍镀层电镀作用电镀方式几种电镀技术化学镀综述化学镀概念化学镀特点仪器与流程化学镀预处理化学镀的镀液化学镀工艺参数的影响第1页/共49页一、电镀技术第2页/共49页电镀概念电镀(Electroplating)就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止腐蚀,提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用。第3页/共49页电镀原理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负极和正极联接。电镀液由含有镀覆金属的化合

2、物、导电的盐类、缓冲剂、pH调节剂和添加剂等的水溶液液组成。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。第4页/共49页电镀的电源发展介绍电镀电源经历了四个发展阶段:(1)直流发电机阶段这种电源耗能大、效率低、噪声大,已经被淘汰

3、。(2)硅整流阶段是直流发电机的换代产品,技术十分成熟,但效率低,体积大,控制不方便。目前,仍有许多企业使用这种电镀电源。(3)可控硅整流阶段是目前替代硅整流电源的主流电源,具有效率高、体积小、调控方便等特点。随着核心器件可控硅技术的成熟与发展,该电源技术日趋成熟,已获得广泛应用。(4)晶体管开关电源即脉冲电源阶段脉冲电镀电源是当今最为先进的电镀电源,它的出现是电镀电源的一次革命。这种电源具有体积小、效率高、性能优越、纹波系数稳定,而且不易受输出电流影响等特点。脉冲电镀电源是发展的方向,现已开始在企业中使用。第5页/共49页镀层的几种形式1.镀铜：打底用，增进电镀层附着能力，及抗蚀能力。2.镀

4、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)。3.镀金：改善导电接触阻抗，增进信号传输。4.镀钯镍：改善导电接触阻抗，增进信号传输，耐磨性比金佳。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)。第6页/共49页电镀作用利用电解作用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。镀层大多是单一金属或合金，如钛靶、锌、镉、金或黄铜、青铜等；也有弥散层，如镍-

5、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,如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。第7页/共49页电镀方式电镀分为挂镀、滚镀、连续镀和刷镀等方式，主要与待镀件的尺寸和批量有关。挂镀适用于一般尺寸的制品,如汽车的保险杠,自行车的车把等。滚镀适用于小件，如紧固件、垫圈、销子等。连续镀适用于成批生产的线材和带材。刷镀适用于局部镀或修复。电镀液有酸性的、碱性的和加有铬合剂的酸性及中性溶液，无论采用何种镀覆方式，与待镀制品和镀液接触的镀槽、吊挂具等应具有一定程度的通用性第8

6、页/共49页几种电镀技术的介绍真空电镀分类：主要包括真空蒸镀、溅射镀和离子镀几种类型。特点：采用在真空条件下，通过蒸馏或溅射等方式在塑件表面沉积各种金属和非金属薄膜，通过这样的方式可以得到非常薄的表面镀层，同时具有速度快附着力好的突出优点，但是价格也较高，可以进行操作的金属类型较少，一般用来作较高档产品的功能性镀层。第9页/共49页工艺介绍：真空蒸镀法是在高度真空条件下加热金属，使其熔融、蒸发，冷却后在塑料表面形成金属薄膜的方法，常用的金属是铝等低熔点金属。在对塑料制品实施蒸镀时，为了确保金属冷却时所散发出的热量不使树脂变形，必须对蒸镀时间进行调整。此外，熔点、沸点太高的金属或合金不适合于蒸镀

7、。置待镀金属和被镀塑料制品于真空室内，采用一定方法加热待镀材料，使金属蒸发或升华，金属蒸汽遇到冷的塑料制品表面凝聚成金属薄膜。第10页/共49页优点：真空条件下可减少蒸发材料的原子、分子在飞向塑料制品过程中和其他分子的碰撞，减少气体中的活性分子和蒸发源材料间的化学反应（如氧化等），从而提供膜层的致密度、纯度、沉积速率和与附着力。通常真空蒸镀要求成膜室内压力等于或低于10-2Pa，对于蒸发源与被镀制品和薄膜质量要求很高的场合，则要求压力更低（10-5Pa）。镀层厚度0.04-0.1um太薄，反射率低；太厚，附着力差，易脱落。厚度0.04时反射率为90%。第11页/共49页应用介绍：PC料耐温13

8、0度，只有“真空电镀+UV油光固”才可达到耐130度高温要求。第12页/共49页脉冲电镀脉冲电镀是一项新的电镀技术。它的特点是由脉冲电流对电极过程动力学的特效影响所决定的,其中最主要的是对传质过程中的影响。在直流电镀时,镀液中被镀出的金属离子在阴极表面附近溶液中逐渐被消耗,造成了该处被镀金属离子与溶液中该离子的浓度出现差别。这种差别随着使用的电流密度增高而加大。当阴极附近液层中的该离子的浓度降到0时,就达到了所谓的极限电流密度,传质过程完全受扩散控制。第13页/共49页脉冲电源：脉冲电源分为数字脉冲电源和模拟脉冲电源。所谓数字脉冲电源,是采用微处理器及数字电路对脉冲电源中的直流斩波进行控制,并

9、实现数字显示与数字调节的电源。第14页/共49页数字脉冲电源原理示意图第15页/共49页与传统的模拟脉冲电源相比,数字脉冲电源具有如下优点:(1)驱动波形规整,极大地改善了斩波后的输出波形,对提高电镀质量十分有利;(2)采用数字调控,直观简单;(3)波形调节范围宽,调节步进可以至0.1ms;(4)温度漂移系数小,能长期稳定连续运行。第16页/共49页镀层含量与脉冲频率的关系第17页/共49页在平均电流密度I不变的条件下由下式可知式中:IP电流峰值;I平均电流密度;ton脉冲电流导通时间;toff脉冲电流断电时间;tofff脉冲频率;T=ton+toff脉冲周期;第18页/共49页因此可得出下列

10、结论：频率越低,峰值电流越大,即在脉冲宽度的时间内,就会使靠近阴极处的金属离子急剧减少。由于在较短的时间内,基质金属的沉积速度较快,输送到阴极并嵌入镀层中的速度赶不上基质金属的沉积速度。因此,为了提高镀层质量和效率,可以根据不同的镀层金属溶液,对脉冲电源的频率和脉宽进行适当调整实现对峰值电流的改变。第19页/共49页纳米镜面喷镀纳米镜面喷镀已通过ROHS、环保检测、盐雾试验的检测，绝对能达到国家的标准，它弥补了电镀、水镀的不足，具有不含重金属、使用简单、成本低,投资少、不受基材的限制、颜色多种多样等特点，可广泛应用于工艺品、塑料制品、陶瓷制品、汽车摩托车配件、木材、卫浴产品、窗帘杆、佛像、圣诞

11、用品等行业。可做镀金、镀银、仿古,表面都是镜面高光效果。第20页/共49页纳米镜面喷镀的多项优点：1.绿色环保-无重金属、无三废排放2.投资少成本:5-19元/平米3.操作安全-操作期间不会对喷涂人员造成任何伤害4.适合自动化生产-可根据客户需求上自动化生产线5.色彩多样-金色、铬色、黄铜色、仿古铜、红铜,炮铜色、（红黄紫绿蓝）等6.回收利用-喷镀的主料可以回收。7.适用范围广-各种材质的基材都可以喷涂，不受体积面积限制8.可做叉色定位喷涂-可做局部喷镀的颜色装饰，也在一件产品上喷镀成不同的颜色及效果的图案。纳米镜面喷镀”被视为继水电镀、真空电镀之后又一次伟大的技术革新，不仅可以缓解水电镀对人

12、类生存环境造成的严重污染问题，而且在成本、装饰性和应用范围方面又弥补了真空电镀具有的一些不可避免的缺陷，推广和应用前景十分广阔。第21页/共49页电镀的检验镀端子的检验是电镀完成后不可缺少的工作，只有检验合格的产品才能交给下一工序使用。通常驻的检验项目为：膜厚（thickness）,附着力（adhesion）,可焊性（solderability）,外观（appearance）,包装（package）.盐雾实（saltspraytest）,对于图纸有特别要求的产品，有孔隙率测试（30U”）金使用硝酸蒸气法，镀钯镍产品（使用凝胶电解法）或其它环境测试。第22页/共49页一、膜厚：1膜厚为电镀检测基

13、本项目，使用基本工具为萤光膜厚仪（X-RAY），其原理是使用X射线照射镀层，收集镀层返回的能量光谱，鉴别镀层厚度及成分。2使用X-RAY注意事项：1）每次开机需做波谱校准2）每月要做十字线校准3）每星期应至少做一次金镍标定4）测量时应根据产品所使用的钢材选用测试档案5）对于新产品没有建测试档案，应建立测试档案第23页/共49页二附着力：附着力检测为电镀基本检测项目，附着力不良为电镀最常见不良现象之一，检测方法有两种：1折弯法：先用与所需检测端子相同厚度的铜片垫于需折弯处，用平口钳将样品弯曲至180度，用显微镜观察弯曲面是否有镀层起皮，剥落等现象。2胶带法：用3M胶带紧牢地粘贴在欲试验样品表面，

14、垂直90度，迅速撕开胶带，观察胶带上有载剥落金属皮膜。如目视无法观察清楚，可使用10倍显微镜观察。3结果判定：a)不可有掉落金属粉末及补胶带粘起之现象。b)不可有金属镀层剥落之现象。c)在底材未被折断下，折弯后不可有严重龟裂及起皮之现象。d)不可有起泡之现象e)在底材未被折断下，不可有裸露出下层金属之现象。4对于附着力发生不良时应学会区分剥落的层的位置，可用显微镜及X-RAY测试已剥落的镀层厚度来判断，借些找出出问题的工站。第24页/共49页三可焊性1可焊性为镀锡铅和镀锡的基本功能与目的，如果有焊接后工序要求的，焊接不良是绝对不可接受的。2焊锡试验的基本方法：1)直接浸锡法：根据图纸规定，直接

15、将焊锡的部分浸上求求的助焊剂，浸入235度的锡炉中，5秒钟后应缓缓以约25MM/S速度取出。取出后，冷却至常温时用10倍显微镜观察判定：吃锡面积应大于95%以上，吃锡部位应平滑光洁，无拒焊，脱焊，针孔等现象即判合格。2)先老化后焊接，对于部分力面有特别要求的产品，样品在作焊接试验前应使用蒸汽老化试验机对样品进行8或者16个小时的老化，以判断产品在恶劣的使用环境下的焊接性能。第25页/共49页四外观：1外观检测为电镀检测的基本功能，从外观上可以看出电镀工艺条件的适合性及电镀药水可能产生的变化。对于不同的客户对外观会有不同的要求，对于电镀端子应一律用至少10倍以上的显微镜观察。对于已发生的不良，放

16、大倍数越大越有助于分析问题发生的原因。第26页/共49页2检验步骤：1）取样品放在10倍显微镜下，用标准白色光源垂直照射：2）通过目镜观察产品表面状况。3判定方法：1）色泽均匀，不可有深浅色，异色（如变黑，发红，发黄），镀金不可有严重色差。2）不可粘有任何异物（毛屑，灰尘，油污，结晶物）3）必须干燥，不可沾有水分4）平滑性良好，不可有凹洞，颗粒物5）不可有压伤，刮伤，刮歪等各种变形现象及镀件受损之现象6）不可有裸露出下层之现象，关于锡铅外观，在不影响可焊性的情况下允许有少许（不超过5%）麻点，麻坑。7）镀层不可有起泡，剥落等附着力不良现象8）电镀位置依照图纸规定执行，在不影响使用功能的前提下，

17、可由QE工程师决定适当放宽标准9）对于有疑异的外观不良现象，应由QE工程师定极限样版和外观辅助标准第27页/共49页二、化学镀技术第28页/共49页化学镀技术是在金属的催化作用下，通过可控制的氧化还原反应产生金属的沉积过程。与电镀相比，化学镀技术具有镀层均匀、针孔小、不需直流电源设备、能在非导体上沉积和具有某些特殊性能等特点。另外，由于化学镀技术废液排放少，对环境污染小以及成本较低，在许多领域已逐步取代电镀，成为一种环保型的表面处理工艺。目前，化学镀技术已在电子、阀门制造、机械、石油化工、汽车、航空航天等工业中得到广泛的应用。第29页/共49页化学镀概念化学镀是一种在无电流通过的情况下，金属离

18、子在同一溶液中还原剂的作用下通过可控制的氧化还原反应在具有催化表面(催化剂一般为钯、银等贵金属离子)的镀件上还原成金属，从而在镀件表面上获得金属沉积层的过程，也称自催化镀或无电镀。化学镀生产设备化学镀生产设备第30页/共49页化学镀特点优点：最突出的优点是无论镀件多么复杂,只要溶液能深入的地方即可获得厚度均匀的镀层,且很容易控制镀层厚度。与电镀相比，化学镀具有镀层厚度均匀、针孔少、不需直流电源设备、能在非导体上沉积和具有某些特殊性能等特点；缺点：化学镀镀层质量不很好，厚度上不去，且可镀的品种不多，故主要用于不适于电镀的特殊场合。第31页/共49页化学镀所需仪器:电热恒温水浴锅；8522型恒温磁

19、力搅拌器控温搅拌；增力电动搅拌机。化学镀工艺流程：机械粗化化学除油水洗化学粗化水洗敏化水洗活化水洗解胶水洗化学镀水洗干燥镀层后处理。第32页/共49页化学镀预处理需进行化学镀的镀件一般不溶于水或者难溶于水。化学镀工艺的关键在于预处理，预处理的目的是使镀件表面生成具有显著催化活性效果的金属粒子，这样才能最终在基体表面沉积金属镀层。第33页/共49页化学镀的镀液一般由主盐、还原剂、络合剂、缓冲剂组成；对某些特殊材料的镀件施镀时镀液中还需要添加稳定剂、表面活性剂等功能添加剂。主盐与还原剂是获得镀层的直接来源,主盐提供镀层金属离子，还原剂提供还原主盐离子所需要的电子。第34页/共49页1 1主盐主盐

20、化学镀镍液的主盐是提供金属镍离子的可溶性化学镀镍液的主盐是提供金属镍离子的可溶性镍盐，在化学还原反应中是氧化剂的角色，可供采用的有镍盐，在化学还原反应中是氧化剂的角色，可供采用的有硫酸镍、氯化镍、醋酸镍、氨基磺酸镍、次磷酸镍等。由硫酸镍、氯化镍、醋酸镍、氨基磺酸镍、次磷酸镍等。由于成本的原因，大多数选用硫酸镍作为主盐。于成本的原因，大多数选用硫酸镍作为主盐。有足够的主盐，可以维持比较高的沉积速度有足够的主盐，可以维持比较高的沉积速度保证镍离子的充分补给，但也不能太多，大约在镍含量保证镍离子的充分补给，但也不能太多，大约在镍含量6g/L-10g/L(HiSO46H2O 6g/L-10g/L(Hi

21、SO46H2O 在在25g/L-45g/L)25g/L-45g/L)范围比较合理。范围比较合理。而且主盐与络合剂、主盐与还厚剂的比例都有一个合理范而且主盐与络合剂、主盐与还厚剂的比例都有一个合理范围。围。Ni2Ni2与与H2PO2H2PO2的摩尔比应在的摩尔比应在0.30.30.450.45之间之间(相当于相当于NiSO46H2ONiSO46H2O与与NaH2PO2H2ONaH2PO2H2O的质量比为的质量比为1:11:1左右左右)。第35页/共49页2还原剂还原剂 化学镀镍中，多数使用次磷酸钠做为还化学镀镍中，多数使用次磷酸钠做为还原剂。它提供化学还原反应中还原镍离子原剂。它提供化学还原反应

22、中还原镍离子所需要的电子。一般次磷酸钠的含量为所需要的电子。一般次磷酸钠的含量为20g/L40g/L第36页/共49页第37页/共49页3 络合剂络合剂 为了使镀液稳定及获得性能良好的化学镀镍层，为了使镀液稳定及获得性能良好的化学镀镍层，必须选择适当的络合剂及确定合理的用量范围。必须选择适当的络合剂及确定合理的用量范围。络合剂的用量不仅与镀液中镍离子的浓度有关，络合剂的用量不仅与镀液中镍离子的浓度有关，也与该络合物能够与镍形成的配位健的数目有关。也与该络合物能够与镍形成的配位健的数目有关。一般的配方组成中除了有一个主络合剂之外，一般的配方组成中除了有一个主络合剂之外，还配以其他的辅助络合剂。不

23、同种类的络合剂及还配以其他的辅助络合剂。不同种类的络合剂及络合剂的使用量不同，对化学镀镍的沉积速度影络合剂的使用量不同，对化学镀镍的沉积速度影响很大响很大(见图见图)第38页/共49页图为图为 不同络合剂对沉积不同络合剂对沉积速度的影响速度的影响NiCl26H2O 30g/LNaH2PO2H2O 10g/L乳酸羟基乙酸甘氨酸琥珀酸水杨酸邻苯二酸第39页/共49页4缓冲剂缓冲剂 化化学学镀镀镍镍的的过过程程中中除除了了有有镍镍和和磷磷的的析析出出之之外外，还还有有氢氢离离子子的的产产生生，镀镀液液的的pH值值会会不不断断降降低低，这这不不但但使使沉沉积积速速度度放放慢慢，也也会会对对镀镀层层含含

24、磷磷量量产产生生影影响响，因因此此，在在化化学学镀镀镍镍溶溶液液中中必必须须加加入入缓缓冲冲剂剂。一一般般弱弱酸酸及及弱弱酸酸盐盐或或多多元元弱弱酸酸都都可可能能形形成成一一个个理冲体系。理冲体系。第40页/共49页6促进剂促进剂 在化学镀镍液中能提高镍沉积速度的成分称为促进剂。在化学镀镍液中能提高镍沉积速度的成分称为促进剂。它的作用机理是活化次磷酸根离子，促其释放原它的作用机理是活化次磷酸根离子，促其释放原子氢。有些有机酸是很好的络合剂，同时也是化学镀液子氢。有些有机酸是很好的络合剂，同时也是化学镀液的促进剂。的促进剂。第41页/共49页7其他辅助成分其他辅助成分 在在化化学学镀镀镍镍液液中

25、中，有有时时还还加加入入润润湿湿剂剂以以减减少少针针孔孔，加加入入光光亮亮剂剂以以提提高高镀镀层层光光亮亮度度，润润湿湿剂剂与与电电镀镀悼悼液液选选用用的的润润湿湿剂剂相相似似常常用用的的有有十十二二烷烷基基硫硫酸酸钠钠和和十十二二烷烷基基磺磺酸酸钠钠。光光亮亮剂剂有有邻邻甲甲苯苯磺磺酰酰胺胺，苯苯二二磺磺酸酸钠钠，奈奈磺磺酸酸钠钠，糖糖精精，镉镉盐盐等等。在在不不同同的的络络合合体体系系的的镀镀液液中中，光光亮亮剂剂用用量量必必用用由由试试验来确定。验来确定。第42页/共49页几种化学镀工艺简介化学镀铜：化学镀铜：化学镀铜液采用硫酸铜作主盐,以甲醛为还原剂,EDTA二钠盐和酒石酸钾钠组成的双

26、络合剂体系,稳定剂主要由亚铁氢化钾和,-联吡啶组成；该体系具有稳定性好、使用寿命长、操作温度宽、成本低等特点。第43页/共49页化学镀镍化学镀镍：化学镀镍溶液分为酸性和碱性两种，在酸性镀液中生成的是高磷非磁性镀层（酸性条件下的化学镀镍温度一般为8595），而在碱性镀液中生成的是低磷磁性镀层，适合用于吸波材料。碱性化学镀镍溶液具有非常好的均镀能力，镀层结合力高。第44页/共49页化学镀钴化学镀钴：碱性化学镀钴的作用原理与碱性化学镀镍类似非金属电镀：非金属电镀：非金属表面金属化后，可以获得导电、导磁、耐磨、抗老化、耐热、可焊接等性能和不同色泽的金属外观，从而使非金属材料的装饰性和功能性增强、使用范

27、围拓宽。非金属表面金属化的方法有喷镀、电镀(包括化学镀)、直空蒸镀、阴极溅射或离子镀等多种工艺，但目前在工业中应用最多的是电镀工艺。第45页/共49页化学镀工艺参数对镀层的影响影响镀液性能和镀层质量的主要因素有镀液组成及镀液pH值、镀覆温度等，当改变主盐、还原剂的浓度以及温度、装载量时,化学镀镀层外观、镀速和镀液稳定性将发生较大变化。第46页/共49页简单介绍：1.镀液pH值是最重要的反应控制条件；pH值过低还原剂还原能力不强,金属沉积速度慢；但过分提高pH值会加速还原剂的自然分解,副反应增多,产生金属的氢氧化物沉淀变浑浊，缩镀液使用寿命，也会减缓金属沉积速度。2.温度是影响镀速的重要工艺参数

28、。化学镀Cu的适宜温度为1535,过低反应变慢,过高会使镀液的稳定性下降。3.搅拌速度过小时，它易在溶液表面聚集成团，不易分散，影响单分子镀覆效果;搅拌速度过大，虽然可以使材料充分分散于溶液中，但同样会影响镍的沉积，而且还会加速镀液的自然分解，因此，搅拌速度一般控制在350一400r/min。4.装载量小生产效率低，过低的装载量还易导致镀液自分解。随着镀件装载量的升高，施镀面积增大，镀液负担加重，反应趋缓；添加量过大时，不但易造成单分子镀覆效果低，还会加速镀液的自然分解。因此，一般其添加量控制在质量1520g/L（或体积6.710dm2/L）范围内为宜。5.镀件粒度越细则其比表面积越大，导致镀液越不稳定，镀液分解温度越低，则施镀温度也就相应越低。第47页/共49页谢谢批阅谢谢批阅 教授五一快乐教授五一快乐第48页/共49页感谢观看！感谢观看！第49页/共49页