电镀工艺管理——超声波对电镀过程的影响

超声波作为促进化学清洗的手段，在电镀企业中已经有很普遍的应用，以至于超声波清洗已经成为一个专业，有了很多专业制造超声波清洗设备的企业，说明对这种清洗手段的需求很大，它不仅仅只限于电镀领域。这也不仅仅只是加强清洗的效果，因超声波对化学反应等很多过程都有重要影响。

  (1)关于超声波

大家知道，声音是一种振荡。人们的耳朵之所以能听见声音，是发声的物体产生的振荡通过空气的振动传到耳朵，引起耳膜共鸣而产生听觉。凡是振荡都有一定的频率，耳朵能听见的声音的频率范围从20Hz到20000Hz。超过20000Hz以上的声音，人类就听不见了。这种超出人类听觉范围上限的声波便简称为超声波。

超声波和声波一样，是一定物质的剧烈振荡，可以在任何弹性或刚性体内传播。由于超声波在液体内的传递速度比在空气中快得多，所以在电沉积过程中运用超声波是比较方便的。

超声波既然是一种物理场，就有其场强，一般以下式表示：

      I=Eu

式中I-超声波的场强；  

E-单位体积的平均能量；

u-在介质中的传播速度。其中单位体积的平均能量可以用下式求得

      E=1／2εV2L2

式中ε-介质密度；

V2-频率；

      L2-振幅。

超声波场强的单位为W／cm2。但是也常常标出所使用的频率，单位为Hz。

(2)超声波的去极化作用

早在20世纪30年代，就有人注意到了超声波对电解过程的影响。发现在超声波作用下，电解水的电压下降了。后来有人在研究氢的析出电位时，也发现超声波可以降低氢的析出电位，证明超声波有去极化作用。并且随着场强的增加，去极化作用也增加，可以达到很强的程度。电位值的变化可以从300mV到1000mV，这是很可观的数值。

例如，在硫酸钠溶液中，以2.5A／dm2的电流密度电解时，在弱超声波作用下，在铂电极上氢的析出电位是900mV，而在强超声波作用下，氢的析出电位只有400mV。如果采用铝电极，在弱超声场内的析氢电位是1300mV，而在强超声场内只有360mV。去极化作用非常明显。

超声波在液体内传播时，会产生一种空化作用，使液体内产生一定的压差。这种压差效应会促使气体迅速由阴极表面析出，并使氢离子的还原容易进行，从而降低了氢还原的超电压。

研究表明，在超声场内进行电镀，金属的析出电位也是降低的。在21kHz的超声波作用下，使锡酸钠镀锡的电位下降400mV左右，采用瓦特型镀镍时，电位降低l00mV。如果没有超声波的作用，在这种低电位下，通常只有氢氧化物析出，但在有超声波作用的条件下，却有金属镀层析出。

美国的W．R．W01fe等在美国电化学协会发表的报告中，也指出了超声波的去极化作用。他们在硫酸铜镀铜液内，使用1000Hz、4W／cm2的超声波，在1.5A／cm2的电流密度下，铜的析出电位由100mV变为35mV。

(3)超声波的对电镀过程的其他影响

但是，超声波对电镀过程的影响，不仅仅是去极化作用。超声波是一种强力的搅拌器，使浓差极化得以消除，可以使电镀速度大大提高。例如，有人在超声波作用下镀铜，使用了高达140A／cm2的电流密度。有的资料显示，在超声波作用下，电镀的速度可以提高50～100倍。

超声波对电流效率也有明显影响，通常都能提高阴极过程的电流效率，还可以扩大镀层的光亮区域。同时，由于超声波对气泡的驱除作用，镀层的针孔也会大大减少。

超声波对电镀过程的影响还远不止是强搅拌作用，对电结晶过程也有影响。增加超声波强度会使镀层的结晶变细，尤其当金属结晶过程的速度较慢时，超声波对改善镀层的结晶组织是最有效的，因此，使用超声波可以防止产生粗粒结晶或树枝状镀层。因为强烈的超声波振荡可以对粗糙结晶有粉碎作用，从而使晶粒变小。

超声波不仅使镀层细化，还可以提高镀液的分散能力和均镀能力。人们曾经在一种细铜管的内壁镀银中采用了超声波提高深度能力，这种铜管长28mm，但是直径只有4mm，管长超过了直径6倍，孔内不易镀上(只会有置换层)。而产品的设计要求内壁镀上一定厚度的镀层。后来使用一台功率为400W的超声波发生器，在20～50kHz的频率内，以0．5A／cm2的电流密度作用下镀银，结果获得了满意的结果，即孔内的镀层结晶细致无孔，满足了设计的要求。

超声波的另一个特别的功能是可以促使获得不易镀出的镀层。一般不易镀出的金属多半是易氧化、难还原的金属，这类金属离子的还原电位很负，在普通镀液内不易镀出来，即使有析出也很容易被钝化。但是在超声波的作用下，将使这类金属的还原变得较为容易，例如在钢上镀铝。

超声波对阳极过程也有很大影响。有些镀覆工艺由于阳极很容易钝化而使工作时的电流密度急剧下降，以致无法电镀。例如，在琥珀酸中镀银，如果用超声波使阳极活化，就可以提高工作电流密度，使电镀过程可以正常进行。