ТОЭ Лекция 13,14
3.2. Распределение тока и металла на микропрофиле катода
3.2.1. Изменение микрорельефа поверхности катода в процессе
электроосаждения
3.2.1.1. Требования к микрогеометрическим характеристикам
поверхности электрических осадков
Во многих областях применения гальванотехники к микрогеометрическим характеристикам поверхности электрических осадков предъявляют определённые требования. Например, поверхность защитно-декоративных металлических покрытий на готовых изделиях, как правило, должна быть гладкой с зеркальным блеском. Наоборот, при производстве металлической фольги для электронной и радиотехнической промышленности, при производстве металлических анодов для химической промышленности желательны осадки с развитым микрорельефом. Жёсткие требования обычно предъявляют к микрогеометрии локальных электролитических осадков металлов, которые наносятся на отдельные строго фиксированные участки поверхности (производство печатных плат, сеток и т.д.).
3.2.1.2. Микрораспределение металла на микрорельефе поверхности
Микрорельеф поверхности электроосаждённого металла зависит от начальных микрогеометрических характеристик поверхности катода и от характера микрораспределения осаждаемого металла. Под термином «микрораспределение» обычно понимают распределение скорости электроосаждения на отдельных элементах рельефа. Причём размеры этих элементов не превышают десятые доли миллиметра. Их совокупность образует так называемый микропрофиль поверхности.
Различают три основных типа микрораспределения металла (рис.3.10).
а б в
Рис.3.10. Три типа распределения металла:
а – равномерное; б – положительное истинное выравнивание; в – отрицательное выравнивание; 1 – микропрофиль начальной поверхности осадка; 2 – микропрофиль поверхности осадка.
Равномерному микрораспределению отвечают одинаковые значения скорости осаждения на всех участках микропрофиля. При положительном выравнивании наблюдаются более высокие скорости осаждения в микроуглублениях по сравнению с микровыступами. При отрицательном выравнивании характер микрораспределения противоположный.
3.2.1.3. Изменение микрорельефа поверхности при равномерном микрораспределении скорости осаждения
Микрорельеф поверхности катода может существенно изменяться не только при неравномерном микрораспределении (положительном или отрицательном выравнивании), но и при равномерном микрораспределении скорости осаждения. Характер эволюции некоторых типов микропрофиля в этом случае показан на рисунке 3.11.
а б в г
Рис.3.11. Изменение профиля при равномерном микрораспределении
скорости осаждения:
а – геометрическое выравнивание индивидуальной канавки; б – изменение формы индивидуального выступа; в – геометрическое выравнивание пилообразного профиля; г - изменение нерегулярного микропрофиля; 1 – микропрофиль начальной поверхности катода; 2 – микропрофиль поверхности осадка при различной его толщине.
По мере осаждения противоположные стороны углублений сближаются. В результате происходит так называемое геометрическое выравнивание, то есть заполнение углублений электроосаждённым металлом.
Микровыступы в процессе электроосаждения постепенно расширяются. Высота же их по отношению к прилегающей ровной поверхности при равномерном микрораспределении остаётся неизменной. Зарастание углублений и расширение выступов ведёт к существенному изменению микрорельефа поверхности лишь в тех случаях, когда масштаб начального микропрофиля не превышает толщину электролитического осадка. На практике поверхность катода обычно имеет нерегулярный микропрофиль. Эволюция такого микропрофиля при равномерном микрораспределении показана на рис. 3.11г.
Неравномерное микрораспределение скорости осаждения металла изменяет характер эволюции микропрофиля. При положительном истинном выравнивании по мере осаждения металла радиус кривизны микроуглублений будет уменьшаться с меньшей скоростью, чем показано на рис. 3.11а, либо даже станет возрастать. Направление этого изменения зависит от характера микрораспределения и геометрических параметров профиля.
Радиус кривизны микровыступов при положительном выравнивании растёт с толщиной покрытия быстрее, чем при равномерном микрораспределении. Здесь наряду с уменьшением амплитуды (то есть с выравниванием) должны возрастать радиусы кривизны выступов и углублений любых пологих микропрофилей.
При отрицательном истинном выравнивании наоборот радиус кривизны микроуглублений уменьшается быстрее, чем при равномерном микрораспределении. Радиус кривизны микровыступов здесь растёт с меньшей скоростью, либо уменьшается.
Предельный случай эволюции микропрофиля в условиях сильного анитивыравнивания – образование дентритообразных и губчатых осадков металлов.
Относительная скорость сглаживания микровыступов в условиях положительного истинного выравнивания или их дальнейшего роста в условиях антивыравнивания возрастают по мере уменьшения начальной ширины этих выступов. Поэтому в условиях сильного антивыравнивания скорость роста небольших выступов будет значительно превышать скорость роста грубых микронеровностей. Формирование зародышей новых микровыступов на различных участках поверхности растущих дендритов обусловлено кристаллизационными явлениями. Их дальнейший самоускоряющийся рост, приводящий к образованию губчатого осадка на катоде, является следствием характера микрораспределения.
Наибольшие микронеровности при сильном положительном выравнивании сглаживаются с бóльшей скоростью по сравнению с грубыми. Поэтому в процессе электроосаждения средняя частота микронеровностей постепенно уменьшается.