电镀基本原理

1 電鍍之定義 2.2 電鍍之目的 2.3 各種鍍金的方法 2.4 電鍍的基本知識 2.5 電鍍基礎 2.6 鍍有關之計算

第二章 電鍍基本原理與概念

2.1 電鍍之定義

電鍍(electroplating)被定義為一種電沈積過程(electrodepos- ition process)， 是利用電極(electrode)通過電流，使金屬附著於 物體表面上， 其目的是在改變物體表面之特性或尺寸。

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2.2 電鍍之目的

電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層(deposit)，改變基材表面性質或尺寸。例如賦予金屬光澤美觀、物品的防鏽、防止磨耗、提高 導電度、潤滑性、強度、耐熱性、耐候性、熱處理之防止滲碳、氮化 、尺寸錯誤或磨耗之另

件之修補。

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2.3 各種鍍金的方法

電鍍法(electroplating) 無電鍍法(electroless plating) 熔射噴鍍法(spray plating) 塑膠電鍍(plastic plating) 熱浸法(hot dip plating) 滲透鍍金(diffusion plating) 真空蒸著鍍金(vacuum plating) 複合電鍍 (composite plating 穿孔電鍍 (through-hole plating) 電鑄 (electroforming) 陰極濺鍍(cathode supptering) 合金電鍍 (alloy plating) 局部電鍍 (selective plating) 筆電鍍(pen plating) 浸漬電鍍(immersion plating)

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2.4 電鍍的基本知識

電鍍大部份在液體 (solution) 下進行，又絕大部份是由水溶 液 (aqueous solution)中電鍍，約有 30 種的金屬可由水溶液進 行電鍍, 由

水溶液電鍍的金屬有：銅Cu、鎳Ni、鉻Cr、鋅Zn、鎘Cd\、鉛Pb、金Au、銀Ag、鉑Pt、鈷Co、錳Mn、銻Sb、鉍Bi、汞Hg、鎵Ga、銦In、

鉈、As、Se、Te、Pd、Mn、Re、Rh、Os、Ir、Nb、W 等。

有些必須由非水溶液電鍍如鋰、鈉、鉀、鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鋁、La、Ti、Zr、Ge、Mo等。可油水溶液及非水溶液電鍍者有銅、

銀、鋅、鎘、銻、鉍、錳、鈷、鎳等金屬。

電鍍的基本知識包括下列幾項：

溶液性質 電化學 界面物理化學

物質反應 化學式 材料性質

2.4.1 溶液(solution)

被溶解之物質稱之為溶質(solute)，使溶質溶解之液體稱之溶 劑(solute)。溶劑為水之溶液稱之水溶液(aqueous solution)。

表示溶質溶解於溶液中之量為濃度(concentration)。 在一定量溶劑 中，溶質能溶解之最大量值稱之溶解度(solubility)。

達到溶解度 值之溶液稱之為飽和溶液(saturated solution)，反之為非飽和溶 液(unsaturated solution)。 溶液之濃度，在工廠及作業現場，

使用易了解及便利的重量百分率濃度(weight percentage)。 另外常用的莫耳濃度(molal concentration)。

2.4.2 物質反應(reaction of matter)

在電鍍處理過程中，有物理變化及化學變化，例如研磨、乾燥等為物理反應，電解過程有化學反應，我們必須充份了解在處裡過程

中各種物理及化學反應及其相互間關係與影響。

2.4.3 電鍍常用之化(chemical formular) 見附錄一。

2.4.4 電化學(electrochemistry)

電鍍是一種電沉積( electrodeposition )過程,利用電解體electrolysis)在電極(electrode)沉積金屬,它是屬於電化學之應用的一支。電化學 是研究 有關電能與化學能交互變化作用及轉換過程。

電解質(electrolyte)例子NaCl,也就是其溶液具有電解性質之溶液 (electrolyticsolution)它含有部份之離子(ions),經由此等離子之移動 (movement)

而能導電。帶陰電荷朝向陽極(anode)移動稱之為陰離子(anion),帶正電荷朝向陰極(cathode)移動(migrate)者稱之為陰離子 cations)。這些帶電荷之

粒子(particles)稱之為離子(ions)。放出電 子產生氧化反應之電極稱之為陽極(anode),得到電子產生還元化應 之電極稱之為陰極(cathode)。整個反

應過程稱之為電解(electrolysis)。

2.4.4.1 電極電位(electrode potentials)

電位(electrode potential)為在電解池(electrolytic)中之導電體,電流 經由它流入或流出。 電極電位(electrode potential)是電極與電解液之間的電動

勢差, 單獨電極電位不能測定需參考一些標準電極(standard electrode)。

例如氫標準電極(hydrogen standard electrode)以其為基準電位為0 電極電位之大小可由Nernst equation表示之:

o o o o o o o o o o o E=E+RT/nF ln aME=電極電位 0=0n+/aM -1-1E電極標準狀態電位(volt) R=氣體常數(8.3143 J.KMOL) T=絕對零度( K) n+= n=原子價之改變數(電子移轉之數) aM金屬離子之活度(activity),若極稀薄之溶液,其活度就等於金屬 離子 之濃度(concentration)C。 一般則活度為濃度乘上活度係數,即a = r *c。 金屬電極之活度,若為純金屬即為1 。 法拉第常數 2.4.4.2 標準電極電位(standard electrode potential)

標準電極電位(standard electrode potential)是指金屬電極之活度為 1(純金屬)及在 金屬離子活度為1時之電極電位。 即 E=E

0

0

E=E+RT/nF ln 1/1 =E+0= E

0

0

氫之標準電位在任何溫度下都定為0,做為其他電極之參考電極 (REFERENCEELECTRODE),以氫標準電極為基準0,各種金屬之標 準電位見表

排列在前頭之金屬如Li較易 失去電子,易被氧化,易 溶解,易腐蝕,稱之為濺金屬或 金屬(basic metal)。相反如Au金屬不易失去電子.不易氧化.不易溶解.

容易被還元稱之為貴金屬(noble metal)。

電極 電位 電極 Co ? +2 +2 +2 +2 +3電位 Co-0.277 Ni-0.250 Sn-0.136 Pb-0.126 Fe -0.04 H 0.000 +3+3+3+ Li -3.045 ++ Rb? K? Ba? Sr ? Ca ? Na ? Mg ? Al ? Mn ? Zn ? Cr ? Cr ? Fe ? Cd ? In ? Tl ? Rb -2.93 K+ -2.924 Ba+2 -2.90 Sr+2 -2.90 Ca+2 -2.87 Na+ -2.715 Mg+2 -2.37 +3Al -1.67 Mn+2 -1.18 Zn+2 -0.762 +3Cr-0.74 +2 Cr-0.56 Fe+2 -0.441 +3Cd -0.402 +3In -0.34 Tl+ -0.336 Ni ? Sn ? Pb ? Fe ? Pt/H2? Sb ? Bi ? As ? Cu ? Pt/OH-? Cu ? Hg ? Ag ? Pd ? Au ? Au ? 表2.4.4.2

Sb +0.15 Bi +0.20 As +3 +2 O2 +0.40 +Cu +0.52 Cu+0.34 +Ag +0.799 +2 Pd+0.987 +3Au +0.150 +Au +1.68 Hg2+0.789 +2

2.4.4.3 Nernst 電位學說

金屬含有該金屬離子之溶液相接觸,則在金屬與溶液界面,會產生 電荷移動現象,此 等電荷之移動,仍是由於金屬與溶液的界面有電位勢之差別稱之為電位差所引起,此現象 Nernst解說如下:

設驅使金屬失去電子變為陽離子溶入溶液中之電離溶解液解壓 (electrolatic solution pressure)為p而使溶液中的陽離子得到電子 還元成金屬滲透壓(osmotic pressure)為 p,則有三種情況發生:

(1) P>P時,金屬被氧化,失去電子,溶解成金屬離子於溶液中,因此

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