脉冲电源的诞生远早于高频开关电源,其研究也不少。
8.1 脉冲电镀的优点
脉冲电镀改普通电镀的连续电沉积为周期性沉积,一般采用方波脉冲。方波脉冲同时提供了丰富的谐波分量,暂态的谐波激励对电极反应与镀层结晶形态有着很大的影响,某些现象还无法用经典的电化学理论来明确解释。
脉冲镀的优点在许多电镀文献中都有报道,比如:
(1) 降低镀层孔隙率。周期脉冲相当于不断间歇冲击镀,瞬时阴极极化值很大,镀层结晶更细小,晶粒细化后,镀层缺陷与孔隙率相应下降,防蚀力提高。在贵金属电镀中采用脉冲电源,可获得良好的经济效益,因为在同样防蚀能力下可减薄贵金属镀层的厚度。
(2) 提高镀层结合力。脉冲的峰值电压为直流的数倍,有可能击穿钝化膜而在基体上电沉积。也可从电位活化理论角度考虑:瞬时大电流密度能使制件电流密度大于活化电流密度,使基体瞬时快速活化,从而提高镀层结合力。
(3) 改善深镀能力与分散能力。脉冲瞬时高的阴极负电位能在直流镀时难以活化的小阴极电流密度的工件深凹处也发生活化,而易沉积上镀层(类似于装饰镀铬的冲击镀),因而能提高深镀能力。在脉冲关断期间,阴极界面液层中消耗的主盐金属离子等得以补充,能减小浓差极化,从而减少烧焦。而开通瞬间的大阴极电流密度不但提高了深镀能力,也加快了深凹处的镀速,从而提高分散能力。
(4) 降低镀层内应力。脉冲电镀减少了晶格缺陷和杂质积累,有利于变形时晶格的自由滑移,从而降低脆性,也使内应力下降。
(5) 有利于获得成分稳定的合金镀层。原因可能是在脉冲关断期间,镀液中合金组分金属离子在阴极界面液层中可能不按比例消耗时,易于获得按比例的补充。
(6) 改善阳极溶解。在脉冲关断期间,阳极溶解产物易于向镀液深处扩散、对流,而不致形成过大的浓差极化,阳极不易钝化。
(7) 减少添加剂用量。脉冲导通时段已有较大阴极极化值,而脉冲关断期间,低浓度的添加剂也可以满足对阴极界面液层中消耗的及时补充,故可少用添加剂。
(8) 改善镀层外观。晶粒细化后,镀层外观得以改善。普通氰化镀铜,一般电镀时间超过5min,镀层易呈砖红色;而采用频率300Hz、占空比30%的脉冲镀,镀1h以上,镀层仍呈半光亮。对含硅铝件阳极氧化着色的试验表明,直流氧化后染料着色,色泽灰暗;而用脉冲氧化后着色,色泽鲜艳。
(9) 改善镀层物理机械性能。如降低表面电阻与体电阻,提高密度、韧性、耐磨性,控制镀层硬度等。
(10) 有利于某些工艺生产应用。如采用双脉冲(在脉冲正向关断期间产生反向负脉冲)电镀时,在负脉冲期间,镀层作为阳极溶解,不但外观、整平性提高,而且是一些工艺的必备手段。例如,现代高密度印制板多层板孔金属化时,因孔径越来越小、径深比越来越小,镀铜时必须采用双脉冲电源,才能基本保证孔内镀层厚度的均匀性,否则不但厚度差别大,甚至造成表面堵孔。
8.2 脉冲电镀的应用局限性
既然脉冲镀有许多优点,为何又无法大面积推广开来呢?
8.2.1 脉冲电源结构复杂、造价高,难以大功率化
8.2.1.1 脉冲镀的可调参数多
高频开关电源都是单向正脉冲,且振荡频率与峰值电压是固定的,只调整占空比一个参数。而脉冲镀时不同工艺有不同的最佳参数。就单向脉冲而言,峰流(或峰压)、频率、占空比均应可调。对于双脉冲电源,反向脉冲同样要调整多个参数,总的应可调参数更多,控制部分十分复杂。
8.2.1.2 整流程式复杂
脉冲电源是先经可调电压(或电流)的整流(也可用高频开关电源)后,经良好滤波变为低纹波直流,再经可调频率、占空比控制器来控制大功率器件,最后斩波成方波脉冲的。双脉冲电源更是两个这类整流器的恰当组合。故整个程式很复杂。对于单脉冲镀金、镀银,若频率为1000Hz,平均电压要达5V而占空比又仅10%,则直流低纹波输出电压应达50V,电源的制作难度很大。
因此,脉冲电源的造价很高,要求可靠性更高,难以做成大功率电源。即使能做出,对于电镀附加值低的镀种(如镀锌、镀铜等)而言,也无法承受。
迄今为止,脉冲电镀也多仅限于小功率贵金属电镀或国防、科研特殊用途及某些特定工艺,工业化推广应用相当困难。
8.2.2 难于确定最佳参数
在使用脉冲电源时,对某一具体工艺而言,其频率、占空比、峰流(或峰压)等多个参数,到底确定成什么组合才能达到最佳效果或赋予镀层某一特定性质,需要大量试验来确定。河北邯郸大舜电镀设备厂是国内较早开发、生产工业应用脉冲电源的厂家。他们在推广脉冲电源时最头痛的是用户要求提供具体工艺的最佳脉冲参数。而电镀工艺又五花八门,作为电源生产厂,不可能附设一个庞大的电镀工艺研究所来做这项工作。对于应用单位,只能大量参考脉冲电镀研究文献,对已研究透彻的具体工艺,照搬研究成果应用,其局限性很大。
8.2.3 脉冲镀所用添加剂尚不完善
脉冲镀时,瞬时高阴极电流密度会促进常规有机添加剂的分解,分解产物积累过快。有人认为,脉冲镀工艺不适于采用有机添加剂。而现代电镀中有机添加剂又不可或缺。国外还在对脉冲镀专用添加剂作大量研究,其研制难度相当大,而困内的研究还很薄弱。