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正负脉冲对电镀层的影响 |
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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-Ⅲ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-Ⅲ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
1.Jm------------平均电流密度
2.f---------------脉冲频率
3.γ-------------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γ，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)
γ=Ton/(Ton+Toff)
Jp=Jmγ
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。
2.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=Jpγ%
其中: γ=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)/Ton≥1，
所以: Jp≥Jm
一般设置γ=10%---70%， 。
若γ=30%，平均电流密度为100A/cm2时，
其脉冲电流密度Jp=100x100/30=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
在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2)
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μs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)/δp
换算为脉冲电流密度可以写成
Jp=nFDNp=nFDNp(Ce’-Ce)/ δp
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)
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。
6.电流分布的影响
图四.过电位η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(dη/dj)/L
式中:K为电解液的电导率；L是叹息的特征长度；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ηa的影响，可用Tafel方程来描述。
ηa~log(j)
dηa/dj~j-1
可见，随着电流密度J的增加， dηa/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ηc与电流密度J可以用下式表示
ηc~log(1-J/Jgg)
dηc/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，dηc/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，还和电解液及添加剂，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-Ⅲ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(end)
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(4/15/2008) |
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