脉冲电镀电源的工作原理及技术研究

　　3.2 电流波形

　　周期换向脉冲电流的波形一般有以下几种：

　　3.2.1 有关断时间的单个脉冲换向

　　一个正向脉冲之后紧接着一个反向脉冲，其波形，如图3所示。

　　这种波形兼有脉冲和换向的优点，但缺点是调节参数时，正、反向脉冲的导通、关断时间选择与正、反向脉冲的持续时间选择发生冲突。因此，这种形式若作为槽外控制改善镀层质量的手段，其功能极不完善，在实际生产中极少应用。

　　3.2.2 无关断时间的单个脉冲换向

　　一个无关断时间的正向脉冲后紧接着一个无关断时间的反向脉冲，其波形，如图4所示。正、反向脉冲持续时间通常在ms级，（如正向20ms，反向1ms），这种波形通常也称为方波交流电，与普通正弦波交流电波形相异，但频率大致相同，约50Hz左右。这种波形正向脉冲持续时间长、幅度小，反向脉冲持续时间短、幅度大，其反向脉冲的不均匀电流密度分布补偿作用较明显，改善镀层厚度分布的效果较明显。其适用于对镀层均匀性要求较高的电镀场合（如印刷线路板镀铜，可明显缩小孔内、外镀层厚度比）。但因其脉冲无关断时间，且频率较低，改善镀层结晶的效果尚不理想，因此不宜用于（尤其对镀层结晶要求较高的）贵金属电镀。

　　3.2.3 脉动脉冲换向

　　一组正向脉冲之后紧接着一组反向脉冲，即：正、反向脉冲均为群波而非单个波形，其波形，如图2所示。

　　这种波形为典型的周期换向脉冲波形，在功能性电镀生产中应用最广泛。相对于有关断时间的单个脉冲换向，其克服了正、反向脉冲的导通、关断时间选择与正、反向脉冲的持续时间选择发生冲突的缺点。相对于无关断时间的单个脉冲换向，其克服了脉冲无关断时间、改善镀层结晶不理想的缺点。所以，脉动脉冲换向同时具有改善镀层厚度分布和改善镀层结晶状况的双重效果。

　3.2.4 多组脉冲换向

　　多组脉冲换向简称多脉冲，其波形，如图5所示。它是在脉动脉冲换向的基础上增加可编程序功能，在每一个程序或时段内采用的脉冲参数可各不相同。而普通的脉动脉冲换向，其各项参数调节好后，直到电镀过程结束，便不再改变。

　　多组脉冲换向的优点如下：

　　（1）各层间应力相互抵消，镀层脆性下降，抗疲劳强度增强;

　　（2）各层间多次重叠，则镀层孔隙率降低，致密性、耐蚀性提高;

　　（3）各层间组分不同，有可能产生奇异的效果。

　　4middot;脉冲电镀电源

脉冲电镀电源是产生脉冲电流的电源，它一般先由基础直流电源产生低纹波直流电流，然后再通过功率器件斩波形成脉冲电流。斩波电路可采用可控硅电子开关电路和晶体管转换开关电路等。

　　4.1脉冲电镀电源的波形

　　图1为理想的方波脉冲电流波形，但由于受脉冲电镀电源内部电感、电容等器件及外加负载的影响，实际应用中的脉冲波形不可能如图1所示。实际脉冲电镀中的电流波形近似于梯形，可简单地用图6中的波形来表示。

　　在电镀体系中，电极/溶液界面间的双电层近似于一个平板电容器，板间具有很高的电容。当向该电镀体系施加脉冲电流时，必须首先给双电层充电。双电层充满电（脉冲电流密度从零增至峰值）需要一定的时间tc，脉冲电流密度不可能从零垂直增至峰值，而是需要一定的“爬坡”。“爬坡”所需要的时间可简单地视作脉冲的上升时间（确切的脉冲上升时间定义：脉冲电流密度由峰值电流密度的10%上升到90%所需要的时间），上升时间也称作“上升沿”、“前沿”、“上冲”等。

　　当脉冲电流密度“爬坡”至峰值并持续一段时间tb后，开始进入关断期。进入关断期后，脉冲电镀电源虽然停止向该电镀体系供电，但双电层放电（从满电释放至零）会使电流维持一段时间td。所以，此时脉冲电流密度不可能从峰值垂直下降至零，而是需要一定的“下坡”。“下坡”所需要的时间可简单地视作脉冲的下降时间（确切的脉冲下降时间定义：脉冲电流密度由峰值电流密度的90%下降到10%所需要的时间），下降时间也称作“下降沿”、“后沿”、“下冲”等。

　　正是由于脉冲前、后沿的客观存在，使实际脉冲电镀中的电流波形不可能是理想的方波，而是一种不规则的近似于梯形的波形。目前尚无法确知前、后沿对镀层质量的影响有多大，但可确知其存在会使脉冲电镀瞬时高电位的有利作用得不到充分发挥。所以，脉冲电镀中总是要求脉冲前、后沿尽可能小，一般要求前沿20~100μs，后沿30~100μs。其实，不应只要求前、后沿大小，避免前、后沿大于（或等于）导通、关断时间也很必要。否则，若前沿（远）大于导通时间，后沿（远）大于关断时间，则镀槽内只能得到在平均电流附近变化的脉冲电流，即：脉冲电流实际变成了直流电流，其波形，如图7所示。

　　4.2 脉冲电镀电源的频率

　　一般高频脉冲定义为频率大于5000Hz，低频为频率小于500Hz，中频则在500~5000Hz之间。用于电镀的脉冲电源多属于中频类型［2］。当使用频率较低的脉冲电源时，其改善镀层质量的效果会稍差。所以，低频脉冲电源多用于阳极氧化或其他工艺，而较少用于电镀，尤其是贵金属电镀。当使用频率较高的脉冲电镀电源时，脉冲前、后沿极易对导通、关断时间造成严重影响，从而影响脉冲电镀瞬时高电位有利作用的充分发挥。例如：脉冲镀金，频率5000Hz（此时脉冲周期0.2ms），占空比20%，则导通时间为40μs，此时，假设脉冲前沿为最小的20μs（实际可能更大），则其比例至少占到了导通时间的50%;若频率大于5000Hz，占空比小于20%（脉冲镀金时占空比很多时候选10%），则前沿占导通时间的比例会更大，甚至前沿会大于导通时间，如此，脉冲电镀改善镀层结晶的作用肯定会受到严重影响。实际脉冲电镀贵金属生产中，频率多在1000Hz左右。

　　当使用频率更高的脉冲电源（上万或几万Hz）时，其输出的电流多是如图7所示的电流波形，实质是一种直流电流，与能够改善镀层结晶的方波脉冲电流有本质的区别。

　　4.3 脉冲电镀电源使用注意事项

　　（1）脉冲电镀电源与镀槽间导体的连接

　　脉冲电镀电源与镀槽间连线的电感阻滞了电流变化，导致通过镀槽的脉冲电流上升时间延缓，引起脉冲波形畸变。采用短、粗、根数多的电缆线，且阴、阳极电缆线相绞而用，可尽量抵消电感效应，减小脉冲波形失真度，提高镀层质量。

　　连线一般要求不超过2m，这使得脉冲电镀电源距离镀槽较近，从而增加了电源受腐蚀的几率，使设备可靠性降低（脉冲电源比普通电源更不耐腐蚀）。比较可行的