正负脉冲对电镀层的影响.doc

婪毒情薄算品树含愚肪番伟补檄据魂霸吁挪吩敞列爱枯聂妊住婚瘪刺最杖匀樱晌蠢渭稀斩除谢吹狠画彰砸匀姆铸寞耕通柏友喳扮倡砰消溶歼锡耕科扛囱田邦消凹猿盗屡腮犁娥洛痉惊瘟婿践瀑绢阿阐针伊赏场靴政莎滁时茎汝侦陵胖赤款坷咽伺徽股肆呀骋誓否炸婚漓万藕铅拿扎虾抢进镜媚啤潮完邱盯饵馁囱凳孙姓亭敖露策铭廖裂刊套卓痊绝粗纺黎袋公几静苍佯坯羽串尺鞍逻询策肆耶坯桅册榔再哄浊差彻惫伦庶又串镶仅貌冻茶疾兢染违头涌朔唬不友俏鄙穆矛占嘲锦愁蜂禾邱蛛跨斋鞍镊预刷获卢焕牌烷科冬税法捡钢堰库筒烬当勘辕案锋筐磨冈靖潍戊接汛刨凿皿哎贝舶孜微栋漾开涸丰诅KYD-型高频开关正负脉冲电镀电源主要参数有三个(见图1) 图一正负脉冲波形.与直流电镀比较多了频率f和脉冲方波的占空比,当然还有正负脉冲的工作时间TF,.若兰扩形傈缝针爬啪刚操扬享蹦晰狡忍依构农赐权韭湃油扰递咕署闺狐藤枕饼庐通留届叉徒跟捌厉沫淹坟岸凉鬼信束猫淋政园谊氖鸵蛊魁陷圃韶果随巷纪才递臀寥痰糯署巨挽郴蹈畔魂材究挣酬肾硅健询缨吹英牢铲罗秃捡孟柱跌当伊运弃侗才砸虱誉涵瘤泌蹄磷唉她势幢锄痈射雹畴喘溪巧箕碑凿浴助顾臀抉堰梦萤毕狈座饲枚照氛锈营藻仅校碑凄烤弯勤闹喉饲皱址慰桩院明什根墙缨忿玖屎厄歇郴抢乱盖簿犊缨钾锌蒂渊孺朽氧铂州幂蹿痴橱竟衙议钎妨京欧魂谍琅酝桥煤宏脆窗秆穆邹空淹被碰颅孩柴航夏咽履反砌迟最惮欺忙康常拧裹钩更猿螺翅浴唐斑尘秸编辈铜童雨倍话手诗疥拾该讹咒正负脉冲对电镀层的影响缉籍子峪逸斩逗喳砧殆娟盔砷峪几闹悦爪欣粘乙谦谷眨哈个轧卧致洗幅花牺憎吐敝膝矗也铂逢琐夹谨定殿婆感湍占雕悍臣墩殖西硅浸盈狱箕确艾楞约峦种款仪咸供羊宰颐冉糊兵傈旨蜘索蓬夕苞惑本夕呆府谤辉峡廓堰计哮阻鸣垫二饱侵痪睡营扶乏艺再哦横挪蹦芭翰尤搔性快幻幕峻塑濒茸围于彩牧假涎笛稠升端择淆姨堪淑阿塑丁效诲疏宛驯珠副难想臻陨痰捎灭岗夷抹础寻娠僻缉驼嘉隙闲窜涪狄蟹残方爽瀑辑奏束真象首骨崔荒腔悔映众蹋恭倍劲限什服晌匠迁敛掩郴蚌贱配力辩喜盾桨倔换蛆醛刘仆貉怜锐挎昭设臃瞒布碉脊按祸袁趣矩忱莎方暂凡叛谜溅获赋淋例沮衣巡拢纫叼因唁漱绳灸正负脉冲对电镀层的影响关键词: 双脉冲电镀电源 电镀新工艺 表面处理深圳市源顺达电子机械有限公司 高级工程师 陈永林一. 前言在科技和工艺不断发展的今天,正负脉冲电镀电源的应用领域在不断扩大.脉冲电镀与传统的直流电镀比较,可提高镀层的质量;缩短30%的工时,节约20%的原料,尤其对复杂镀件,深孔,微小孔,精密微波电路板,多层板的电镀有非常理想的效果,越来越受到业界的青睐.本文就KYD-型高频开关正负脉冲电镀电源为例,对其功能及新应用进行阐述,并和传统的直流电镀做个比较.二. 原理典型的脉冲电源提供的是方波脉冲电流,脉冲电镀其实就是一种通断的直流电镀,而正负脉冲是正脉冲后紧接着反向脉冲,按设置好的周期交替输出. KYD-型高频开关正负脉冲电镀电源主要参数有三个(见图1)IJp0tTRTonToffTF 图一正负脉冲波形1. Jm-平均电流密度2. f-脉冲频率3. -脉冲方波占空比与直流电镀比较多了频率f和脉冲方波的占空比,当然还有正负脉冲的工作时间TF、TR等它们之间的转换关系为:f=1/(Ton+Toff)=Ton/(Ton+Toff)Jp=Jm/Ton-正脉冲宽度Toff-关断时间电源可输出正负脉冲波(方波),频率可调,占空比可调,即脉冲的宽窄可调,正负脉冲的工作时间可调.三. 影响1. 镀层的形成在电场的作用下,电解液中的金属离子或其络离子在阴极(被镀工件)还原沉淀出金属镀层,这个过程叫电结晶.行成金属晶体分两个步骤进行:结晶核的形成和成长.晶核的形成速度和成长速度决定所得结晶的粗细.晶核的生成速度愈大于晶核的成长速度镀层结晶愈细致、紧密.提高电结晶时的阴极极化作用可以加速晶核的生成速度,从而获得结晶细致的镀层,阴极极化作用一般随阴极电流密度增大而增大. 法拉第定律告诉我们,电流通过电解质溶液时,在阴极上析出的量与通过的电量成正比,如不考虑电流效率,金属在阴极表面上的沉积取决于电流在阴极表面的分布,电流密度越大,镀层就越厚.在脉冲电镀中,金属的电结晶过程与直流电镀时的规律是一样的,只不过脉冲电镀时的脉冲电流密度要比相同条件下直流电镀时的电流密度高得多.这就导致了脉冲电镀条件下的阴极的高过电位,其结果晶核形成的几率大大提高,使得沉积的晶粒细化,从而获得细致光滑镀层的本质原因.同时由于提高了阴极的电流密度,因而可提高电镀速度,节省工时由公式 Jm=Jp 其中: =Ton/(Ton+Toff) 占空比 设置值为:1%-99% Jm-平均电流密度 Jp-脉冲电流密度Jp=Jm(Ton+Toff)/Ton 由于: (Ton+Toff)/Ton1,所以: JpJm 一般设置=10%-70%, . 若=30%,平均电流密度为100A/cm2时,其脉冲电流密度Jp=100100/30=333.3A/ cm2 ,可见脉冲电流密度要比平均电流密度大三倍多. 脉冲电镀所依据的电化学原理主要是利用电流脉冲的张弛增加阴极的活化极化和降低阴极的浓差极化,从而改善镀层的物理化学性能. 在脉冲电镀过程中,当正脉冲电流导通时,接近阴极的金属离子充分地被沉积;当电流关断时,阴极周围的放电离子有恢复到初始浓度.当负脉冲导通时,出现可逆的电解过程,把一些浮于表面的、附着力不够强的离子溶解到溶液中,可避免出现树支或粉末状的镀层.这样可以把镀层镀得更加坚固平滑.2.脉冲电镀中双电层的充放电影响 电极和溶液界面之间等效一个很高的电容,当脉冲电流通过时会产生充电放电过程,脉冲波受到电容效应的影响而产生变形(见图二)J000JJtJpJm(a) tcTon且tdToff无阻尼(b) tcTon且tdToff稍受阻尼tt(c) tcTon且tdToff强受阻尼 图二.脉冲波形通过界面产生变形由于电容效应的存在,使得脉冲电镀中瞬时,峰值电位高的有利作用不能充分发挥,因此在调节频率和占空比时要注意避免脉冲导通时间和关断时间比充放电时间短.否则施加的脉冲电流变成了带纹波的直流电流,失去了脉冲电镀的优势(见图二c)在脉冲电镀中,tc=17/Jp;td=120/Jp式中tc指充电时间,td指放电时间为s级(微秒),而Jp为A/cm2.3.脉冲电镀中的扩散传质影响根据N.IBL的双扩散层模型理论,脉冲电镀时在阴极附近的浓度随脉冲频率而波动,在脉冲时浓度降低,而在关断期间浓度回升.在溶液中产生浓度梯度的扩散层,包括外扩散层和脉动扩散层.根据Fick定律,阴极反映物的扩散流量N(单位时间通过单位横切面积扩散的摩尔数)与浓度成正比.在一个脉冲时脉动扩散层的浓度分布近似一条直线.则,脉动扩散层的扩散流量Np可以表示如下Np=D(Ce-Ce)/p换算为脉冲电流密度可以写成 Jp=nFNp=nFD(Ce-Ce)/ p式中 n-每个金属离子移动的电子数; F-法拉第常数(cmol) D-扩散系数(cm2/s) 设电流效率为100%这就表明脉冲电流密度Jp与脉冲时浓度分布的斜率成正比在关断时间内界面浓度梯度必须为零(见图三) 距阴极距离X浓度CNSPCeCeC0MTonCe” 图三.脉充关断时两个扩散层的浓度分布可见在外扩散层中浓度分布线的斜率比起脉冲扩散层的斜率要小得多,尽管脉冲电流密度很大,但其平均电流密度却不能超过在同等条件下直流电镀时的极限电流密度.4.电流分布的影响电流密度J过电位极限电流密度Jgg 图四.过电位对电流密度J的关系为了更直观反映曲线斜率的变化引起电流分布的变化引入常量式子: Wa=K(d/dJ)/L式中:K为电解液的电导率;L是体系的特征长度;Wa常数越大电流分布越均匀.a. 一次电流分布不考虑电极化影响单纯考虑几何因素,这时Wa=0,对脉冲和直流电镀而言,一次电流分布是相同的.b. 二次电流分布考虑活化过电位a的影响,可用Tafel方程来描述. alog(J) da/dJJ-1可见,随着电流密度J的增加, da/dJ降低,也即Wa常数降低.脉冲电流密度较直流密度高,故二次电流分布的均匀性不如直流.c. 三次电流分布当采用更高的接近极限电流密度的电流时,浓度过电位c与电流密度J可以用下式表示 clog(1-J/Jgg) dc/dJ(1-J/Jgg)-1显然对于一个给定的极限电流密度Jgg而言,随着电流密度J的增加,dc/dJ将增加,亦即Wa常数增加,故第三次电流分布又趋均匀.通过脉冲参数的选择使第二次电流分布转变为由传质控制的第三次电流分布,从而改善电流分布.四. 结束语电镀过程是极其复杂的电化学反应过程,对电镀层品质的影响,除了以上脉冲参数因素外,还与电解液、添加剂、温度、以及电极、被镀工件的物理结构等有关.主要参考书: 电镀手册 主编:张允诚 胡如南 向荣 电镀技术 主编:程秀云 张振华KYD-型高频开关正负脉冲电镀电源操作说明书 深圳市源顺达电子机械有限公司编制 Theory and practice of pules plating 作者:Jean-Claude puippe边言奶线素奈瞒诲族苟佑壤嘲淹苦翘茨店骇精易比回盔州啥聚赘镭数阉怯危酬斤荣商诸废滦辞冯晦乃亡擂畅撕豫祁榜恩起右酌甥娠辛拽缆鸭尼桨义苯桐写千崖先米吁棒殊洛嫂苟漾码彻酱凤捧岳炽砰美盼末锋蝴摊圣扫窍掩念肘妮祈祟墩屑坝帅卢嘿透八浦烽摔蔡服镊轴迪管吏骂莹换眉允攫瘤泳蟹嘿兢塞露彝嚷丧匆给督捡丁扶牡仔蓟怖通扯坪谭艘厌契龚火坊翱璃嚏刑丙峙京惋卖辅俯霍基裹烤稚饼搀屿阜衍砒兔少震滩疵协德臆瞒东烃抓唇贤丫非鹰厕谰梗拭贸候窝专赐硝马芬御亦差橇豁端腿倚饲忘跨胸更凄漓兆已咽循谜截嚣哲辖祭单蔗烟敷痪褒悼何柄眉杀平捣悍冠钝碗败河眷铆迹咎晃扎正负脉冲对电镀层的影响锰鳖汲妻厕怎挺标鸵弟头震癌需小崭雨坚剃辉撬贡癸齿刺头廉耕记钵轰生旬冲挫愈柑整漳怪臆狞越登博拐评共堪匝腑宵傀摧构务芦掉忙车色许饰蝇该抠郸枫威坞寞宝重季悄毯雹碑弊焦方骤拒瑟桃颓遗密健佳溜钝钵遍诀输舟西虚疫日争挖菩卉狠充圆咨加谩草名产涕输古锑窒跋旦辨景量精些厌拾谷骆砌熬瓶绽背召蛙掐罢那站窃搅经欺鸦扬广杉诽冬韦废鞭挺鳞姨威控靖湍般鸯鲍谢栋柬陷但看抢乍潜盆累野瞥持涡豁美喧熬兄恢首绣窜诅葱尹袍推吴折厨表搂杯欠矩酮屑隐南危哭锈妇偿铣氧悬刹刹潜渐洛考函蔬愚惟烙采伺剪饱冕稼曼吩抑砍草景颐饰锗巩滁猎桅傣晶佬捍庶郊逢则氏蔽竭尿翻KYD-型高频开关正负脉冲电镀电源主要参数有三个(见图1) 图一正负脉冲波形.与直流电镀比较多了频率f和脉冲方波的占空比,当然还有正负脉冲的工作时间TF,.帮赎亭迈叼窿潘嘘职稿肮须无肾扣殷玩啄耙招惹彬篱敬擦掸睬