电化学与小孔电镀制程术语手册

作者:pokerking扑克王APP | 2020-09-13 21:19

  是利用木质锯末或椰子壳烧成粒度极细的木炭粉,因其拥有极大的表面积,而能具备高度的吸附性,可吸附多量的有机物,故称为活性炭。常用于气体脱臭,液体脱色,或对电镀槽液进行有机污染清除之特殊用途。商品有零散式细粉或密封式罐装炭粒等。

  是电流量的单位,即 1 安培电流经 1 小时所累积的电量,镀液中添加的有机助剂常用安培小时计当成消耗量监视的工具。

  当电镀进行时,常因阳极不纯而有少许不溶的细小杂质出现在镀液中,若令其散布的话,将被电场感应而游往阴极,造成镀层粗糙。故需加装阳极袋(Anode Bag)予以阻绝,以免影响镀层品质。又另在粗铜进行电解纯化时,其粗铜阳极所产生的阳极泥中,常有铂族贵金属,尚可提炼出各种珍贵的元素。

  是电镀制程中供应镀层金属的来源,并也当成通电用的正极。一般阳极分为可溶性阳极及不可溶的阳极。又此字之形容词为 Anodic,如 Anodic Cleaning 就是将工作物放置在电解液的阳极上,利用其溶蚀作用,及同时所产生的氧气泡进行有机摩擦性的清洗动作,谓之 Anodic Cleaning。

  指将金属体放在电解槽液中的阳极上进行表面处理,与一般电镀处理放置在阴极的电解处理恰好相反。此词又可说成 Anodise Treatment。例如铝材即可由阳极处理,而在表面上生成一层结晶状氧化铝的保护膜。

  在电路板工业中特指通孔本身的长度与直径二者之比值,也就是板厚对孔径之比值,以国内的制作水准而言,此纵横比在 4/1 以上者,即属高纵比的深孔,其钻孔及镀通孔制程都比较困难。

  镀镍制程常在槽液中加入两种有机光泽剂,第一种称 Primary Brightener或称Carrier Brightener,多为磺酸盐类,做为运送的功用。第二种为真正发光发亮的二级光泽剂(Secondary Brightener),以不饱和双键或三键类有机物居多。前者可进行运送分发的工作,使镀层能全面均匀的发亮。此种初级载体光泽剂,本身对镀层亦有整平的功用,且对镀面亦具有半光泽的效果,为电路板金手指镀镍所常采用。

  是电镀槽液中接受金属镀层生长的一极,而电路板在进行各种电镀湿式加工时,亦皆放置在阴极。

  由正负电荷离子所组成的电解质水溶液中,其带正电荷的简单离子,或聚集成群的大型游子团,均有泳向阴极的趋势,称为Cation。

  是指在电镀或类似的湿式电解处理中,在其阴阳极单位面积上所施加的电流强度 (安培)而言。假设阴极面积为 10 ft2 ,所加的电流为 300 A,则其阴极电流密度应为 30 A/ft2 (ASF)。电流密度是电镀操作的一项重要条件,通常若专指阳极时应注明为阳极电流密度,未特别指明时则多半指阴极电流密度。电流密度的公制单位是 A/dm2 (ASD),而 1 ASD=9.1 ASF。在各种电镀制程中,皆有其临界电流密度(Critical Current Density),是指能得到良好镀层组织的最大电流密度,凡超过此一数值者,将产生其它意外的反应,而导致镀层劣化无法使用。

  即电镀时,液中镀件阴极表面所形成极薄阴极膜(Cathode Film) 的另一种称呼。

  指具有极性的分子或化合物,其限定距离的两端各拥有电性互异的相同电量,谓之偶极,其间所呈现的力矩称为 Dipole Moment。

  是指电镀槽液中在最接近阴极表面处,因槽液受到阴极强力负电的感应而出现的一层带正电的离子层,其与阴极之间的薄层称为电双层。此层厚度约为10 A,是金属离子在阴极上沉积镀出的最后一道关卡。此时金属离子团会将游动中附挂各种配属体(Ligand,如水分子 CN-NH3 等)丢掉,将独自吸取电子而登陆阴极,镀出金属来。

  在含金属离子的电镀液中施加直流电,使在阴极上可镀出金属来。此词另有同义字Electroplating,或简称为Plating 。更正式的说法则是ElectrolyticPlating 。是一种经验多于学理的加工技术。

  使用低电流密度与长时间操作,进行极厚镀层的特殊电镀技术,谓之电铸。以镍电铸最常见,可用以制作唱片的复制压膜,立体成形的电胡刀网,与其它各种外形复杂的反形模具等。

  为Electromotive Force的缩写,是使电子在导体中产生流动的原动力,其近似的术语有电位差或电压等。

  是一种静电量的单位。按理论值每个单独电子所负荷电量为4.803*10-1个静电单位,其每个莫耳电子(Mole,6.023*102个)的总静电荷,应为96500库伦(安培.秒)。为纪念发现电解定律的的英国电化学家Michael Farady起见,特将此96500库伦的静电量命名为1个Farady。

  指在极短时间内以较高的电流密度,使被镀物表面得到极薄的镀层称为闪镀,通常多指很薄的镀金层而言。例如,ASTM B488即规定,凡在10微吋(?in)或0.25微米以下的镀金层即称为闪镀。

  系 Haring 及 Blum 二人在 1923 年所发明的,是一种对电镀溶液分布力(Throwing Power)的好坏,所进行测试的简易小型试验槽。在其长方型槽中的两端各放置被镀的阴极两片,在两阴极片间所含溶液中放置一片阳极,此阳极与两端阴极的各目距离并不相等,致使其间的电阻也不相同。进而使得一次电流分布(Primary Current Distribution)的大小也不一样。但若能在镀液中另外加入有机物整平剂(Leveller),则可使其电流分布得以改善(即二次电流分布),让两阴极板上所镀得的重量更为接近,也就是已使其分布力获得提升,而让电路板面各处的镀厚更为均匀。用以监视这种镀液分布力好坏的仪器即为海因槽(详见电路板信息志杂第 31期55 页)。

  是一种对电镀溶液既简单又实用的试验槽,系为 R.O.Hull 先生在 1939 年所发明的。有 267 CC、534 CC 及 1000 CC 三种型式,但以 267 最为常用。可用以式验各种镀液,在各种电流密度下所呈现的镀层情形,以找出实际操作最佳的电流密度,属于一种经验性的试验。通常的做法是将表面故意皱折的阳极,放在图中的第 2 边(故意皱折是使其表面积与面对的阴极片相等),将阴极放在第 4 边,至于所用之电流密度及时间则随各种镀液而不定,须不断试做以找出标准条件。镀后可将阴极片的下缘,对准哈氏标尺上某一所用电流密度处,即可看出阴极片上最佳区域所对应的实际电流密度。哈氏槽还有另一用途,是将阳极放在第 1 边而将阴极放在第3 边,亦可看出阴极片上最左侧低电流区的镀层情形。

  由于电镀时会有 H+被还原成H2,而在阴极表面出现,以硫酸锌溶液之镀锌为例,前述电动次序表中所列之数据,锌离子之沉积电压Zn===Zn卄为 -0.762 V,而氢离子的沉积电压为2H+====H2 为 0.0000V,由此二式可知锌比氢活泼,或氢比锌安定。故当还原反应发生时,氢离子应比锌离子有更多的机会被还原出而镀在阴极上。换言之,在某一电压下进行镀锌时,将会有多量的氢气产生,而不易有锌出现才对。然而这种理论却与实际所观察到的事实却恰好相反,此即表示,若欲将氢离子还原成为氢气时,势必还需比 0.0000 V 更高的电压才行。此种对氢离子在实际上比理论上所高出的沉积电压即为Hydrogen Overvoltage。若就提高电镀效率及减少氢脆的立场而言,当然是希匡金属的沉积愈多愈好,氢气还原的愈少愈好。因而,当氢超电压愈高时,对电镀愈有利。氢超电压是镀液的一种特性,也是镀液与被镀金属底材间所配合的一种关系。如于酸性镍镀液中,欲在白金、铸铁,或锌压铸对象上镀出光泽镍时就很困难。因其等所呈现的氢超电压太低,故在阴极上会产生大量的氢气,而不易镀上镍层。因而必须先用氢超电压较高的碱性氰化铜去打底(Strike),有了铜层之后,在酸性镀钻溶液中的氢超电压,其情况会完全改观,也才能继续镀镍。

  一般镀液中的金属离子多以错离子(Complex Ion)形态存在,其中心部份为金属离子,外围常附着有CN-、NH3、H2O、OH-、NO+,或有机物等各种荷有正电、负电,或中性附属体,以形成较安定的配位(Coordinated)离子团。电镀进行中,此种荷电的 离子团会游 近阴极,在其到达阴极膜中后一道关卡的电双层(Electrical Double Layer)时,即甩掉外围的附属体,而只让带正电的单独金属离子穿过,并自阴极表面获得电子而沉积到阴极镀件上,以完成电镀周期而组成镀层。通常金属盐类水解成离子时,外围都会有附属体(Ligand)存在,至少也有水分子的配位,皆可称为 Ligand。〔编注︰上述之错是指错综复杂的错,而非对错的错。此术语早年是直接引自日文,当初之前辈若能将其译为复离子或杂离子,甚至于综离子都应比错离子 好,而不必一错至今难以更正。如此则所有的学生都能望文生义,何须再丈二金刚的茫然瞎背,甚至还存疑对离子为何。由此可知名词术语其慎始之重要。表面黏着岂非另一恶例﹖〕

  就电镀制程的阴极而言,是指当能够得到结构组织良好的镀层时,其可用电流密度的上限值称为极限电流密度。一旦超过其极限值时, 不但产生多量氢气且其镀层也会出现烧焦(Buring)甚至粉化的情形。另就阳极而言, 则指良好溶蚀电流密度的上限,若电流再高时也会出现多量氧气,并将伴随发生极化及钝化等现象, 反不利金属之溶解。

  指电镀进行中处在阴极上的柀镀物,其整个表面上金属沉积的分布情形。此术语一般皆径行简称为Throwing Power 分布力。相对于此词者是 Micro-Throwing Power 微分布力;是指镀件表面局部凹陷处,可先被镀层填平的能力,也就是一段所称的整平力 Leveling Power。如电路板面中央与板边板角的厚度比较,或孔壁中镀铜厚度的分布情形即为巨分布力;而孔壁上凹陷的填平能力即为微分布力。

  此词常出现在电镀学术中。镀液中的阳离子或阳向游子团柱电镀中往阴极移动,以便接受阴极上供应的电子,而登陆(Deposit 沉积)成为金属原子,完成电镀的动作。上述之阳离子的移动,即为一种 Mass Transport。若再进一步了解,则此种质传之进展,尚可细分为迁移(Migration)、对流(Convection),及扩散(Diffusion)等三种原动力,现分述于下︰●迁移——事实上应称此词为 Ionic Migration 才更正确,那是指镀液中的阳向游子,受到在阳极方面的同电相斥,及阴极异电相吸的力量下,往阴极移动的现象即称为离子性迁移。此种迁移力量的大小,与所施加的电压及电流成正比。由于被先天的极限电流所限,当电流太大时,则阴极上会产生多量的氢气,镀层结晶也出现粗糙的烧焦现象造成电镀失败。因而无法在既有条件下将无法尽情的加大电流。事实上对整体金属沉积而言,此一迁移部份的页献并不很大。●对流——是指镀液受外力的驱使而在极板附近流动,使阴极附近之金属离子浓度较低处,与阳极附近浓度较高处,在槽液流动中得以相互调和。所谓外力是指过滤循环、吹气、液中喷液等强制性驱动,以及对槽液加温,使上下比重不同而形成垂直对流。对流的总和才是质传的主要支持者。电路板在高纵横比的深孔中,因不易对流,故常造成孔壁中间部份镀层的厚度分布不足,这是很难解决的问题。●扩散——是在阴极镀面附近,从其金属离子浓度降低 1% 处计算起,一直降低到达阴极表面为止,此一薄层的液膜称为阴极膜(Cathode Film),或称为扩散层(Diffusion Loyer)。从微观上看来,各种搅拌对此扩散层中离子的补给均已无能为力,只有仅靠扩散与迁移的力量迫使金属离子完成最后的登陆。所谓扩散就是指高浓度往低浓度自然移动的情形。例如一滴蓝墨水滴在清水中,其之逐渐散开即为扩散的一例。

  是指从镀液所镀出的镀层,在微观下是否有能力将底金属表面粗糙予以填补整平的能力。此种镀液本身对被镀面细部的整平能力,称之为微分布力或整平力(Levelling Power)。由图中可知此种整平力,又可再分成(a)负整平,(b)零整平,及(c)正整平等三种。而此种微分力的好坏,端赖镀液中有机添加剂的能耐如何,属于一种长期小心研究而得的专密化学品。

  在电镀作业中,习惯将被镀件置于阴极之负电流状态下,一向视之为正常。若将电源供应的方向定时加以改变,亦即将被镀件瞬间改成正电流,而暂处于阳极的溶蚀状态,与传统习惯相反,故将此种被镀件在不镀反蚀的情况,称之为反电流。某些电解制程之操作,如碱性槽液脱脂即可采用周期性反电流法,在氢气及氧气交互发泡下,对镀件表面的污垢产生磨擦揭除的作用,称为PR电流法。PR法除大多用于电解清洗外,亦可用于各种镀铜及镀银上。至于其反电流时间的长短,则可由实验设定之。其作用是将高电流区的突出镀点予以少许的反蚀,以达整平及拋光的效果。

  这要先从电极电位(Electrode Potantial)说起,假设将两铜棒插入常温静止的硫酸铜镀液中,在不加外电压下,两棒均可能会发生溶入镀液的情形:Cu ——————-Cu2++2e- ——————-(1)但同时也可能皆有铜离子登陆或积在该二铜棒上:Cu2++2e——————- Cu ————————-(2)上述两反应中,当(1)式比(2)式要快,或者说成溶解得较多而沉积较少时,则铜棒将呈现略负,而镀液将呈现略正的电位(以氢电极之电位之0)。当到达(溶解与沉积)之平衡时,两者之间微小的电位差异谓之电极电位。在此种铜棒与镀液系统中,若将铜棒接通直流的外电源时,则会打破原来的各自平衡,而两铜棒将出现一负一正的阴阳两极。此种外加电压即称为过电压或超电压。当然此种外加电压还至少要能克服各种障碍(如镀液的内电阻,反应起始的活化能等),才能产生电镀的动作。其实广义上Overpotntial、Overvoltage与 Polarization (极化)三者是相同的,只是为了避免混淆而较少相提并论罢了。

  在电路板工业中,此字可指不使用电流的无电镀(Electroless)制程;如无电铜、无电镍、无电锡铅等自我催化还原式的化学沉积法。也更常指特定槽液使用电流的电解电镀(Electrolytic plating或Electrolytic deposition)。一般单独使用此字Plating但却未进一步指明时,则多指后者之电镀。

  指电路中决定电流方向的极性,电流的定义是由正极流到负极,此二种极性即为其Polarity。

  在执行电工作业时,需将插头插入电源插座中,以达到电流的连通及作功。为了防止其极性插反插错,而造成电机或机械上的损失,特将插头与插座之两极做成不对称的形式,使其只能有一种方式可以插接以防错误,称之为分极(Polarization)又在电解或电镀槽中,其阴阳两极若自外电路将之相连,则将呈现平衡状态而无电流也无作用产生。若故意施加一外电压,强迫使阳极溶进槽液中,且促使槽液中的金属离子镀在阴极上,这种打破平衡,并使得该系统被强迫划分成为阴阳两极,其之外加电位(External Polential)称为极化,亦称为过电位Overpotential或过电压 Overvoltage。而若欲使电流能顺利在系统中流通,则必须要克服其起始能量的障碍,故应具备活化极化 (Activation Polarization)。另外须克服阴极附近扩散层中,因浓度稀薄而出现电流障碍的浓度极化(Concentration Polarization),以及槽液本身电阻之电阻极化(Resistance Polarization)等。此三者之总和,即为维持稳定电流而起码应具备的总极化或外加电位。

  孔壁所镀上之化学铜层与两次电镀铜层,在制作的当时甚至在电路板完工时,皆表现出良好附着力(Adhesive Force)。但经过一段时间的老化,或在下游组装焊接后,有时竟会发生孔铜壁与内层孔环之间的分离行为,特称为Post Separation。

  电镀进行时,其电压电流是刻意采用瞬间忽大忽小变化,或其至变成反电流,如同脉搏在跳动一样。通常在正统电镀进行时系使用固定的直流电,在阴极表面会有一层浓度较稀的扩散层(Diffusion Layer)存在,对镀层的生长速率及品质都有妨碍。若改采脉冲式电流时,则可减少扩散层的影响,而能改变镀层的结构,不过这种变化电流的电镀法,经数十年来的研究及试做,目前仍在实验阶段,效果不易掌握,仍难以进行商业化量产。

  是指整流器所输出之电流,当其电压非常平稳已近似直流电,在其电压表示之直线图中,仍杂有少部份波动曲线的不稳定成份,此乃由于输入于整流器的交流电中,已有各种谐波(Harmorics)存在之故。其解决之道可在整流器中加装各种控制器,以减少所输出直流中的纹波成份。而提升电镀的品质。通常良好的整流器,应将其纹波控制在1% 以下。

  是指在某一电化学反应(如电镀)进行过程中,其反应平衡电压与槽液电压(Bath Voltage)之间的比值,以百分比表示谓之电压效率。C.D. Current Density ; 电流密度(是电镀或阳极处理的基本操作条件)


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