电化学与小孔电镀制程

电化学与小孔电镀制程

1、Active Carbon　活性炭
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。

2、Addition Agent 添加剂
改进产品性质的制程添加物，如电镀所需之光泽剂或整平剂等即是。

3、Amp﹣Hour 安培小时
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。

4、Anion 阳向游子（阴离子）
在镀液（或其它电解液）中朝向阳极游动的带负电的离子团或游子团。

5、Anode Sludge 阳极泥
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。

6、Anode 阳极
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。

7、Anodizing 阳极化
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。

8、Aspect Ratio 纵横比
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。

9、Carrier载体
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。

10、Cathode 阴极
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。

11、Cation阴向游子，阳离子
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。

12、Current Density 电流密度
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。

13、Diffusion Layer 扩散层
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。

14、Dipole 偶极，双极
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。

15、Double Layer电双层
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。

16、Electrodeposition电镀
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。

17、Electroforming电铸
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。

18、EMF 电动势
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。

19、Farady 法拉第
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。

20、Flash Plating 闪镀
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"。

21、Galvanic Series 贾凡尼次序
亦即电化学教科书中所说的金属"电动次序"(Electromotive Series)。是将各种金属及合金，在既定环境中，按其活泼的程度所排列的顺序。即以解离电压为排列的准则，"负值"表示反应是自然发生的，其数值表示已高出自然平衡状态若千伏特。"正值"则表示反应是不自然发生的，若硬欲其进行时，须从外界另施加电压若千伏特才行。The Electromotive Force Series Electrode Potential,VLi Li＋ －3.045Rb Rb＋ －2.93K K＋ －2.924Ba Ba＋＋ －2.90Sr Sr＋＋ －2.90C Ca＋＋ －2.87Na Na＋ －2.715Mg Mg＋＋ －2.37Al Al３＋ －1.67Mn Mn＋＋ －1.18Zn Zn＋＋ －0.762Cr Cr３＋ －0.74Cr Cr＋＋ －0.56Fe Fe＋＋ －0.441Cd Cd＋＋ －0.402In In３＋ －0.34Tl Tl＋ －0.336Co Co＋＋　 －0.227Ni Ni＋＋　 －0.250Sn Sn＋＋　 －0.136Pb Pb＋＋　 －0.126Fe Fe３＋　 －0.04Pt/H２ H＋　　 　0.000Sb Sb３＋　 ＋0.15Bi Bi３＋　 ＋0.2As As３＋　 ＋0.3Cu Cu＋＋ 　 ＋0.34Pt/HO- O2　 　 ＋0.40Cu Cu＋ 　　＋0.52Hg Hg2＋＋ ＋0.789Ag Ag＋ 　 ＋0.799Pd Pd＋＋　 ＋0.987Au Au３＋　 ＋1.50Au Au＋　 ＋1.68 由附表中可看以出由锂到金，按其活性所排列的次序，其在上位者可胍下位金属予以"还原"，使其从离子状态中取代出来，并使之还原成金属。例如将锌粒投入硫酸铜溶液中，即发生锌被溶解掉，而铜被沉积出来的反应，若以简式说明，即为：Zn＋Cu2+ Zn2+＋Cu↓，其电位变化为 -0.726－(+0.34)= -0.422，表示此反应能自然发生。贾凡尼(Galvani)是 18世纪的意大利解剖学家，由于曾用铜及铁的钩子钩住动物肉体(电解质)，而发现产生电流的情形，因此开启了"电化学"的另一片领域。后人特将有关金属"电化学含意"的许多名词都，冠以他的名字以示纪念，如 Galvanic Effect、Galvanic Cell、Galvanic Corrosion 等。

22、Haring-Blum Cell 海因槽
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)。

23、Hull Cell 哈氏槽
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。

24、Hydrogen Overvoltage 氢超电压，氢过电压
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。

25、Ligand 错离子附属体
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﹖〕

26、Limiting Current Density 极限电流密度
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。

27、Macro-Throwing Power 巨观分布力
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"。

28、Mass Transport 质量输送
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。

29、Microthrowing Power 微分布力
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。

30、Periodic Reverse (PR)Current周期性反电流
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。

31、Overpotantial (Overvoltage)过电位，过电压
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。

32、Plating镀
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"。

33、Polarity电极性
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。

34、Polarization分极，极化
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"。

35、Post Separation后期分离，事后分离
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。

36、Pulse Plating脉冲电镀法
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。

37、Ripple纹波
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。

38、Small Hole小孔
以目前的技术水准而言，孔径在15 mil以下者应可称为"小孔"。

39、Voltage Efficiency电压效率
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)