电镀沉积金属的电极过程，是以如何取得细晶、致密的电沉积层为重点。电镀镀层厚度分布的均匀情况是衡量镀层质量的重要因素。从理论上来说，电流和镀层的分布问题直接与电场分布和电极过程有着密切联系，所以电流和镀层金属分布问题也是金属电沉积理论的一个重要方向。

 

当两平行电极插入电解液中，然后通过外电源在两电极之间施加一定的电压于两电极时，两电极之间的电解液中的每一点都存在一定的电压，其电压值大小介于两电极电压之间。对于金属良导体，其电阻值几乎可以忽略不计，因此可以假定良导体电极表面每一点的电势均相等。在电解液中也存在着某些具有相等电位的假想平面，其等势面形状会随着与电极的距离逐渐增大而改变，在等势面分布较密集的区域其电流密度大。等势面和电场线存在互相垂直的关系，如图1所示。良导体电极本身属于等电势面，电流通过电极某点时必与该点所在的平面互相垂直。

 

▲图1  两平行电极板电场线和等势面关系示意图

一、镀层厚度的影响因素

 

为什么会产生镀层厚度分布不均呢？根据法拉第电解定律可得出镀层厚度δ的计算公式：

式中

 

iK ——阴极电流密度（A/d㎡）;

 

K ——电化学当量（g/Ah）;

 

t ——电镀时间（h）；

 

ηK ——阴极电流效率（%）；

 

d ——沉积金属的密度（g/cm³）。

 

可以看出，在一定的电沉积时间内，镀层的厚度就取决于阴极电流密度i和阴极电流效率ηK。对于同一镀液，电流密度就成为影响镀层厚度均匀性的决定性参数。因此，要使金属沉积在阴极上较均匀地分布，就必须使电流在阴极板上有较均匀的分布。

 

二、阴极表面初次电流分布

 

在没有电极极化和其他因素干扰的情况下，由阴极与阳极相对位置差异而产生的高低电流分布称为初次电流分布。初次电流分布也称为一次电流分布，完全取决于阴阳极的距离、排列、大小、形状等，不考虑电化学极化对镀层厚度分布的影响，仅考虑几何因素如阴阳极位置及形状对镀层厚度的影响。几何因素主要是指镀槽的形状、阳极的形状、阴极与阳极的相互位置、距离等。其要素是尖端放电、边缘效应、阴阳极的距离等，它们是影响阴极表面电流分布的主要因素。

初次电流分布是由物理因素自然形成，不容易改变。若要从几何因素角度考虑改善镀层的均镀能力，只能改变阴阳极形状及位置等电镀设备的设计，如增加阴/阳极距离、加大阳极面积、使用绝缘屏蔽物改变等电位平面、采用辅助阳极改善低电流区域的电流分布、使用辅助阴极分散高电流区域的电流分布、镀面按正方形或长方形密集上架，以降低高低电流差异等。

 

▲图2  绝缘挡板改善电场线均匀分布图

 

三、阴极表面电流二次分布

 

在实际电镀中，由于受电镀溶液组成和工艺规范的影响，当电流通过电极时，电极不可避免地都要发生极化。这时，阴极表面上各个部位的电流分布就不仅受到几何因素的影响，还受到电化学因素的影响。这种电流分布通常称为二次电流分布。

一般说来，活化过电位沿阴极表面是相同的，它将可以减小不规则几何尺寸的影响，并使电流分配趋向均匀。由电荷迁移的基本方程式的积分所推导出来的结果，电流分配不一致的程度取决于华格纳常数：

 

 

式中

 

Wa ——华格纳常数；

 

ηa——活化过电位；

 

i ——电流密度；

 

L ——华格纳常数的特性长度；

 

σ ——溶液的电导率。

 

在圆盘电极的情况下，特性长度值就是圆盘电极的半径。一般说来，电流分配越均匀，华格纳常数就越大。式中的dηa/di是与电流密度i成反比的，而因华格纳常数Wa随电流密度i的增加而减小。
 

四、阴极表面电流三次分布

 

电流在阴极上的分布，普通的直流电镀只是二次电流分配，而在脉冲电镀中，正常情况下则是三次电流分配。脉冲电镀电流的三次分配是：

（1）初次电流分配忽略了过电位的影响；

（2）第二次电流分配考虑了活化过电位，但忽略了浓差过电位；

（3）第三次电流分配考虑到了活化和浓差两种过电位的影响。

浓差过电位的影响决定于零件表面微观的特性长度和扩散层厚度δ的比较。以一个高度为h的锯齿形状的表面（图3）为例。如果δ<>h时，由于金属离子扩散到锯齿尖端处较扩散至深凹处快，因此增加了尖峰处金属的沉积，这样就造成电流分配不均匀。对脉冲电镀，由于脉冲扩散层厚度δp比起直流扩散层厚度小得多(即δp<<δN)。因此，对相同的锯齿形表面（h相等）的零件，脉冲电镀容易使电流分配得更均匀。

 

 

▲图3  物质传递到锯齿形表面的剖面图

（虚线表示扩散层的边缘）

（A）宏观轮廓剖面图（δ<

（B）微观轮廓剖面图（δ>>h）

 

五、总结

 

一般情况下，浓差过电位和活化过电位对电流分配都有同样程度的影响，这在理论上进行研究极为困难。一个既重要又简单的特殊情况是，当金属沉积由物质传递控制的时候，电流分配以浓差过电位的影响为主。例如，在极限电流时的电流分配就属于这种情况。这时在微观轮廓上电流分配的趋间与初次电流分配相同。在阴极表面有微小的不均匀或粗糙就会被扩大，并且沉积层越厚越粗糙。实际电镀生产中，根据阴极和阳极的形状及分布，使用绝缘屏蔽物改变等电位平面、采用辅助阴极改善电流区域的电流分布等，来获得质量良好的产品。