镀液性能分析

第二十三章　镀液性能分析

电镀液的性能，主要包括:镀液的pH值;镀液的均镀能力;镀液的整平能力;镀液的深镀能力;镀液的电流效率。

一、pH值的测定

1．pH试纸测定法

先将待测镀液搅拌均匀，取一条试纸，将镀液滴到试纸上，0.5s后，与标准色板比较，即可得知pH值。

pH试纸分为广泛试纸和精密试纸两种。测定时，最好先用广泛试纸确定pH值范围，再用精密试纸测量。

2．酸度计测量法

用酸度计测量pH值比试纸法准确，但必须按相应的仪器说明书进行测定。

二、镀液均镀能力的测定

均镀能力也叫分散能力，用来评定电镀溶液使被镀件镀层厚度均匀分布的能力。电镀液的分散能力越好，在阴极上不同部位所沉积出的金属镀层厚度就越均匀。反之，则镀层厚度相差越大。

1．远近阴极法

远近阴极法最常用的试验装置如图23－1所示。

试验槽内部尺寸为150mm×50mm×70mm，阴极尺寸为50mm×50mm×1mm，采用纯铜板或黄铜板，侧面及背面涂丙烯酸绝缘的清漆;阳极采用网状或带孔的板，尺寸为150mm×50mm×5mm。测定时，首先在一定条件下电镀至规定时间后，精确称出远、近阴极的增重m₁和m₂，然后按表23－1中所列公式计算试验结果。应该注意，由于使用的计算公式不同，结果也不一样，应在报告中注明所使用的计算公式。

图23－1　远近阴极法试验装置示意图

表23－1　计算均镀能力公式

注:T为均镀能力;K为远近阴极与阳极间距离之比;m₂为远阴极增重(g); m₁为近阴极增重(g)。

试验时选择的K值、电流密度、温度等应与实际使用的条件相近。

2．弯曲阴极法

弯曲阴极法试验装置如图23－2所示。槽内尺寸为160mm×180mm×120mm，阳极材料尺寸为150mm×50mm×5mm，阴极采用纯铜板或软钢板，尺寸为0.2mm×0.5mm。

选择与电镀液性能相适应的工艺参数，一般电流密度为0.5～1A/dm²，时间为20min。当电流密度为2A/dm²时，时间为15min;当电流密度为3～5A/dm²时，时间为10min。

按下式计算均镀能力

δ_A、δ_B、δ_D和δ_E为A、B、D、E四个部位镀层的厚度。

图23－2　弯曲阴极法试验装置示意图

3．霍尔槽试验法

霍尔槽试验法应选择与电镀液相适应的工艺参数，一般电流密度为0.5～3A/dm²，时间为10～15min，所得试片按图23－3划成8个部分，测出每个部分中间镀层的厚度δ_i。

图23－3　霍尔槽测量均镀能力示意图

电镀溶液的均镀能力计算如下:

式中T为均镀能力(%);δ_i为2～8格镀层厚度;δ₁为第1格镀层的厚度。

其中第1格为近阴极端，均镀能力值为0～100%。

三、镀液整平能力的测定

整平能力又称微观分散能力，是指在一定的条件下，电镀溶液在微观粗糙表面上均匀地沉积出金属的能力。

1．假正弦波法

较常用的测定微观分散能力的方法叫假正弦波法，此法能够较直观地观察电镀溶液的微观分散能力，其原理是用人工方法制造有规则的微观表面的“峰”和“谷”。测定时，可采用φ0.15mm的铜丝，沿φ5mm的铜棒紧密绕成螺旋形，形成假正弦波作为阴极。从截面看，成为有规则的波峰和波谷。电镀后，通过金相显微镜来测定波形断面振幅的变化，以判断镀液的整平能力。如图23－4所示。

图23－4　假正弦波曲线示意图

2．粗糙度仪法

镀前用金相显微镜测定试样表面的微观高度差，电镀后再测定同一部位的微观高度差。由下式计算整平能力:

若使用自动记录的粗糙度仪，可用镀前和镀后的表面起伏曲线，直观地观察出镀液的整平能力。

四、镀液深度能力的测定

深度能力也叫覆盖能力，是指在电镀溶液的特定条件下，在工件的凹处或深孔中沉积出金属镀层的能力。

1．直角阴极法

直角阴极法适用于覆盖能力较低的电镀液，测试装置如图23－5所示。所用的阴极为75mm×25mm的铜片，在距一端25mm处将试片弯成90°，试片背面绝缘，阴极浸入液面下25mm，直角向着阳极，阴极前端与阳极的距离不小于50mm，并且在实验中保持不变。电流密度为1～3A/dm²，电镀30min，将阴极取出，洗净，干燥，拉平，并用刻有方格的矩形板量度被镀层覆盖的面积，以百分数表示电解液的覆盖能力。

图23－5　直角阴极法测镀液深度能力

2．内孔法

内孔法的装置如图23－6所示，采用一定内径的圆管作为阴极，其规格为φ10mm×50mm或φ10mm×100mm，一般用低碳钢管、铜管或黄铜管。试验时，将阴极水平放入槽中，其两端垂直于阳极，端口距阳极50mm。一般电镀10～50min后取出。将圆管按纵向切开，观察内孔中镀层的长度，即可评定镀液深度能力，通常用镀入深度和孔径之比来表示。

图23－6　内孔法实验装置图

3．凹穴法

凹穴法是采用带有10个凹穴的阴极，凹穴深度由1.25mm递增至12.5mm，每一凹穴的直径均为12.5mm。这样一来，第一个凹穴的深度为其直径的10%，最后一个为其直径的100%，如图23－7所示。电镀后，以凹穴内表面镀上金属的情况来评定覆盖能力的好坏。例如，第六个凹穴内表面全部镀上了金属，而第七个凹穴只部分地镀上金属，则电解液的覆盖能力可评为60%。

图23－7　凹穴法测镀液深度能力

五、镀液电流效率的测定

电流效率，是指在电镀时，实际析出(或溶解)物质的重量与理论计算值之比。一般采用铜库仑计法进行测量。试验装置如图23－8所示。库仑计阳极为两片纯铜片，阴极为铜或钢片。其溶液成分如下:

硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)　　　125g/L

硫酸(H₂SO₄，ρ=1.84)　　　25mL/L

乙醇(C₂H₅OH)　　　　　　　50mL/L

温度(℃)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　18～25

电流密度(A/dm²)　　　　　　　　　　　　0.2～2

时间(min)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　10～30

图23－8　库仑计法试验装置示意图

试片A和B在试验前后都必须洗净、烘干，并在天平上准确称重，按下式计算阴极电流效率:

式中η_c为待测溶液电流效率;m_A为试片A实际增重(g); m_B为试片B实际增重(g);k为待测溶液中阴极析出物质的电化当量［g/(A·h)］;1.186为铜的电化当量［g/(A·h)］。

六、霍尔槽试验

1．霍尔槽的结构

霍尔槽一般用耐酸碱的透明塑料或有机玻璃制作，根据槽内液面的高度，可选择溶液体积。一般采用液面高48mm，体积267mL的霍尔槽。霍尔槽结构如图23－9所示。

2．霍尔槽试验的主要作用

(1)确定获得合格外观镀层的电流密度的近似范围及其他工艺条件。

图23－9　霍尔槽结构

(2)研究电镀液主要组分和添加剂的影响，从而选择镀液组分的最佳范围。

(3)分析电镀液产生问题的原因。

(4)测定电解液的均镀能力、整平能力及镀层内应力。

3．霍尔槽阴极上电流的分布及外观表示方法

霍尔槽阴极上电流密度的分布，符合以下数学表达式所表示的对数关系:

i_k=I(C₁－C₂lgl)

式中i_k为阴极上某点的电流密度，A/dm²;I为通过霍尔槽的实验电流，A;l为阴极上某点到阴极近端的距离，cm;C₁，C₂为与霍尔槽结构有关的常数。

不同类型霍尔槽阴极上电流密度分布的经验公式，即DINS0957计算公式:

267mL槽　　i_k=I(5.1019－5.2041lgl)

1000mL槽　 i_k=I(3.2557－3.0451lgl)

试验发现，在同一距离阴极的不同高度处，镀层的外观并不一样。根据经验，可选取阴极试片中线偏上的部位作为实验结果，如图23－10所示。

为了便于将试验结果以图示形式记录下来，可用图23－11的符号表示镀层的状况。如果这些符号还不足以说明问题，也可配合文字说明。

图23－10　阴极试验结果的部位选择

图23－11　霍尔槽试片的符号