淺談硫酸鹽光亮鍍銅中的毛刺和粗糙

王士磊

（青島安普泰科電子有限公司，山東 青島266108）

0 前言

硫酸鹽光亮鍍銅工藝具有鍍液成分簡單且容易控制、鍍液的整平性及分散能力好、電流密度范圍寬、鍍層光亮度高及廢水處理簡單等優點，被廣泛應用于防護裝飾性五金電鍍、塑料電鍍、電鑄、制版以及印制線路板（PCB）和圖形電鍍中。雖然硫酸鹽光亮鍍銅工藝已經非常成熟，但在實際電鍍生產中經常出現各種故障，其中鍍層毛刺和粗糙較為多見。筆者根據電鍍生產實踐中的經驗，并參閱了一些資料，詳細介紹了酸銅鍍層產生毛刺的原因以及排除方法和預防措施。

1 毛刺產生的原因及預防措施

1.1 毛坯或者前處理的影響

1.1.1 毛坯的影響

酸銅鍍層上的毛刺，有時在鍍前的毛坯上就有了。由于底材毛坯色澤較暗，再加之毛刺較小，所以當時看不出來。經過電鍍光亮的酸銅層后，由于鍍層比較光亮，較小的毛刺就比較明顯了。

1.1.2 除油或者酸洗的影響

除油或者酸洗溶液由于使用時間過長，在其表面會懸浮一層小油滴（或者油污）。當工件從除油液或者酸洗液中取出時，溶液表面懸浮的油污黏附在工件表面，導致后續的酸銅鍍層產生毛刺或者粗糙。

1.1.3 活化溶液被銅離子污染

活化的主要目的是清除工件表面的氧化膜或者輕微的銹跡，使基體金屬完全裸露出來。當活化溶液被銅離子污染后，鐵基體的工件進入活化溶液就會和溶液中的銅離子發生置換反應，從而導致后續的酸銅鍍層產生毛刺或者粗糙。

1.2 預鍍層的影響

1.2.1 預鍍層太薄

預鍍層太薄，基體的鐵材質會通過預鍍層的孔隙置換溶液中的銅，形成點狀疏松的置換層。在其上電鍍酸銅后就會形成毛刺、粗糙或者氣泡的外觀。在實際電鍍生產中必須保證預鍍層的厚度，一般預鍍銅的時間大于3min，預鍍鎳的時間大于7min。

1.2.2 預鍍層粗糙

預鍍層粗糙，電鍍酸性光亮銅后，鍍層粗糙更加明顯，嚴重的粗糙尖端放電會出現毛刺現象。

1.2.3 預鍍鎳層的工件未及時通電

預鍍鎳層的工件進入酸銅溶液后未及時通電，會置換酸銅溶液中的銅，形成疏松、粗糙的置換層，導致酸銅鍍層產生毛刺或者粗糙。

1.3 磷銅陽極的影響

1.3.1 銅陽極中磷的質量分數

硫酸鹽光亮鍍銅使用含磷的銅陽極。在銅陽極中摻入少量的磷，經過一定時間的電解處理后，銅陽極表面生成一層黑色的“磷膜”，其主要成分為磷化銅（Cu3P）。這層黑色磷化膜具有金屬導電性，它能加快Cu＋的氧化，減少Cu＋的積累，大大減少了Cu＋進入溶液的機會。一般銅陽極中磷的質量分數為0.030%～0.075%是比較合理的。

1.3.2 露在酸銅溶液外的磷銅陽極的影響

露在酸銅溶液外的磷銅陽極沒有黑色磷化膜的保護，當鈦籃內的磷銅陽極逐漸消耗時，沒有黑色磷化膜保護的磷銅陽極落入酸銅溶液中，很快產生Cu＋，形成銅粉，造成鍍層毛刺、粗糙。

1.3.3 陽極面積的影響

陽極面積過小，會使陽極電流密度過大，造成陽極鈍化加劇，產生過多的Cu＋。由于Cu＋的水解，進而產生過多的銅粉，導致鍍層產生毛刺、粗糙。在電鍍生產過程中陽極不斷地溶解變小，必須經常加入磷銅球粒，以保持足夠的陽極面積。一般應保證陽極與陰極的面積比為2.0～2.5。

1.3.4 陽極導電性的影響

鈦籃陽極掛鉤與陽極杠必須接觸良好，以保證銅陽極能夠正常溶解。如果部分陽極鈦籃導電不良，就會大大提高其他銅陽極的溶解電流，也就相當于減小了有效的銅陽極面積，這樣對銅陽極的溶解極為不利，而且加大了銅粉產生的可能，導致鍍層出現粗糙、毛刺。

1.3.5 陽極袋的影響

在銅陽極溶解過程中會產生細小的陽極泥和銅微粒，使用陽極袋可保證這些細小的微粒不被鍍覆到工件上。陽極袋破損或者開線時應及時更換。在生產中要經常清洗陽極板，清除陽極袋中的陽極泥。陽極袋在使用前用質量分數為5%～10%的硫酸浸泡，并用純水清洗干凈。

1.3.6 磷銅陽極的自溶

當酸銅槽長時間停產時，應將磷銅陽極從溶液中取出，否則磷銅陽極在酸銅溶液中會發生自溶，使溶液中硫酸銅的質量濃度升高。

1.4 硫酸的影響

當H2SO4的質量濃度過高時，因陰極電流效率下降，析氫較多，若攪拌不充分，鍍層會出現麻點。當Cu＋出現并進入溶液時，若溶液中有足夠的H2SO4及空氣，就可以將Cu＋氧化成Cu2＋。但當溶液中的H2SO4不足時，Cu＋會水解成Cu2O，并以電泳的方式沉積在鍍層表面，產生毛刺、粗糙；又由于不穩定，還可以發生歧化反應，生成的Cu也會以電泳的方式沉積于鍍層中，使鍍層產生毛刺、粗糙。

在電鍍生產過程中H2SO4的質量濃度可以用赫爾槽進行分析：250mL赫爾槽2A攪拌鍍時，電壓應在2.8～3.0V之間；電壓高于3.2V，則說明鍍液中H2SO4的質量濃度偏低，可以根據赫爾槽實驗補充一定量的H2SO4；電壓低于2.5V，則說明H2SO4的質量濃度偏高。

1.5 硫酸銅的影響

硫酸銅的質量濃度偏高，硫酸的質量濃度也相應地偏高，在這樣的溶液中硫酸銅容易結晶析出。這樣陽極表面和陽極袋（或者鈦籃）上就會有一層硫酸銅析出，造成有效陽極面積減小、槽電壓升高、陽極趨于鈍化，會導致鍍層毛刺、粗糙。

在電鍍生產過程中也可以根據赫爾槽試片判斷硫酸銅質量濃度的高低：250mL赫爾槽1A靜鍍3～5min，在光亮劑的質量濃度正常時，試片高端燒焦（呈海綿狀）的寬度應在1cm左右，若小于5mm，則說明硫酸銅的質量濃度過高，可以稀釋一下鍍液。

1.6 添加劑的影響

添加劑要以少加勤加的原則添加，添加量以消耗量和赫爾槽試驗為標準。在硫酸鹽光亮鍍銅中光亮劑比例失調也會造成鍍層毛刺、粗糙。鍍液中低位光亮劑過多，可導致鍍件高電流尖端處出現毛刺，這時可適量加入高位光亮劑加以調整。

1.7 氯離子的影響

氯離子是酸銅溶液中不可缺少的一種成分。它對降低溶液電阻、保持陽極正常溶解、抑制Cu＋的增多及穩定光亮劑等均起到了重要的作用。鍍件高電流密度區的尖端處及邊緣處出現毛刺及均勻排列的點狀物，一般都是由于缺少氯離子所致。當酸銅溶液中氯離子的質量濃度低于10mg／L時，這種不良現象較為明顯。酸銅溶液中氯離子的質量濃度過高時，也會出現毛刺現象，氯離子會與Cu＋作用形成氯化亞銅沉淀，沉積于鍍層表面形成毛刺。氯離子的質量濃度應保持在30～80mg／L范圍內。

1.8 雙氧水的影響

為了氧化酸銅溶液中的Cu＋，需要添加雙氧水使Cu＋氧化成Cu2＋。添加雙氧水氧化Cu＋的同時，會消耗一定量的硫酸。當硫酸的質量濃度降低到一定程度時，補加雙氧水將起不到應有的作用。氧化1g Cu＋需要8.1g質量分數為30%的雙氧水，并消耗1.55g硫酸。

1.9 溫度的影響

溫度對酸銅鍍層的整平性影響較大。溫度過低，光亮劑在陰極表面的吸附狀態不理想，陰極極化不強，鍍層的整平性差；溫度過高，使陰極極化降低，不利于光亮劑在陰極表面吸附，光亮劑會分解而且使溶液中的Cu＋增多，造成鍍層毛刺、粗糙、光亮范圍變窄。在實際生產中，酸銅溶液需要配備冷凍設備，允許的溫度范圍控制在16～35℃較為合理。

1.10 陽極電流密度的影響

當陽極電流密度過大時，陽極鈍化加劇，發生可逆的歧化反應，產生較多的Cu＋，Cu＋水解生成較多的銅粉。

1.11 管狀工件內壁置換銅的影響

管狀工件在預鍍銅或者預鍍鎳后，其內壁未被鍍上預鍍層。因此，在酸銅溶液中管狀工件的內壁會形成置換銅層。置換銅層在陰極移動、空氣攪拌及出槽振動時掉入酸銅溶液中，在電鍍過程中以電泳的形式被鍍覆在工件表面，形成粗糙或毛刺。

可以在CuSO2和H2SO4中添加一種添加劑，這種添加劑具有阻礙置換反應、細化置換銅層和潤濕等功能。在此溶液中浸過的鐵管，其內外表面有一層淡粉紅色的薄銅層。這層銅層與鐵基體結合良好，而且電鍍酸銅后細致、光亮，無起皮現象。

1.12 外界固體懸浮微粒帶入的影響

外界的固體懸浮微粒進入酸銅溶液后就會沉積到鍍層表面形成毛刺、粗糙。主要通過掛鉤上的疏松鍍層掉入、硫酸銅加入時帶入不溶性微粒、掛具或者極杠上的銅銹掉入、壓縮空氣中的塵埃等方式進入鍍液。

1.13 攪拌和過濾的影響

攪拌可以消除濃差極化，從而提高電流密度。攪拌可以采用空氣攪拌或者陰極移動。陰極移動的方向要與陽極表面成一定的角度，這樣有利于孔內溶液流動，孔內氣泡也能及時被趕走。一般移動次數為15～20次／min，移動幅度為25～50mm。采用空氣攪拌可以給鍍液帶來中度到強烈的攪拌，同時提供一定的氧氣，加速鍍液中多余的Cu＋氧化成Cu2＋。所以建議采用空氣攪拌。

由于攪拌對鍍液的翻動較大，所以對鍍液的清潔程度提出了更高的要求。為了保證鍍層質量，應配備連續過濾裝置，不論采用聚丙烯（PP）濾芯，還是采用其他過濾介質，其過濾精度應為5～10μm；鍍液每h交換不小于3次；過濾出口安裝在槽底，進口安裝在液面下10mm處，進出管口對應在鍍槽的對角線上，以達到最佳的過濾效果。

2 總結

在酸性硫酸鹽鍍銅中造成鍍層毛刺、粗糙的原因很多，在上述影響因素中有的單獨產生影響，有些相互影響最終導致鍍層出現毛刺、粗糙。在實際電鍍生產過程中，我們必須遵循規律，科學地分析問題，結合實際，積累經驗，更好地解決實際生產問題。