金屬製造新技術：環保的電鍍黃金術
95/04/10
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陳敏華｜
金屬工業研究發展中心熔鑄組
黃金是一種穩定性高的貴金屬，在裝飾或工業上都扮演著重要的角色。由於價格昂貴，實體黃金的產品並不符合成本效益，也不適合大量生產，為了配合產業的需求，因而研發出各種不同的電鍍黃金技術。
電鍍黃金的溶液主要可分為氰化物系及非氰化物系二大類型。氰化物系鍍金溶液由於穩定性佳，且發展歷史較長，產業界大多以這個物系的鍍金技術為主流。但是，這個方法卻有個最致命的缺點，就是電鍍液本身有劇毒。因此，工作場所必須達到安全合格的標準及具有設備完善的廢水處理程序，才能保障工作人員的健康及環境的潔淨不受污染。
電鍍黃金的目的
電鍍最主要的目的是應用電化學方式把金屬鍍膜附著在基材表面上，進而改變基材表面的性質或尺寸。例如裝飾品的黃金鍍層，是為了得到光亮如鏡且色澤多變的表面，同時又能兼具良好的耐蝕和耐磨性能。工業上的黃金鍍膜，則是希望能夠達到高導電性、低接觸電阻、以及不易氧化等特性。
電鍍的基本原理
電鍍是一種電沉積的過程，藉由外界提供電能，使含有黃金離子或與其他金屬離子共存的溶液進行氧化還原反應，以形成黃金或黃金合金並沉積在欲處理的基材上。
電鍍液是電沉積金屬的溶液，由金屬離子、非金屬離子及其他化學成分所構成。經由供給電能，令溶液中的離子移動而使整個溶液系統導電。這時，帶陰電荷的離子朝向陽極移動，這類離子稱為陰離子；帶正電荷的離子則朝陰極移動，稱為陽離子。在整個電鍍系統中，使陰離子放出電子進行氧化反應的電極稱為陽極，使陽離子得到電子而進行還原反應的電極則稱為陰極，整個反應過程就是電鍍。
電鍍黃金的前處理
電鍍前的處理步驟，稱為前處理，就是基材在置入電鍍液之前，把表面做適當處理的所有工作。前處理的主要目的是使基材與鍍膜之間有完美的結合，同時使電鍍黃金後的成品達到最佳狀態。資料顯示當電鍍技術發生失誤時，有約50％的比率是因為前處理不當所造成的。因此，前處理步驟是電鍍技術上最基本也是最重要的工作，特別是如黃金這類貴金屬的電鍍，應更加謹慎小心處理。
前處理方式依據基材的不同而有差異，一般而言，電鍍黃金前處理的過程有下列步驟：
表面整平 使電鍍前的基材光滑平整，可利用磨光和拋光完成。
除油 微量的油污會在電鍍時擴散形成油膜，造成鍍層與基材間的隔離，導致鍍層鼓泡、起皮或剝落。常用的除油方法有溶劑除油、化學除油和電化學除油。
酸洗 在基材表面上的氧化膜也會導致無法電鍍，或鍍層疏散、多孔、結合力差及抗腐蝕性能不良等現象，可以酸洗改善。但酸洗時須防止基材被酸過度腐蝕或產生氫脆，且酸浸後要用水充分洗淨，否則會污染電鍍溶液。
活化 目的是去除基材表面上的鈍化膜使其顯露出金屬結晶組織，進而提高鍍層與基材間的結合力，這一過程可用不同的稀酸或稀鹼處理。
預鍍 這個步驟是為了保護基材，以免受電鍍液的溶蝕而產生不密實的鍍膜或污染鍍液。另一目的則是把較難電鍍的金屬表面活化，也就是把容易形成氧化膜的底材，在去除氧化膜後立刻以預鍍膜取代。
非氰化物系鍍金溶液
非氰化物系鍍金溶液可以改善氰化物系所造成的危害性，不僅可以保護工作場所中操作人員的安全，也可達到環保的標準。此外，使用非氰化物系鍍金尚有一個獨特的優點，因電鍍液中不含氰化物離子，不會與半導體製程中的光阻劑反應。因此，非氰化物系鍍金溶液的開發極符合半導體產業的需求。目前已發展的非氰化物系鍍金溶液有以下幾種類型，如亞硫酸鹽鍍金溶液、硫代硫酸鹽鍍金溶液、硫代蘋果酸鹽鍍金溶液、以及鹵化物系鍍金溶液，其中以硫代硫酸鹽及亞硫酸鹽二種鍍金溶液的應用較多。
亞硫酸鹽鍍金溶液主要是以亞硫酸金鹽做為提供電鍍液中金離子的來源，並以亞硫酸鹽為其主合劑，再添加一些副合劑及添加劑，而構成非氰化物系鍍金溶液。其中，主合劑中的亞硫酸鹽雖然有鈉鹽、鉀鹽及銨鹽等不同成分當做陽離子，但這些陽離子的作用幾乎相似。
若電鍍液中只單獨存在這些鹽類，則容易造成電鍍液的穩定性不佳。為了解決這項問題，需要額外添加一些副合劑來提高電鍍液的性能，如增加電鍍液的導電度、調節電鍍液的酸鹼值和穩定亞硫酸金鹽。在非氰化物系鍍金溶液中所使用的副合劑，常見的有檸檬酸鹽、酒石酸鹽、磷酸鹽或含氮的有機添加劑等。
硫代硫酸鹽鍍金溶液則是以氯化金鹽做為電鍍系統中金離子的來源，並以硫代硫酸鹽及亞硫酸鹽的混合溶液為其主合劑，再加入磷酸鹽或檸檬酸鹽為副合劑而形成。在這類電鍍液中，黃金離子會形成穩定性高的無色一價的硫代硫酸金錯化合物。
亞硫酸鹽與硫代硫酸鹽鍍金溶液都無劇毒性，且分散性與覆蓋性較佳，電鍍後得到的鍍層光亮緻密，與基材結合性牢固，耐酸及抗鹽霧性能佳，是目前較理想的非氰化物系鍍金溶液。
經濟型的黃金鹽
黃金鹽是鍍金溶液中提供金離子最主要的來源。一般來說，黃金鹽的價格遠比純金屬的黃金高，因此，如何有效地節省黃金鹽的成本，是生產者最為關切的課題。
基礎的化學知識告訴我們，黃金只溶解於王水（即硝酸與鹽酸的混合溶液），依據這個簡單的觀念，我們可自行製作非氰化物系鍍金溶液中所需要的黃金鹽。例如亞硫酸金鹽的製法，是先把固體的黃金切碎、洗淨及烘乾後，加入定量的王水，在黃金完全溶解後把硝酸移除，就可得到三氯化金。接著以鹼性溶液把三氯化金中和至中性，並加入亞硫酸鹽後，即可形成亞硫酸金鹽。
電鍍溶液的控制
非氰化物系鍍金溶液雖然無劇毒，且不會造成環境污染，但其電鍍液的穩定性卻不如氰化物系，因此必須時常注意電鍍液的管理和維護。
加強基材電鍍前處理 電鍍前處理中的各種陰離子及預鍍液中的金屬離子，都會對亞硫酸鹽鍍金溶液產生影響，特別是帶有強氧化性的酸根離子，會降低電鍍液的功能。此外，當基材表面含有殘留的銅及鎳金屬離子時，會使淡黃色的亞硫酸鹽鍍金溶液變成藍色或綠色，金屬離子含量愈多，產生的顏色愈深，而嚴重影響金鍍層的色澤。因此，基材在經過前處理及預鍍程序後，必須澈底清洗，以防殘留的陰離子或金屬離子污染鍍金溶液。
維持鍍金溶液的組成及含量 在非氰化物系鍍金過程中，須經常補充黃金鹽和主合劑。以亞硫酸鹽鍍金系統為例，亞硫酸鹽扮演的角色是三價金的還原劑。因此，電鍍液中亞硫酸鹽含量的維持特別重要，需要經常補充。
由實際的經驗得知，為了提高電鍍液的穩定性及保持良好的導電性，亞硫酸鹽的濃度大約維持在電鍍液中黃金鹽含量的6倍以上。若其含量過低，則易導致陰極電流密度降低及鍍層偏紅的情況。至於其他副合劑和添加劑，也會隨電鍍液的使用而損耗，因此在補充黃金鹽和主合劑之外，也應相對適時添加。
控制電鍍液的酸鹼值 保持電鍍液酸鹼值的穩定，是維護鍍金溶液正常運作的主要檢查項目之一。由於亞硫酸金鹽穩定性較氰化物系金鹽差，而亞硫酸鹽又是一種較強的還原劑，若不把電鍍液控制在固定的酸鹼值範圍內，則會影響黃金鍍層的色澤和硬度。在非氰化物系鍍金溶液中，通常是以氫氧化鉀或氨水來調整電鍍液的酸鹼值，以維持其穩定性。
符合環保的鍍金技術
電鍍黃金是表面處理中一項重要的技術，它的應用將不斷地日新月異，而更凸顯其重要性。雖然非氰化物系鍍金溶液，仍有穩定性不如氰化物系鍍金溶液的缺點，但就長遠發展的觀點來看，其未來性仍優於氰化物系鍍金技術。
本文以淺顯的內容介紹非氰化物系電鍍黃金技術，希望能啟發各界人士及研究人員對非氰化物系鍍金技術的共鳴，早日研發出能夠完全取代氰化物鍍金的製程，以解決氰化物所帶來嚴重的環境污染問題，為保護地球盡一份心力。
