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SHENZHEN YSD ELECTRONIC&MECHANICAL CO.,LTD.

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                电镀工艺


    电镀的概念

  电镀时利用电解方法对零件进行表面加工的一种工艺。电镀时零件为阴极,镀液中的金属离子在直流电的作用下沉积在零件表面形成均匀,致密的金属镀层。


          电镀的结晶过程

    电解液中的金属离子或起落离子在阴极还原沉积出金属镀层的过程交电结晶。而电结晶是一个电化学反应过程。金属离子是否能够还原,取决于阴极电位,产生一定过电位时在阴极上沉积出金属晶体。


           电镀的目的是什么?

电镀的目的是通过改变零件表面的外观和物理化学性质,达到装饰性,耐蚀性和耐磨性等各种技术性能。


         电镀必须的条件是什么? 

电镀必须的条件是:外加电镀电源电镀液和镀件及阳极组件的电解装置。


             电镀的应用

   电镀的应用非常广,已遍及国民经济的各个生产和科学领域。尤其是机器制造,国防,电讯,交通,轻工业等行业已成为不可缺少的一部分。



            对电镀层的要求

对不同的产品,对电镀层的质量要求不同,但都有共同的要求

1.              电镀层与基体,包括镀层与镀层之间应有牢固的附着力并达到一定的结合强度

2.              电镀层应有完整的覆盖并基本均匀

3.              电镀层应具有规定的厚度和尽可能少的孔隙率,能有效地阻挡外界介质的腐蚀。

4.              电镀层的光亮度,硬度,色彩以及耐蚀性均要达到规定的指标,不允许有明显的针孔,麻点,划伤等。


           影响电镀层分布的因素

主要有以下几个方面:

1.              电流分布 首先电镀层的分布与电流的分布有关系。

2.              电流效率电流不单是消耗于金属离子的沉积,而且消耗于析氢和其他副反应。

3.              基本金属的表面状态

4.              几何因素 电镀槽的几何形状,阴阳极的现状尺寸,两个电极在电镀槽中的排列形式等


 

          影响电镀层质量的主要因素

1.   电镀前处理要良好

2.   电镀药水的质量

3.   镀件的金属化学性质

4.   电镀过程控制   电流密度,温度,送电方式,移动和搅拌等

5.   析氢反应,避免“氢脆”现象

6.   电镀后的处理  电镀后对工件的清洗,钝化,除氢,抛光,保管等

7.   电镀电源,采用周期换向电镀电源,脉冲电镀电源对电镀层质量产生根本的改善。


         影响电镀结晶粗细的因素

   金属电结晶时同时进行晶核的生成与成长的两个过程。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。

   措施是:

1.              提高阴极电流密度

2.              降低电解液的温度

3.              加入络合剂

4.              加入添加剂


                                 电镀电源的发展与新技术

  • 介绍了电镀的工作原理及电镀电源的发展历程。脉冲电镀是一项新的电镀技术,脉冲电镀电源是发展的方向,针对脉冲电源这项新技术重点进行了介绍。
           
    关键词 电镀电源 脉冲 电流密度 扩散控制

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    引言
           
    电镀是采用电化学方法使金属离子还原为金属,并在金属或非金属制品表面形成符合要求的平滑、致密的金属覆盖层。电镀后的镀层性能在很大程度上取代了原来基体的性质,起装饰和防护作用。随着装饰业的发展及膜保护需求量的增加,人们对电镀质量的要求越来越高。但目前电镀技术仍存在某些缺陷,诸如加工时间长、镀层厚度均匀性差、镀层容易出现缺陷以及存在较大内应力等。这些缺陷限制了电镀技术的应用和发展,不能适应当前的生产,尤其是精密制造的需要。电镀生产采用何种电源对镀层质量的影响很大。脉冲电镀是一项新的电镀技术,本文就电镀电源中脉冲电源技术作简单介绍。

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    电镀电源的发展
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    1 电镀的基本原理
           
    电镀电源是用来在电镀中产生电流的装置,电流通过镀槽是电镀的必要条件,镀件上的金属镀层在电流流过电镀槽时,引起电化学反应而形成。电镀过程如图1所示。
     
           
    从电镀的基本原理可以看出,改进镀层质量可以从两个方面人手:①调整电镀溶液;②改进电镀电源。现实中,广泛采用了改进电镀电源的方法。关于这点,可以从电镀电源的发展演变过程中看出。
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    2 电镀电源的发展阶段
           
    电镀电源经历了四个发展阶段:
    (1)
    直流发电机阶段这种电源耗能大、效率低、噪声大,已经被淘汰。
    (2)
    硅整流阶段是直流发电机的换代产品,技术十分成熟,但效率低,体积大,控制不方便。目前,仍有许多企业使用这种电镀电源。
    (3)
    可控硅整流阶段是目前替代硅整流电源的主流电源,具有效率高、体积小、调控方便等特点。随着核心器件——可控硅技术的成熟与发展,该电源技术日趋成熟,已获得广泛应用。
    (4)
    晶体管开关电源即脉冲电源阶段脉冲电镀电源是当今最为先进的电镀电源,它的出现是电镀电源的一次革命。这种电源具有体积小、效率高、性能优越、纹波系数稳定.而且不易受输出电流影响等特点。脉冲电镀电源是发展的方向,现已开始在企业中使用。

3 脉冲电镀及脉冲电源的研究与分析
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1 脉冲电镀
       
脉冲电镀是一项新的电镀技术。它的特点是由脉冲电流对电极过程动力学的特效影响所决定的,其中最主要的是对传质过程中的影响。在直流电镀时,镀液中被镀出的金属离子在阴极表面附近溶液中逐渐被消耗,造成了该处被镀金属离子与溶液中该离子的浓度出现差别。这种差别随着使用的电流密度增高而加大。当阴极附近液层中的该离子的浓度降到0时,就达到了所谓的极限电流密度,传质过程完全受扩散控制。
       
在脉冲电镀时,由于有关断时间的存在,被消耗的金属离子利用这段时间扩散、补充到阴极附近,当下一个导通时间到来时,阴极附近的金属离子浓度得以恢复,故可以使用较高的电流密度。因此,脉冲电镀时的传质过程与直流电镀时的传质过程的差异,造成了峰值电流可以高于平均电流,促使晶种形成的速度远远高于晶体长大的速度,使镀层结晶细化,排列紧密。孔隙减小,电阻率低。
       
此外,直流电镀时的连续阴极极化电位下的各种物质,在阴极表面的吸脱附过程与脉冲条件下的间断高阴极极化电位下的吸脱附过程的机理有很大差异,造成了同样的溶液配方及添加剂在电源波形不同时,表现的作用差别也很大。
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2 脉冲电源
       
脉冲电源分为数字脉冲电源和模拟脉冲电源。所谓数字脉冲电源,是采用微处理器及数字电路对脉冲电源中的直流斩波进行控制,并实现数字显示与数字调节的电源。它是当今最为先进的电镀电源,由于与计算机技术相结合,使其控制更加方便和灵活。目前是电镀电源发展的方向。数字脉冲电源的原理示意图如图2所示。


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-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TFTR

它们之间的转换关系为:

f=1/(Ton+Toff)

γ=Ton/(Ton+Toff)

Jp=Jm/γ

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=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)/Ton1,

所以:   JpJm      

            一般设置γ=10%---70%, .

若γ=30%,平均电流密度为100A/cm2,

其脉冲电流密度Jp=100×100/30=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)

                     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(微秒),JpA/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.

,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=nFNp=nFD(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.

4.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-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


 

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