2011 电镀工艺学第7章 7.5 脉冲电镀.pptVIP

7.5 脉冲电镀 一、脉冲基本概念 脉冲电流可调参数: 电流波形 电流密度jp、 脉冲导通时间ton、 脉冲关断时间toff 脉冲电源电流的波形: 方波（或称矩形波）、 正弦半波、 锯齿波 间隔锯齿波等 一般镀单金属以方波脉冲电流为好。 脉冲周期 ? = ton+toff 脉冲频率 f = 1/ ? 占空比??: 导通时间与周期之比为占空比 ? = ton/(ton+toff) ×100% 脉冲峰值电流密度 jp = jm / ? 平均电流密度 jm = jp × ? 脉冲电镀所依据的电化学原理： 利用电流（或电压）脉冲的张弛来增加阴极的活化极化和降低阴极的浓差极化 如果使用导通时间很短的短脉冲（导通时间选在微秒级），则可使用非常大的脉冲电流密度，这将使金属离子处在直流电镀时实现不了的极高过电位下沉积，其结果不仅可以改善镀层的性质，而且还可以降低析氢等副反应所占的比例。 脉冲电镀的方式：恒电位脉冲、恒电流脉冲、周期反向脉冲电镀、 恒电位脉冲：需引进一个参比电极用来控制阴极的电位，即采用三电极系统。 优点：电流效率和合金组成易控制，电镀过程中无需因镀件的增减而调节电流。 缺点：仪器制造方面存在较大困难。另外，当电流脉冲终结时，需重新达到起始电位，如果该电位与电极/镀液界面的静态电位相近,沉积金属有可能溶解。 恒电流脉冲电镀： 优点：无需引入参比电极，这在实践上比较简单。如果脉冲的通、断时间选择合适且镀液电阻可以忽略，既不受电阻和电容效应的影响，那么恒电流脉冲能够在瞬间达到最大值，从而能够充分发挥脉冲电镀对镀层物理化学性能的有利影响。因此，通常采用恒电流脉冲电镀。 周期反向脉冲电镀是在正向脉冲(阴极脉冲)后紧接一个反向脉冲(阳极脉冲)。其中，正向脉冲的持续时间长而反向脉冲的持续时间短。例如正向脉冲电流的持续时间为秒级，则反向脉冲电流的持续时间为百分之一秒或毫秒级。但是，正、反向脉冲电流的幅度通常是相等的。 和直流电镀相比，脉冲电镀有以下优点： （1）改变镀层结构，晶粒度小，能获得致密、光亮和均匀的镀层。 （2）改善了分散能力和深镀能力。 （3）降低镀层孔隙率，提高了抗蚀性。 （4）降低了镀层内应力，提高镀层韧性。 （5）减小或消除氢脆，改善镀层的物理性能。 （6）减少添加剂的用量，降低镀层中杂物质含量，提高了镀层的纯度。 （7）降低浓差极化，提高阴极电流密度，可以提高沉积速度。 采用脉冲电镀可用比较薄的镀层代替较厚的直流电镀层，节约了原材料，尤其是在节约贵重金属方面具有很大的潜力。 脉冲电镀的主要用途是贵重金属，如镀金、镀银、其次是镀镍，也有镀锌和将直流与脉冲电流叠加用于铝的阳极氧化。 脉冲电镀作为镀槽外控制电极过程的手段，为电镀技术的发展开辟了新的途径，但是。 脉冲电镀也有一定的局限性： （1）脉冲通断时间的选择受电容效应的影响 （2）脉冲电镀的最大平均沉积速度不能超过相同流体动力学条件下直流电镀的极限沉积速度。 二、脉冲电镀过程中金属的电结晶 在脉冲电镀条件下，金属的电结晶过程与在直流电镀时的规律是一样的，在电流导通时，由于峰值电流密度比直流电镀时的电流密度高得多，从而导致高的过电位，结果使成核几率大大提高，使得沉积层的晶粒细化。如果导通时间选择适当，当阴极表面附近金属离子浓度降到最低点时，电流关断，金属电结晶过程中止，这样就避免了浓差极化对电结晶过程的影响，从而得到细致光滑的金属层。 1. 脉冲电流密度的影响 脉冲电镀时采用的平均电流密度通常都不超过在相同条件下直流电镀电流密度的极限值。这样，在每个脉冲结束时，其扩散层中的离子不致过度消耗。 在平均电流密度不变的条件下，峰值电流密度越大，晶粒的尺寸越小，沉积层也就越细致光滑，孔隙率也相应降低。因此，在选定ton和toff及保持jm/jp≤0.5的前提下，选择jp越大越好。 2．脉冲关断时间toff的影响 在对一些金属（铜、银、金）脉冲电镀层的扫描电镜照片中发现，在给定的脉冲幅度和长度条件下，随着关断时间的增加晶粒长大。这可用在关断时间内发生了晶粒的重结晶来解释。从热力学知道，晶粒越大越稳定，如果体系有足够的时间，将达到最稳定状态。 3. 脉冲导通时间的影响 （1）当jm和toff维持恒定时，改变ton将使jp发生变化 （2）当jp和toff维持恒定，延长脉冲导通时间，一方面将增加沉积金属量对吸附物质量的比率，其结果是降低了有效的阻化作用，从而降低了干扰晶粒生长的作用，并降低了晶核形成速率，导