时间：2023-09-28 09:30:52
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇电子电镀技术，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：集成电路；电镀；磷铜；阳极；
中图分类号：TQ153.1
Phosphorized Copper Anode in ULSI and studies on related problems
GAO Yan1,2，WANG Xin-ping1,2，HE Jing-jiang1,2，LIU Hong-bin1,2，JIANG Xuan1,2，JIANG Yu-hui1,2
（General Research Institute for Non-ferrous Metals, Beijing 100088，China）
（GRIKIN Advanced Materials Co., Ltd., Beijing 102200，China）
Abstract: With the development of semiconductor technology, copper interconnect is popular technology in VLSI. Damascence process is used to plate copper. The phosphorized copper anode plays an important role in plating solution. The article analyzes the Influence factors of plating quality which is the content of phosphor and oxygen, purity and grain size.
Key words: IC；plating；phosphorized copper；anode
1 前言
电镀铜层因其具有良好的导电性、导热性和机械延展性等优点而被广泛应用于电子信息产品领域，电镀铜技术也因此渗透到了整个电子材料制造领域，从印制电路板（PCB）制造到IC 封装，再到大规模集成线路（芯片）的铜互连技术等电子领域都离不开它，因此电镀铜技术已成为现代微电子制造中必不可少的关键电镀技术之一。大规模集成电路中广泛采用电镀铜工艺，制备铜互联线。因此铜的电镀工艺，以及电镀阳极的选择越来越成为集成电路行业关注的焦点。
2 集成电路的电镀铜工艺及磷铜阳极
2.1 集成电路的电镀铜工艺
在大规模集成电路行业中，由于铜的刻蚀非常困难,因此铜互连采用双嵌入式工艺,即双大马士革工艺（Dual Damascene）。该工艺是在刻好的沟槽内先溅射扩散阻挡层和铜种籽层, 然后通过电沉积（电镀）的方法在沟槽内填充铜,最后采用CMP（ 化学机械抛光） 的方法实现平坦化（图1）。
电镀铜是完成铜填充的主要工艺（图1中③），该工艺要求在制备超微结构刻槽的铜连线过程中电镀铜必须具有很高的凹槽填充能力，因此就对电镀过程中的电镀阳极，电镀液，有机添加剂等的要求很高，特别是电镀用磷铜阳极的要求就更高。
集成电路用磷铜阳极通常是由高纯磷铜合金构成；铜电镀液通常由硫酸铜、硫酸和水组成。在电镀溶液中,当电源加在带有铜种子层的硅片（ 阴极） 和磷铜（ 阳极） 之间时, 溶液中产生电流并形成电场。然后，磷阳极的铜发生反应转化成铜离子和电子,同时阴极也发生反应,阴极附近的铜离子与电子结合形成镀在硅片表面的铜,铜离子在外加电场的作用下,由阳极向阴极定向移动并补充阴极附近的浓度损耗,如图2所示。电镀的主要目的是在硅片上沉积一层致密、无孔洞、无缝隙和其它缺陷、分布均匀的铜。电镀后的表面应尽可能平坦, 以减少后续CMP 工艺中可能出现的凹坑和腐蚀问题[1]。
2.2 电镀铜工艺为何使用磷铜阳极
在早期的电镀过程中，采用的是纯铜作为阳极，由于电镀液中含有硫酸，使得纯铜阳极在电镀液中溶解很快，导致电镀液中的铜离子迅速累积，失去平衡。另一方面纯铜阳极在溶解时会产生少量一价铜离子，它在镀液中很不稳定，通过歧化反应分解成为二价铜离子和微粒金属铜，在电镀过程中很容易在镀层上面成为毛刺。为消除阳极一价铜的影响，人们最早使用阳极袋，但很快便发现泥渣过多妨碍了镀液的循环。后改用无氧高导电性铜阳极（OFHC），虽然泥渣减少了，但仍不能阻止铜金属微粒的产生，于是又采用定期在镀液中加入双氧水使一价铜氧化成二价铜，但此法在化学反应中要消耗一部分硫酸，导致镀液中的硫酸质量浓度下降，必须及时补充，同时又要补充被双氧水氧化而损耗的光亮剂，增加了电镀成本。
1954年美国Nevers等人[2]在纯铜中加入少量的磷作阳极时，发现阳极表面生成一层黑色胶状膜（Cu3P），在电镀时阳极溶解几乎不产生铜粉，泥渣极少，零件表面铜镀层不会产生毛刺。这是由于含磷铜阳极的黑色膜具有导电性能，其孔隙又不影响铜离子自由通过，加快了一价铜的氧化，阻止了一价铜的积累，大大地减少了镀液中一价铜离子；同时又使阳极的溶解与阴极沉积的效率渐趋接近，保持了镀铜液中铜含量平衡。美国福特汽车公司使用这种含磷铜阳极的经验证明既保证了镀铜层质量，又节约电镀光亮剂了20％，降低了成本。从此以后，磷铜阳极在酸性镀铜行业中被广泛采用了，然后又逐渐被集成电路行业大规模使用。
3 影响集成电路
用磷铜阳极性能的主要因素
影响集成电路用磷铜阳极性能的主要因素有：磷含量，原料铜的纯度，氧含量和晶粒尺寸。
3.1 磷铜阳极的磷含量
磷能够赋予铜阳极优良的电化学性能。添加磷元素后，铜阳极表面生成一层具有特殊性能的黑色阳极膜。保加利亚学者Rashkov等人[3]研究了这种阳极表面黑色膜，主要成分是Cu3P，其具有金属导电性能，这样就解释了黑色膜不会使阳极钝化的原因。他们认为磷的作用在于含磷铜阳极溶解时产生的一价铜生成Cu3P，从而阻止了歧化反应的产生。
阳极中磷的含量应该保持适当，磷含量太低，阳极黑膜太薄，不足以起到保护作用；含磷量太高，阳极黑膜太厚，导致阳极屏蔽性钝化，影响阳极溶解，使镀液中铜离子减少；无论含磷量太低或太高都会增加添加剂的消耗。
关于集成电路用磷铜阳极中磷的含量，根据所采用的加工工艺，以及生产技术水平不同，各研究学者的意见也不同，如表1所示。
阳极的磷含量国内多为0.1-0.3%，主要是由于国内生产设备和工艺落后，搅拌不均匀，不能保证磷元素在阳极内部的分布均匀，因此只能够加入过量的磷来保证元素分布。国外的研究表明，磷铜阳极中的磷含量达到0.005%以上时，既有黑膜形成，但是膜过薄，结合力不好。但是当磷含量超过0.8%时，磷含量又过高，黑膜太厚阳极泥渣太多，阳极溶解性差，导致镀液中铜含量下降。因此，阳极磷含量以0.030－0.075%为佳，最佳为0.035－0.070%。国外采用电解或无氧铜和磷铜合金做原料，用中频感应电炉熔炼，原料纯度高，磷含量容易控制。采用中频感应，磁力搅拌效果好，铜磷熔融搅拌均匀，自动控制，这样制造的铜阳极磷分布均匀，溶解均匀，结晶细致，晶粒细小，阳极利用率高，有利于镀层光滑光亮，减少了毛刺和粗糙缺陷[2]。
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随着大规模集成电路引入酸性电镀铜技术的发展，晶圆上的更细线宽、更小孔径、线路的密集化和多层化对铜镀层的要求就越来越严格。镀层的硬度、晶粒的精细、小孔分散能力以及镀层的延展性等物理化学特性要求磷铜阳极的质量更加的精细。同时由于电镀槽的实时监控系统和各性能参数的SPC控制，要求磷铜阳极的稳定性就越来越高。目前国际上主流集成电路用磷铜阳极的磷含量通常要求为0.04－0.065%，这样减少了磷元素的波动，使得电镀阳极的物理化学参数波动更加小，更加可控。但是，这对熔炼、锻造等加工工艺的要求也就更高了。目前对于装备精良，工艺设计稳定的现代化加工企业来说，是完全有能力将集成电路用磷铜阳极的磷含量控制在0.04－0.065%的。
3.2 磷铜阳极的纯度
对于每一种阳极，电镀公司都希望阳极是由高纯铜制备而来的，但是往往受到价格和产品要求等因素的影响。常规的磷铜阳极都是采用电解铜、无氧铜和磷铜合金来制备的。无氧铜的含氧量为3ppm，杂质极少。由于氧含量极低且固定，因此基本不产生磷的氧化物，基本不消耗磷，所以磷含量很容易控制，电解铜的纯度一般为99.95%,杂质含量也很少，也容易控制，所以国内外不少厂家采用电解铜为原料。但是，制备磷铜阳极一定不能采用杂铜或回收铜为原料，因为回收的废铜内部杂质种类很多，往往含有过量的铁、镍、锡和银等元素，这些元素过多将污染阳极，从而影响电镀效果。同时，由于氧含量不确定而含磷量又加得少，造成磷含量失控，严重者导致电镀报废。
对于集成电路用磷铜阳极来说，由于使用的环境更加苛刻，要求的电镀效果更加精细，就要求阳极通常都是由高纯铜（铜含量大于99.99%）来制备的。这样才能够保证后续加入磷铜中间合金不会明显影响杂质含量，满足集成电路电镀的要求。表2列出了国内的几家主要的磷铜阳极生产厂家的产品和集成电路用磷铜阳极对于杂质含量的要求。如表2可知，国内的生产厂家在杂质含量的控制上各有不同，但都无法满足集成电路用磷铜阳极的要求。集成电路用磷铜阳极相较与普通阳极，要求控制的杂质种类更多，更加苛刻。对于铜原料纯度的要求要高出普通阳极至少一个数量级以上。
3.3 磷铜阳极的晶粒尺寸
随着集成电路封装和晶圆电镀铜的发展，除了要求电镀过程中形成一层致密、均匀、无空洞和无缝隙的铜镀层外，还要求通过电镀来解决高厚径比结构、微通孔和多层通孔电镀的问题。这就要求磷铜阳极的晶粒尺寸要细小均匀，同时磷含量分布均匀。因为只有这样才能保证黑色的Cu3P镀膜均匀，从而保证在相同电流和酸性环境条件下，Cu2+ 的电离以及结合均匀，形成均一的镀膜。
Kenji Yajima[10] 等人认为电镀阳极的晶粒尺寸和大小在电镀过程中对黑膜的影响很大，但它最好为再结晶结构，这样方便黑膜的形成。小的晶粒尺寸无疑是最优的模式，特别是晶粒尺寸小于10μm是最优的尺寸，但是考虑到成本的因素，平均晶粒尺寸在10－50μm都是比较好的。再结晶后平均晶粒尺寸如果超过50μm，阳极表面形成的黑膜趋向于分离。因此最优的晶粒尺寸应为15－35μm。
图3显示了不同晶粒尺寸的集成电路用磷铜阳极的微观组织照片。由于磷的质量百分含量都约为0.05%左右，因此磷元素都以固溶的形态存在于基体中。晶界上没有明显的第二相或其它组织，因此是典型的纯铜微观组织结构。在图3（a）中可以看到不同的晶粒尺寸，有的很小约几微米，有的很大约几百微米，这样的组织结构是非常不均匀的，可能导致富含在晶内或晶界的P元素分布很不均匀，从而导致在电镀过程中Cu3P黑膜的膜厚不均匀，影响电镀效果，因此这样的组织是要尽量避免的。图（b）和图（c）的平均晶粒尺寸分别为10μm和42μm，而且从金相组织照片看，晶粒分布均匀，方向随机，这样的组织使得P元素的分布均匀，Cu3P黑膜的膜厚均匀，电镀效果会非常好。图（d）的晶粒尺寸约为158μm，由于晶粒过大，很容易引起Cu3P黑膜不够致密，这样使得Cu2+ 的电离速度不相同，引起镀层不够致密，厚度不够均匀，此类组织也不是最佳的组织结构。
在制备磷铜阳极的过程中，由于通常都采用的高纯铜进行熔炼，在凝固过程中，由于杂质含量少，往往形成大晶粒尺寸的磷铜铸锭。然后，再通过塑性变形和热处理结合的方法来细化晶粒尺寸，以满足集成电路行业的要求。
3.4 磷铜阳极中的含氧量
磷铜阳极中本身不希望含有大量的氧，因为当氧含量高时，极易生产Cu2O和CuO的两种化合物，会导致Cu2O和CuO分布于晶界处，分布不均匀，影响电镀效果。由于含氧量的不均匀，会导致磷铜阳极电解时产生阳极钝化，使得阳极失去了原有的特性，电镀平衡破坏，影响电镀质量。因此，专利[10]认为，如果O含量高于2ppm, 电极表面的黑膜，很容易受到破坏，而O含量小于0.1ppm时，从生产的角度和成本控制的角度来说，都过高。因此集成电路用磷铜阳极的氧含量在0.1－2ppm比较合适，最优的氧含量为0.4-1.2ppm.
4 结论和展望
采用双大马士革工艺（Dual Damascene）制备的集成电路互连线要求的磷铜阳极必须具备如下条件：① 磷元素的含量在0.04%－0.065%，且分布均匀。②制备的磷铜阳极的高纯铜原料至少保证纯度大于99.99%。③磷铜阳极的最佳晶粒尺寸为小于50微米，且晶粒尺寸均匀无分层。④磷铜阳极的含氧量在0.4-1.2ppm为佳。
集成电路互连线用磷铜阳极的研究正在朝着大尺寸、长寿命和低消耗的方向发展。还有很多方面都有待研究：如何通过合理的熔炼方式、冷却方式和热处理方式保证磷元素的分布均匀；如何通过合理的变形工艺和热处理工艺，保证晶粒尺寸的细小，均匀，无明显的分层现象；如何合理的设计阳极的表面形状，增大溶液接触面积，保持电镀液的稳定性；如何通过调整电流参数、添加剂、硫酸和硫酸铜等参数来得到低电阻、高致密度和平整的镀层等。
参考文献
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作者简介
关键词：粉末冶金 碳纤维铜基复合材料 摩擦性能 强度 电导率
引 言
随着现代科学技术的迅速发展，特别是航天航空技术的发展以及微电子工业的发展，对材料提出了日益增高的性能要求。如在宇航的动力构件中，必须用比强度，比模量高的材料制造；又如宇航飞行器在温度变化很大的环境中工作等，这些都给构件材料提出了更高的性能要求。而单一金属材料已很难满足这些要求，因此，人们越来越多地借助于复合材料来克服单一材料性能上的局限性，获得各种特殊的综合性能。
碳纤维增强铜基复合材料兼顾碳纤维和铜基体材料的性能而成为更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功能材料。由于具有高温性能好，比强度高，比模量高，导电、导热性能好，横向力学性能，层间剪切强度高，不吸湿、不老化等优点，使得此类材料已成为当今材料界研究的热点之一。
Cf-Cu复合材料的制备工艺主要有热压固结法、粉末冶金法、挤压铸造法、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法等，为了获得更高的热导率及较好的减摩、耐磨性能，本文采用粉末冶金法制备Cf-Cu复合材料。该类材料由于具有摩擦磨损性能好，比强度高，热导率高等优点，在减摩、耐磨材料中应用非常广泛。文中主要工作是研究Cf-Cu复合材料在电镀铜和电镀镍的情况下，添加剂钛粉对它的摩擦性能、强度及电导率的影响。
1、实验部分
1.1 实验原料
碳纤维（吉林碳素厂生产的PAN碳纤维）、铜粉（国药集团化学试剂有限公司生产）、钛粉、镍
1.2 实验设备
SXZ-10-12型箱式电阻炉、摩擦机
1.3 实验方法
1.3.1 Cf-Cu复合材料的制备
为了克服碳纤维和铜化学相容性差及二者不润湿也不反应的缺点，使得铜与碳纤维之间的界面结合力更强，首先在碳纤维表面镀铜处理，以增强碳纤维与铜基体的复合，再将经过电镀铜处理的碳纤维切割成短碳纤维，随后与铜粉按一定质量比均匀混合，压制成型，最后将坯体放入上海实验电炉厂生产的SXZ-10-12型号箱式电阻炉中处于真空状态下进行烧结，得到Cf-Cu复合材料。
1.3.2摩擦性能的测试
把压制好的柱状试样安放在摩擦机上并用螺钉固定，先进行干磨，每个试样磨5次，每次磨的时间为半个小时，磨完后把试样取出用洗衣粉清洗干净，然后再用纯水清洗，随后放入装满酒精的烧杯中浸泡5分钟取出，用纯水冲洗干净完后放入烘干箱中烘烤10分钟，最后取出让它空冷后，放入电子光学天平（型号MP100010最小精度为0.0001g）中称量出干磨完后的质量。干磨示意图如图1所示。
把所有试样干磨完成后进行湿磨这样可以最大限度的减少误差，湿磨即在转轮下面放一盆机油，实验过程与干磨一样。湿磨示意图如图2所示。
1.3.3强度的测量
本次试验主要测量碳纤维增强铜基复合材料的抗弯强度（即挠度），试验方法采用三点弯曲法测量，由于试样是圆柱体形，体积较大，不容易直接在试样上测量其强度，所以首先在试样上切下一小块，再利用XQ-2型金相试样镶嵌机镶嵌好试样小块，将其磨成长15mm，宽8mm，厚3mm的长条状，最后放在自制测量设备上弯曲，记录螺钉往下拧的深度（即挠度值）。三点弯曲法测量强度原理图如图3所示。
1.3.4电阻率的测量
采用惠根斯电桥法测量电阻R（Ω），再由公式：R=ρ×L/S，可求得电阻率ρ=R×S/L，再由公式G=1/ρ，可求得电导率G。测量电阻时先将试样切下一小片，利用XQ-2型金相试样镶嵌机镶嵌好试样小片，把小片磨成厚度0.5mm，再采用线切割切下小片中间一小条（宽度1mm），这样制好的电阻样条就相当于一个小电阻。
2、实验结果讨论
2.1 添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的摩擦性能影响
以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，磨制时间（h）与磨损量（g）的关系曲线：
根据图4、图5可知，添加剂钛对电镀Ni处理的Cf-Cu复合材料在干磨时，坯体的重量在减轻，湿磨时，坯体的重量在增加，并且随着钛粉的加入，Cf-Cu复合材料的摩擦性能也在增强，从曲线图还可看出湿磨时，加入了添加剂钛粉的坯体的重量增加幅度较大。理论分析：a.在干磨时磨损了表面一层金属，使得重量下降，湿磨时虽然也会磨损，但由于坯体表面有裂痕，使得一部分机油会浸入坯体导致它的重量会随磨制时间延长而增加；b.添加了钛粉会促进铜基体与碳纤维的润湿，它可以使复合材料在烧结过程中由于扩散作用电子定向迁移的阻力减小；c.钛的加入在摩擦面上容易形成碳纤维膜，使磨损量减小。
根据图6、图7可知，钛粉对电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料在干磨时重量在减小，湿磨时重量在增加，但增加的幅度很小。当加入添加剂钛粉时，从图7还可看出，坯体的重量增加的较大。理论分析：a.在干磨时磨损了表面一层金属，使得重量下降，湿磨时虽然也会磨损，但由于坯体表面有裂痕，使得一部分机油会浸入坯体导致它的重量会随磨制时间而增加；b.添加钛元素是促进铜基体与碳纤维润湿的有效途径，它可以使复合材料在烧结过程中由于扩散作用电子定向迁移的阻力减小；c.钛元素在摩擦面上容易形成碳纤维膜，使磨损量减小；d.碳纤维具有耐磨损，热膨胀系数小，自和吸能抗震等一系列优点。
2.2 添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的强度性能影响
以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，碳纤维含量（%）与其强度（Mpa）的关系曲线：
从图8、9看出，1）在一定范围内不管是镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料，无论是添加钛粉还是不添加，它们的强度均随碳纤维含量的增加而增大；2）在镀镍处理的Cf-Cu复合材料中加入添加剂钛时，强度要比没有加钛时小，而在镀铜处理的Cf-Cu复合材料中相反。理论分析：a.碳纤维铜复合材料界面是一种以机械结合为主的物理结合，这种结合的界面结合强度低，但是在复合材料中镀镍或者镀铜处理，会使界面形成C-Ni或C-Cu互扩散结合特性。导致复合材料的强度增加；b.在电镀铜处理的Cf-Cu复合材料中钛元素与铜之间的润湿性更好。
2.3添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的电导率的影响
以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，材料中碳纤维含量（%）与其电阻率（欧米）的关系曲线：
从图10、11可以看出，1）无论是镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料的电阻率均随碳纤维含量的增加而增大。2）在碳纤维含量相同的条件下，不管在镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料中加入添加剂钛，复合材料的电阻率会减小。理论分析：1）在碳纤维铜复合材料中加入镍或铜元素时，一方面镍（铜）是金属元素，金属镍（铜）元素电离出自由电子导致自由电子密度的增加。另一方面复合材料的几何界面减少，对自由电子的散射减少。使得复合材料的电阻率增加。2）当加入钛粉时，钛元素会在镀层界面上对镀层金属电离出来的电子的散射起促进作用，导致复合材料的电阻率减小。
3、结论
（1）加入添加剂Ti粉后，碳纤维铜复合材料的摩擦性能增强。
[关键词] 电镀锡 设备 发展
中图分类号：TQ153.13文献标志码：B
前言：镀锡层具有易于电焊、防腐性强、装饰性强等优良性状，因此，许多公司把大量的资金投入到电镀锡工艺中。电镀锡机组成为投资热点后，相应的电镀锡工艺及设备也得到了进一步发展。虽然电镀锡的工艺不尽相同，但大致流程都分为开卷、焊接、脱脂、电镀、软熔、钝化、涂油、卷取这几步。通过电镀，松散的锡粒经熔化后结晶，使镀锡板表面光滑、色泽性能良好，具有较强的装饰性和实用性。在电镀锡工艺中，生产设备的好坏在很大程度上决定了电镀锡机组的运行速度和质量，因此关注电镀锡设备的发展十分必要。
1.电镀锡的发展概况
1.1电镀锡在日常生活及工业生产中的应用
电镀锡在日常生活及工业生产中有非常广泛的应用。例如，为防止钢材腐蚀，对钢材表面进行涂镀处理是使用得最广泛、最有效的方式。其中，对薄钢板涂镀应用得最普遍的有热镀锌板、电镀锌板、镀锡板等品种。尤其是镀锡板的应用技术，近年来发展迅速。锡镀层还广泛用于食品加工设备装运设备、泵部件、轴承、阀门、汽车活塞等。锡本身不溶于烯酸，特别是有机酸，不为食品中的酸腐蚀；锡是无毒金属，因而在罐头工业作马口铁的防腐蚀镀层，以及一些食品器具常常镀锡。锡镀层在食品加工业的应用是由于无毒性、良好延展性和抗蚀性。锡镀层优良的延展性可使镀锡金属板能加工成各种形状而不破坏锡镀层，锡镀层用于保护钢板必须是无孔隙的，否则，在潮湿空气中基底钢板将严重腐蚀。因此，在食品加工设备或装运容器中一般要求锡镀层厚度达到30um左右。
锡镀层广泛应用于电子工业是由于它能保护基底金属免受氧化并能保持基底金属的可焊性。此外，厚锡镀层也应用于某些机械工程中的泵部件和活塞环。由于锡优良的性，还可用作油井管道连接器的电镀。在这类应用中，为避免酸性镀锡可能产生的氢脆，通常采用碱性锡酸盐电镀工艺。
此外，在电子工业中，我们经常利用锡熔点低，具有良好的可焊接性、导电性和不易变色，常以镀锡代替镀银，应用于电子元器的表面防护。镀锡除提高可焊性外，还可隔绝绝缘材料中硫的作用。锡镀层还有其它多种用途，如将锡镀层在232℃以上的热油中重熔处理后，可获得光亮的花纹锡层，常作为日用晶的装饰镀层。
1.2 电镀锡生产的发展概况
据国际锡研究所的估计，今后几年电镀锡将以每年57%的速度增长，主要需求来自电子工业领域。结合不同镀锡工艺的优缺点及环保要求，今后电镀锡将逐渐转变为以硫酸盐、甲基磺酸盐等镀锡为主的镀锡方式，同时需要更新相应的设备。然而，由于收到生产设备和生产原材料的制约，电镀锡生产的发展受到了一定程度的限制，比如镀锡基板的严重缺少，我国能自供镀锡基板的企业只有很少一部分，其余镀锡板生产企业均要依靠进口基板，不但生产成本高，而且国外镀锡墓板资源有限，采购也愈来愈困难，削弱了我国镀锡板生产的竞争能力。另外，产品质量有待提高，生产设备仍需不断不更新。各地区电镀锡工艺的发展不均衡对我国整体电镀锡产业的发展带来了一定影响。
2.电镀锡的生产工艺流程及设备
2.1 电镀锡的生产工艺
总的来说，锡可以采用热浸镀、电镀和化学镀等方法沉积于基体金属。其中电镀法是三种方法中应用最广泛的。电镀锡有四种基本工艺，由于锡酸钾溶解度较锡酸钠高得多，故在高速电镀中常采用锡酸钾为主盐该工艺成为碱性锡酸盐工艺，酸性硫酸盐镀锡工艺操作温度一般在10～30℃，镀液中正二价锡离子较碱性锡酸盐中正四价锡离子的电化当量要高，因而沉积速度快，电流效率高，此外，还有酸性甲基磺酸盐工艺和酸性氟硼酸盐工艺用于电镀锡生产。
软熔电镀锡是电镀锡生产的重点内容，它与热镀锌板合金化有异曲同工之妙，与之相比镀锡板的软熔控制温度范围小，时间短，控制更难。软熔的电镀锡工艺流程为：助熔剂处理、软熔和淬火等。带钢在电镀段镀上锡层后，其表面呈乳白色，没有金属光泽。 在显微镜下观察，这种锡层是呈微粒状的锡粒，这时的锡粒与钢板附着力也较差。因此必须进行软熔处理以提高镀锡板的各项性能。首先，电镀锡后的钢带在经过装有稀释了的镀液的浸槽时，其表面沾上助熔剂，然后通过电加热的方式使钢带温度在数秒钟内迅速超过锡的熔点，带钢表面的锡层就会熔化并流动而产生金属光泽。最后浸入装有 60℃ 到70℃ 热水的淬水槽急速降至100℃ 以下，使之变成具有光亮表面的镀锡板。待钢出淬水槽之后进入钝化等其他处理段，最终完成生产。以下是两种主要的电镀锡设备的特点。
2.2软熔段的设备及其选型
软熔工艺段中助熔剂处理、软熔和淬火各工序都有相对应设备。助熔剂处理和淬火设备比较简单，这里不详述，加热设备是软熔段的是核心设备，是镀锡机组的重要组成部分。加热设备根据加热方式的不同有电阻加热、感应加热和联合加热之分。其中，电阻加热设备及其控制原理电阻加热就是通过导电辊在带钢两端施加交流电压，从而在带钢内部形成交流电流，利用带钢本身的电阻产生热量，对锡层进行加热。
3.电镀锡设备发展概况
3.1电镀锡设备发展现状
目前，我国电镀锡工艺发展迅速，也引进和自主研发了一些电镀锡设备，取得了不错的成绩，使得电镀锡的生产量逐年提高，为工业生产和人们的生活带来了很大益处，这些都体现出是电镀锡设备的不断发展。例如，首钢京唐、武钢、沙钢新上产线设备水平还是世界领先水平的，还有宝钢现有镀锡产线设备水平也是处于领先水平的。然而，我国的大多数电镀锡设备与发达国家的设备差距甚远。有一些企业为了节约生产成本，错误地引进将要报废的生产设备，使得电镀锡设备故障频发。另外，技术人员对已有设备的操作方法也不过了解，不能对电镀锡设备运用自如。当电镀锡设备在运行中出现故障时，很少有维修人员可以在最短的时间修好机器，使其恢复正常的工作状态。电镀锡设备的落后和设备操作的不熟练会直接影响电镀锡生产的效率，因此，有关电镀锡设备发展的问题必须受到重视。
3.2如何促进电镀锡工艺及设备发展
面对我国电镀锡工艺及设备发展的现状，国家政府应该采取相应的政策，促进电镀锡设备的革新。国家可以为电镀锡生产企业提供经济上的援助，督促他们引进先进的电镀锡设备，培养创新型人才鼓励设备革新。企业也应该引进电镀锡工艺专业的高素质人才，并对电镀锡设备操作人员进行定期的技术培训。国家和企业可以派遣一些人到国外学习先进设备的操作技术，并教授给企业其他技术人员，让每一名员工熟练地掌握电镀锡设备操作方法，以此提高电镀锡的生产效率。
4.结语
综上所述，电镀锡工艺的发展十分迅速，应用的范围也相当广泛。然而，我国目前电镀锡设备不够先进，技术人员对其操作的熟练程度仍有待提高。对此，相关企业应该及时更新电镀锡工艺生产基础设备，加强对技术人员的培训工作，努力提高电镀锡的生产速度和生产质量，为企业自身的发展、社会科技的进步、人民生活质量的提高做出贡献。
参考文献：
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【关键词】印制板 电镀铜 电子材料 铜箔粗化 PLC IC
1 引言
随着我国计算机电子信息技术的不断发展，电子材料领域涉及到的应用技术更加先进。电镀铜层有着良好的导电性、延展性与导热性，在电子材料行业应用广泛。电镀铜技术主要在印制电路板的生产制造中已经得到全面的应用，本文只简单描述。另外电镀铜技术在IC封装、超大规模PLC芯片铜互连技术中也得到了广泛应用，已经成为电子行业不可缺少的一种基础技术。我国的PCB生产位居世界前列，推动了电镀铜技术在我国的发展。随着对电镀铜技术的研究不断深入，目前出现了新型的多种电镀铜技术，开始进行实验并进入初步应用阶段。
2 电镀铜技术的优势与特点
在电子产品的应用过程中，印制板与IC封装中的质量问题最难分析，而且一般出现故障后维修难度最大，甚至直接报废处理。采用电镀铜技术可以有效避免问题发生的概率。通过对印制板与IC封装检测数据显示，使用电镀铜技术与之前采用的传统方法相比质量明显提升。这对于电子产品的寿命延长有着重要的意义。电镀铜技术中最为关键的是电镀铜镀液的成分组成。在上个世纪中期，电子行业多采用焦磷酸盐体系的镀铜，这种工艺的效果其实并不理想，而且镀液废水处理难度较大。电镀铜与传统的化学镀层方法相比，更加环保，而且成本更低，可操作性强。
3 电镀铜技术在铜箔粗化方面应用
在印制板制造过程中，要使用到铜箔，铜箔的表面要经过粗化处理之后，其表面才能够与绝缘基板间进行充分地结合，避免脱落。电镀铜在铜箔的粗化方面应用广泛。首先铜箔需要在低铜离子浓度、高电流密度条件下进行粗化处理，之后，在高铜离子浓度中进行固化处理。为了避免在电镀铜粗化过程中出现铜粉转移的问题，在粗化过程中要加入一定量的添加剂。添加剂量过少有会造成铜粉转移，导致铜箔与基板间结合度不够，在使用过程中会发生脱落的问题。除了印制板表面需要铜箔处理，在多层板的内部同样也需要铜箔的强化处理。在酸性硫酸盐电镀铜液中增加有机物，改变酸铜比与操作条件将会避免在黑化处理中产生的空洞问题，也就确保了层间的互连可靠性。
4 电镀铜技术在超大规模PLC芯片中的应用
目前在超大规模集成电路芯片中电子元器件的线宽已经降低到了亚微米级，而且根据摩尔定律，还会有进一步降低的趋势，这将会造成互连线的RC延迟与电迁移可靠与集成线路速度存在更大的矛盾。超大规模PLC芯片中多采用铝来作为互连线，但铝的导电性与抗电迁移方面不如铜材料好，IBM公司首先采用铜互连对铝进行取代，之后铜互连技术在我国绝大多数超大规模PLC芯片中得到广泛应用。铜镀层具有良好的导电性，倒装芯片FC载板上的电极通过突出点进行电镀金膜，与芯片上的铝电极进行连接。芯片中铜线宽已经由原来的0.25μm降低到了目前的0.09-0.15μm。在如此线宽的条件下多通过电镀铜技术的大马士革工艺技术实现。采用这一工艺技术可以有效避免裂缝现象的出现，另外可以实现线路与通孔的形成，具有沉积速度快，可操作性强。目前电镀铜技术已经成为超大规模PLC芯片互连的主要方法。
5 电镀铜技术在IC封装制作应用
在电子元器件的封装中，电镀铜技术也倍受关注。尤其是对于一些BGA的封装中都需要采用这种技术。IC封装载板采用覆晶薄膜载板，它是一种高密度的多层印制板，通过电镀铜层来对布线与交互连接。除了在IC封装中的应用，电镀铜技术还在PCB的孔制作过程中体现出了其工艺性与经济性。一张印制板上会有上千个过孔，这些过孔对各层的线路进行贯穿，同时还存在印制板表面的盲孔与内部的埋孔，每一系列的孔径与功能各不相同，位置也不同，孔内铜金属的质量将决定着印制板的层间电气互连。采用化学镀铜工艺可以形成厚度为0.5μm的镀层，之后再镀上较厚的铜层。但是这种工艺技术生产效率低，镀液不稳定，使用了一些致癌物质来作为还原剂，对操作人员的身体健康形成隐患。直接使用电镀铜工艺可以大大简化操作工艺，而且环保，适用性更强。
6 新型电镀铜技术介绍
随着现代社会对电子产品的质量要求不断提高，产品的生产工艺与材料需要不断进步。在电镀铜技术中，通过新型技术的应用，不断提高生产质量，创造更大的经济效益。目前较常见的电镀铜技术主要有脉冲电镀铜技术、超声波电镀铜技术与激光电镀铜技术。超声波产生的强大冲击波将会渗透到电极表面介质与空隙，形成彻底清洗作用，其空化作用会降低浓差极化，提高了极限电流密度，是较为先现代的一种生产工艺技术，最早起源于美国。超声波电镀铜技术在高密度多层印制电路微孔制作过程中作用明显。激光电镀层技术利用激光照射法在短时间内产生高温从而代替电镀铜液加热法，沉积的速度更快，是本体镀液沉积速率的1000倍。使用激光电镀铜成核速度更快，镀层的质量好，在未来将会在极微细电子加工领域得到广泛应用。
7 结语
随着人类需求的不断增长与科技的不断进步，高精度电子产品的制造难度不断增大。电镀铜技术通过在多个电子材料行业的应用体现出了极高的优势，也已经取得了良好的效果。电镀铜技术在筒箔粗化、IC封装等生产加工领域得到广泛的应用。随着电子产品的复杂性不断提高，采用传统的电镀铜技术已经难以满足生产需求。不断更新的电镀铜技术将会逐渐代替传统的技术方法，同时也不断提高着生产质量，推动现代电子科技行业的不断进步。
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作者简介
张长弓，男，四川省自贡市人，大学本科学历。研究方向为机械电子。
关键词：电镀；废水处理；技术研究
中图分类号：C35文献标识码： A
引言
按照全球水质问题进行统筹观察，有关我国管制流程下的壁垒限制效用也逐渐强烈。根据电镀废水组织形态观察，涉及特定污染强度与排量规模直接制约相关行业的长远发展趋势。后期经过实践研究，规划综合模式的化学絮凝处理手段，基本能够全面适应电镀废水简易处理的技术要求，并且整体布置流程下的相关成本价格较为合理，已经引起有关技术单位的全面重视。
一、电镀综合废水处理技术研究
电镀规范项目中，涉及锌合金材质的镀件混合比例已经占据整体废水量的60%以上，相关排放工序主要根据除油、清洗、合金电镀、磷化、水洗等搭接而成。因为内部重金属废水数量过大，除了匹配专用管道还原处理手段之外，仍需借助废液混合搭配技巧进行归控，保证投药沉淀的科学分离功效。
现下各类电镀厂在废水处理活动中普遍缺乏分流节点，尤其是后期工作站基本长期各自为阵，整体废水的不规则处理现象造成汗水治理工作遭受长期的瓶颈限制危机。在电镀废水内部，涉及不同等级的污染物质与排水管道之间衔接模式未免过于复杂，因此时常衍生排放超标结果。按照特定时段环保工作的规范力度分析，有关特定污水处理动力已经产生停滞征兆，加上改建资金数目的不足、技术规范体制的欠缺，都给设备正常工作能力造成深刻的限制，最终造成含金属离子污水处理危机的扩散现象。另外就是，有关厂家在规范管道架构流程中存在忽视态度，严重时容易引发污染物质泄漏危机，影响相关工序的布置时效。有关居民生活废水、工业酸碱、重金属废料都会经过城区总排放污口进行科学转接，因此此类节点内部污染元素相对复杂，同时产生强大的负荷效应，造成石油等污染物质的超标排放结果。
二、电镀废水处理工艺
1、流程设计规划
结合镀液废水调制工艺进行现场布置，首要任务就是联合各类污染物质进行清洁，稳定分流管道的优化质量，尤其注意氯化物与酸化曝化气法之间的协调作用，以及油类杂质表面活化剂的灵活乳化效应，科学维护细致化分离技术的标榜素质。
2、废水处理流程设计
有关特定设计能力暂且定位为单位每小时10m3，其中细化参数内容主要如下所示：首先，调节中心的废水保留时限维持在8h以内；其次，完善斜管沉淀结构建设工作时需预留0.5m超高范围，确保废水实际停留时间不会高于2h，相关负荷值应稳定在1.5m3之间；再次，板框压滤设备的过滤面积按照技术规定维持在30m2内；最后，在加药调试途径上采取间接式分散处理手段，主要配合硫酸进行铁粉还原搅拌处理，之后按照既定pH值测定原则进行絮凝结果提取，在保证沉淀速度加快的基础上，运用丙烯酰胺进行科学调试。
3、流程搭接机理解析
根据电镀废水内部镍、锌等重金属材质的酸碱性定位方法，实施氢氧化物絮状沉淀管理流程，具体化学方程式原理表现为：
M2++20H-=M（OH）2
结合链状高分子混凝搅拌工序进行相关污染物絮凝、沉淀比例校验，其中助凝剂的功效就是稳定元素吸附潜质，令絮凝力度不佳的矾花结构得到稳固；根据气浮分离流程验证，涉及压力容器与释放装置之间的气泡会粘附在絮凝产物之上，产生浮渣物质，对其提取之后进行脱水固化改造，之后能够有效调度中间水箱对水流的吸纳能效。
4、处理效果鉴定
运用化学絮凝手段进行电镀废水处理能够产生必要的调试成效，维护后期出水达标绩效，并且能够有效适应各类污水的调控要求；整体处理工序排列样式较为简易，制备结果优异，不会消耗大量的成本资金，后期可持续发展潜质优良；实际处理过后的水质校验结果已经留有60%数量能够达到生产回收标准。唯一的不足问题在于锌、铜等重金属物质不能得到全面清除，在实现后期科学利用流程中需要视现实情况进行合理调节，杜绝重复污染事件的滋生结果。
三、传统的电镀污水处理方法
1、物理方法
物理方法是利用物理作用分离废水中呈悬浮状态的污染物质，在处理过程中不改变物质的化学性质，如电镀废水中的除油蒸发浓缩回用水等一般用于处理含铬、铜、银及镍离子废水，但因能耗大、操作费用高而受到一定的限制，通常只作为其他工艺的辅助处理手段。
2、化学方法
电镀污水处理方法很多，但国内外目前占主导地位的仍然是化学法，化学方法就是向废水中投加化学药剂，通过化学反应改变废水中污染物的化学性质，使其转变成无害或易于与水分离的物质从废水中除去的处理工艺，由于其操作技术简单；效果稳定可靠；投资相对较少；适用范围较广，能承受高浓度和大水量的冲击，因而在不同类型和规模的电镀工厂得到了广泛的应用，传统的化学法处理电镀污水的缺点是受人为因素影响较大，因此必须进一步加以改进和完善。
3、物化方法
物化法是通过物理和化学的综合作用使废水得到净化的方法。主要有以下五种，即：气浮法；离子交换法；萃取法；活性炭吸附法；电解法。此外也有借助电解法原理用电浮选法除去废水中的金属离子。
传统的电镀污水处理方法是目前采用最多，也是应用范围最广，尤其是化学处理方法。它的可操作性实用性均很理想。但目前电镀废水的处理方法一般采用物化法之分流―综合两段处理。
四、电镀污水的最新处理方法
1、微生物法
采用从污泥中分离；筛选和驯化获取的高效复合厌氧功能菌来处理污水，是基于这样一个原理，即在微生物的菌胶团及生物膜形成的过程中，由于微生物在物理位置分布及空间结构联结上有差别，使菌胶团及生物膜表面常常带有负电荷，对重金属离子有很强的吸附能力；而且菌胶团（或死菌体）既可包藏金属离子，同时又具有良好的沉降特性，提高了对电镀污水的净化处理效果。微生物处理电镀污水是一项高新生物技术，与传统的理化处理技术相比，其优点是在运行过程中微生物具有不断大量“增殖”的特点。
2、多级间歇逆流清洗与污水综合处理相结合的闭路循环无排放技术
多级间歇逆流清洗技术是国际上公认的最节水的新技术，而化学法处理混合电镀污水又是公认的最可靠而经济的传统技术，将二者加以结合，再采用活性炭，离子交换等有效的净化技术，就能真正做到电镀工厂生产用水闭路循环无排放，为实现清洁生产创造条件。
3、CZB矿物法处理电镀废水
CZB矿物法是采用以纯天然矿物为原料，经过一定特殊工艺改性加工生产而成的专利产品NMSTA天然矿物污水治理和矿粉CC，在再辅加某些助剂对电镀废水进行混合处理的一种方法。
结束语
电镀废水分质、分流和分治是达标排放的基础，预处理-物化-沉淀分离处理电镀废水，出水重金属离子浓度可以稳定满足排放标准。电镀废水物化处理后可根据需要进行生化处理以满足COD、氨氮等指标达标排放。好氧生物处理需要严格限制进入生化处理系统的重金属离子浓度，避免微生物中毒。当采用反渗透膜法废水再生时，反渗透浓水可与富含有机物的前处理废水混合处理，即可去除有机物，也能降低废水中硫酸根并产生硫离子用沉淀重金属离子，可减少化学药品投加量，是电镀废水治理的发展方向。
参考文献
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关键词：PLC；自动化电镀生产线；生产线控制系统；系统硬件接线图；I/O端口分配表
中图分类号：TG356文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）05-0009-02
自动化电镀生产线在五金精密件生产、电子产品制造、首饰制造等领域应用得非常广泛，其控制部分常常采用PLC控制，它使自动化电镀生产线运行更加平稳，定位更加准确，功能更加完善，操作更加方便。本文介绍了德国西门子PLC S7-200在自动化电镀生产线控制系统中的应用，并从硬件和软件两方面进行了分析和研究。此自动控制系统已在营口北方五金电子有限公司得到了很好的应用。
一、系统概况
自动化电镀生产线是指按一定电镀工艺要求将有关镀槽、镀件升降装置、镀件传送装置、电气控制装置、检测装置、过滤设备、加热与冷却设备等组合为一体的多功能自动控制装置。通过电镀，可以在机械制品上获得装饰保护性和各种功能性的表面层，还可以修复磨损和加工失误的工件。镀层大多是单一金属或合金，如锌、镉、金或黄铜等，也有弥散层和覆合层。电解的基本材料大多为铁、钢、不锈钢等。
本系统电镀生产线采用了直线悬臂式行车，行车架上装有可升降的吊钩，行车和吊钩各用一台电动机控制，同时用变频器对电机平滑调速。当行车平移时，先快速，接近工位时转为慢速，当吊钩吊起工件时，先慢后快，下降时先快后慢，提高了定位的准确性和安全性。在定位轨上依照工位安装行程开关，行车的进退和吊钩的升降由行程开关来检测。为了简单说明行车在自动化电镀生产线中的工作过程，现将二十多个工位的流程简化为四个工位，具体分为上下料、前处理、镀槽和后处理工位。
工作过程如下：在电镀生产线首端，工人将零件装入行车的吊篮并发出自动启动信号，吊篮上升碰到上限行程开关停止，行车开始自动前进。按生产要求在需要停留的槽位上空停止，并自动下降，碰到下限开关停止下降。根据工艺要求在槽中停留一段时间后自动上升，如此完成规定的每一道工艺直至生产线末端，行车便自动返回原始位置，并由工人装卸零件。具体流程图如图1所示。在工作过程中，有自动和手动两种工作方式选择，操作方便。在多数情况下选择自动工作方式，在维修和特别处理情况下选择手动工作方式。
二、系统硬件设计
根据自动化电镀生产线的控制要求，我们采用了德国西门子PLC S7-200 CPU226型号，此类型PLC无论独立运行，还是联接网络都能完成各种控制任务。它的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的自动控制。其应用领域包括各种机床、纺织机械、塑料机械、电梯等行业。S7-200 CPU226通讯功能完善，具有极高的性能价格比是很突出的特点，也是我们采用它的主要原因。
PLC为此系统的控制核心，此系统的输入信号有两部分，一部分是原点、单周期、步进等面板控制按钮，另一部分是多种行程开关，这些面板按钮信号和传感器信号作为PLC的输入变量，经过PLC的输入接口输入到内部数据寄存器，然后在PLC内部进行逻辑运算或数据处理后，以输出变量的形式送到输出接口，从而驱动电机来控制行车的运行和吊钩的升降。
此系统PLC硬件接线图如图2所示，I/O端口分配表如表1所示。
三、系统软件设计
自动化电镀生产线的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为步进、单周期和连续操作方式。手动操作是指用操作接钮对系统的每一步运动单独进行控制。例如，当选择左右开关时，按下启动按钮，行车左行；按下停止按钮，行车右行。步进操作是指每按一次启动按钮，程序完成一步动作后自动停止。单周期操作是指从原点开始，按一下启动按钮，系统自动完成一个周期的动作后停止。连续操作是指从原点开始，按一下启动按钮，系统将自动地、连续不断地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，系统将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。此系统的整体程序结构如图3所示。若选择单操作工作方式，当按下单操作按钮I1.4，执行单操作程序。单操作程序独立于自动操作程序，可另行设计。在步进工作方式下，执行步进操作程序，按一下启动按钮I1.0执行一个动作，并按规定顺序进行。在单周期工作方式和连续操作工作方式下，可执行自动操作程序。当按下连续按钮I0.7和启动按钮I1.0后，中间继电器M1.0置位，连续执行自动操作程序。当按下单周期按钮I1.3后，中间继电器M1.0复位，执行一次自动操作程序就停止。在单操作程序、步进操作程序和自动操作程序中都必须使用中间继电器，最后通过转换能控制共同的输出继电器。
根据前面的系统控制要求和I/O分配表分析可得自动操作流程图如图3所示。具体的工作过程如下：当PLC运行时，初始脉冲SM0.1对状态进行初始复位。当系统在原点时，状态继电器S0.0置1，Q0.4得电，原位状态指示灯亮。接下启动按钮I1.0后，状态继电器S0.1置1，同时S0.0清零，原位状态指示灯熄灭，Q0.0得电，吊钩执行上升动作。当上升碰到上限位开关I0.0时，状态继电器S0.2置1，同时S0.1清零，吊钩停止上升，Q0.2得电，行车开始右行，当右行到XK1行程开关时，状态继电器S0.3置1，同时S0.2清零，行车停止右行，Q0.1得电，吊钩开始下降，当碰到下限行程开关I0.1时，状态继电器S0.4置1，同时S0.3清零，吊钩停止下降，镀件处于前处理槽中，定时器T37开始计时，15S后，定时满，T37常开触点闭合使状态继电器S0.5置1，同时S0.4清零，Q0.0得电，吊钩开始上升，重复执行上升－右行－下降－延时四个过程，具体操作省略，当在后处理槽30S后，定时器T39得电，状态继电器S1.5置1，同时S1.4清零，Q0.0得电，吊钩开始上升，当碰到XK3行程开关，状态继电器S1.6置1，同时S1.5清零，吊钩停止上升，Q0.3得电，行车开始左行，当左行碰到左限限位开关I0.2，状态继电器S1.7置1，同时S1.6清零，行车停止左行，Q0.1得电，吊钩开始下降，当碰到下限开关I0.1，吊钩停止下降。如果为连续工作方式，M1.0置1，状态继电器S0.1置1，重复执行自动程序。若为单周期操作方式，M1.0清零，状态继电器S0.0置1，停止在原位。
四、结语
PLC应用于自动化电镀生产线，提高了生产效率，降低了劳动强度，为了适应多种不同镀件的工艺要求，还可编入多套工艺流程，系统的灵活性和通用性强，设计周期短。此控制系统经过两年多的实际运行，具有可靠性高，易操作，易维护等优点，已取得了很好的经济效益，有着广泛的应用前景。
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关键词：微电子封装；TSV；金属化；键合；DRAM
引言
自1965年“摩尔定律”[1]提出以来，微电子器件的密度几乎沿着“摩尔定律”的预言发展。到了今天，芯片特征尺寸达到22nm，再想通过降低特征尺寸来提高电路密度不仅会大幅提高成本，还会降低电路的可靠性。为了提高电路密度，延续或超越“摩尔定律”，微电子制造由二维向三维发展成为必然。其方法之一就是将芯片堆叠以后进行封装，由此产生了三维电路封装技术（3D IC packaging）。三维电路封装技术中，芯片电极是通过金线键合的技术来实现电路的导通。如图1a所示，随着芯片叠层的增加，键合金线将占用大量的空间。同时由于连接的延长使得电路能耗升高、速度降低。因此，业界需要一种方法，能够使得硅芯片在堆叠的同时实现电路的导通，从而避免采用硅芯片以外的线路连接。传统半导体工艺主要是针对硅圆片表明进行加工并形成电路，而要实现硅芯片上下层之间的连接，需要一种能贯通硅芯片的加工工艺，即TSV技术（图1b）。早在1958年，半导体的发明人William Shockley，在其专利中就提到过硅通孔的制备方法[2]。而TSV（through-silicon via）工艺的概念在1990年代末才提出，香港应用技术研究院和台湾半导体制造公司于1998年申请相关美国专利[3，4]，而关于TSV技术最早的于2000年[5]。相比传统金线键合，TSV技术不仅能减少金线所占用的平面尺寸，由于减少了金线焊点使得Z轴方向达到最密连接，三维尺寸达到最小；同时TSV技术降低了连接长度，可有效降低芯片能耗，提高运行速度。
（a）金线键合技术 （b）TSV技术
TSV制造工艺分以下几个步骤，分别是：通孔制造，绝缘层、阻挡层制备，通孔金属化，芯片减薄和键合。总得来说TSV技术难度远大于传统金线键合技术。
1.1 TSV孔制造
虽然TSV称为硅通孔技术，但是在加工过程中大多数是对盲孔进行加工，只有在其后减薄阶段打磨芯片底部，露出填充金属，才使得孔成为真正的通孔。TSV工艺的第一步就是盲孔的制造（图2a）。TSV的盲孔制造有三种方法，分别是干法刻蚀、湿法刻蚀和激光钻孔。干法刻蚀是使用等离子气体轰击材料表面达到刻蚀效果的方法；而湿法刻蚀是使用化学溶剂来刻蚀材料表面。相比之下干法刻蚀具有刻蚀速率高、方向性好，可以制造大深宽比的孔、刻蚀速率可控性强等优点，但是相对成本较高，总得来说干法刻蚀是通孔制造中最常用的方法[6]。而激光打孔加工速率更高，但是由于热损伤使得通孔的精度下降，因此使用较少。
1.2 绝缘层、阻挡层制备
如图2 b所示，由于Si是半导体，通常在Si基体上沉积金属前都需要制备一层绝缘层，绝缘层为SiO2或SiNx，通过增强等离子体化学气相沉积（PECVD）方法制备。另外为了防止金属扩散进入基体，还需要在绝缘层上制备一层阻挡层。阻挡层通常由TiNx组成，通过有机金属化学气相沉积（MOCVD）制备。
1.3 通孔金属化
目前TSV金属化过程中最常用的金属是Cu。通孔金属化是TSV技术中的难点，其成本占TSV工艺成本40%以上。通常芯片制造中，金属导体层通过物理气相沉积（PVD）方法制备。相对只有几十纳米的导线，若宽度达到5～100m、深度达到50～30m的TSV通孔也用PVD方法制备，其所耗费的时间就是业界所不能允许的。因此TSV中通孔金属化通常是使用电镀的方法来进行。但是由于Si基体导电性差，不适合进行电沉积，所以金属化必须分两步完成金属化：先使用PVD方法沉积厚度为数个纳米的种子层（图2c），使得硅基板具有导电性，然后在进行电镀过程来完成金属化（图2d）。此方法与大马士革电镀相似。
与大马士革电镀不同的是由于TSV通孔通常深宽比较大，约在1：1与10：1之间。由于在电镀过程中孔口电力线比较密集，若采取传统电镀工艺，孔口将快速生长，导致孔洞闭合，使孔内难以得到金属沉积。因此TSV工艺中通常对镀液进行调整来满足工艺要求，即在镀液中添加加速剂、抑制剂和整平剂。最常用的加速剂是聚二硫二丙烷磺酸钠（SPS），SPS能在电镀中起到催化作用，提高Cu2+沉积速率[7]；最常用抑制剂为聚乙二醇（PEG），PEG的存在能较大的抑制电极的活性，从而降低沉积速率。最常用的整平剂为烟鲁绿（JGB）。由于PEG分子链较大，不容易进入通孔内部，从而容易聚集在孔口，使得孔口处金属生长得到抑制[8]。相反SPS由于分子量较小，更容易进入通孔内部，特别是聚集在通孔底部，使得通孔底部的金属生长得到加速。JGB在生产中是不可缺少的添加剂，它的存在有利于加速剂向微孔中传质[9]，同时JGB会与PEG纯在协同作用，将产生2倍于单独添加剂的抑制效果[10]。在加速剂、抑制剂和整平剂的共同作用下金属化过程自底部而上，使整个通孔都得到填充。
关键词：马口铁 镀锡 市场 技术
1 前言
随着国际环境管理标准ISO-14000 推行在即，具有低污染、可回收、节约资源特性的马口铁罐，在未来包装用途上，将有更宽广的发展空间，塑化剂风波之后，搅乱的不仅仅是增塑剂行业，也让饮料产业掀起轩然大波，同时还影响到食用油等行业。业内人士指出，铁包装是解决塑化剂问题最好的办法之一，无添加剂而且可回收利用。据悉，日本、韩国、美国、欧洲等国家在食用油等食品上早就使用铁包装。马口铁是铁包装的一种主要原料，俗称电镀锡薄钢板，是指两面镀有纯锡的冷轧低碳薄钢板或钢带。它将钢的强度、可加工性、可焊性与锡的耐蚀性（特别是耐食品的浸蚀）、无毒、可涂漆和美观装饰性结合于一种材料之中，具有耐腐蚀、无毒、强度高、延展性好的特性【1-2】。这些特点使马口铁广泛用于制造刚性容器，特别是用于食品和饮料的包装。马口铁也可用于非食品包装，如油漆、油和化学品的包装。在电气工业和电子工业中用于做收音机和扩音机的外壳、底座、电容器、继电器和其它原件的保护罩以及防漏电瓶的屏蔽层【3】。
2 马口铁镀锡相关市场信息
2.1 马口铁产量
当前世界镀锡板年产量约为1600万t，每年约占涂镀层钢板总产量的14％，占世界钢材总产量的1.54％～1.75％。
美国、日本是镀锡板生产大国，美国年产镀锡板约300～342万t，约占其钢材总量的3.1％～3.2％；日本年产镀锡板约120～142万t，约占其钢材总量的1.5％～1.8％。我国在进人21世纪后，镀锡板产量逐年增加，1997年至2001年期间马口铁产量在快速增长，增加近250%，2001～2004年我国镀锡板年产量为116～136万t，已成为世界第3镀锡板生产大国【2】
据相关资料表明，我国马口铁2003年产量已达到167万吨，2008年达到248万吨， 2010年达到270万吨。
2.2 马口铁主要生产厂家
1979年武钢建成从德国引进的一套设计能力10万t／a的电镀锡机组，我国开始了镀锡板的大机组生产。至2007年，我国大型厂家有12家，设计产能达到210.5万t／a，其中只有5家可自贡基板，其余厂家基板均需外购。
因为镀锡板缺口较大，在国内市场被看好，部分钢铁厂家、地区及外商纷纷筹建镀锡机组，至2007年为止，已有12家大型厂家组建的镀锡机组投产，其中规模最较大的有宝山钢铁集团公司1420冷轧厂上海宝钢益吕镀锡板有限公司、广东中山中粤马口铁工业有限公司和江苏无锡新大中钢板有限公司，其设计产能依次为40万t／a、30万t／a、19.5万t／a和20万t／a，生产工艺主要采用硫酸亚锡法，其次是卤素法和氟硼酸亚锡法，采用硫酸亚锡法生产的厂家有7家、卤素法生产的厂家有3家、仅有一家氟硼酸亚锡。
一些民营企业(多集中在江苏省)也建设批产量为8万t／a以下的镀锡机组，主要生产一些杂品罐用镀锡板，此部分生产能力难以统计。
2010年，我国马口铁的产量达到270万吨，以每吨马口铁消耗5Kg的锡计算，2010年马口铁消耗锡13500吨，市场相当广阔。
2.3 我国镀锡板生产存在的问题
⑴、 严重缺少镀锡基板： 能自供镀锡基板的企业仅为宝钢、武钢，其余镀锡企业基板均要依靠进口，不但生产成本高，而且国外镀锡基板资源有限，采购也愈来愈困难，削弱了我国镀锡板生产的竞争能力。
⑵、产品质量还需提高： 有些企业产品质量不稳定，包括厚度公差、平直度、镀层均匀、剪切精度、表面光洁度、硬度等与进口板有差距。
⑶、缺乏高品质镀锡板： 仅宝钢能生产DI罐镀锡板，其它企业均不能生产。
⑷、单套机组产能低：除宝钢1420冷轧的两套电镀锡机组外，其余机组产能均在15万t／a或以下，目前已建成机组平均产能为11．7万t／a。单套机组产能低会带来占用土地多、劳动生产率低、环保处理问题分散等许多问题。
⑸、布局极不均衡：镀锡生产机组分布主要集中在我国东南沿海地区，东北、华北、西南、西北广大地区还没有一套镀锡生产机组。
3 马口铁主要生产工艺
目前生产镀锡板的方法主要分为热镀锡和电镀锡两大类。热镀锡工艺是让带钢通过装有熔融锡的槽子，将锡热镀在带钢表面。由于热镀锡生产效率低，耗锡量大，目前在生产中已很少采用。电镀锡工艺是让带钢通过电镀槽，在直流电源的作用下将锡镀在带钢表面，其主要生产过程为：酸洗低碳薄钢板电镀锡软溶处理钝化处理涂油检查剪切分类包装。
由于电镀锡生产效率高，耗锡量少，产品质量好，在生产中被广泛采用。在电镀锡工艺中，根据镀液成分的不同，分为碱性法、硫酸亚锡法(又称弗洛斯坦法)、氟硼酸亚锡法(又称拉色斯坦法)和卤素法(又称哈罗根法)四种。由于碱性镀液中四价锡离子沉积量为1.107 g／Ah，比酸性镀液中二价锡离子沉积量2.214 g／Ah要小。故碱性电镀法生产效率低，能耗大，已逐渐被淘汰。目前大都采用酸性镀锡工艺生产镀锡板。
硫酸盐镀锡电流效率高，沉积速度快，原料易得，成本低廉，是最重要的镀锡工艺之一；卤化物镀锡主要用于钢板的快速电镀，镀液比硫酸盐镀锡液稳定，且能在相当宽的镀液浓度范围内进行电镀；氟硼酸盐镀锡的优点是电流密度范围宽，沉积速度快，分散能力好，能镀出光亮的细晶镀层，但氟硼酸盐的成本高，且有一定的腐蚀性和毒性；锡酸盐镀锡工艺的主要特点是分散能力比酸性镀锡好，溶液呈强碱性，对钢铁基体不腐蚀，又有一定的去油能力，因而特别适合于镀形复杂的零件。
目前来说，应用较多的是弗洛斯坦法和卤素法。近几年来，随着高速电镀的出现和对镀液处理的环保压力越来越大，甲基磺酸以及氨基磺酸等系列的电镀液在镀锡市场也日趋常见。
4 马口铁的主要技术标准
马口铁技术标准执行《冷轧电镀锡钢板及钢带》，标准号为GB/T 2520-2008。
5 镀锡板生产技术发展趋势
⑴ 镀锡板厚度减薄
⑵ 镀层厚度减薄
⑶ 无锡板比例增高
⑷ 采用高密度电流电解清洗
⑸ 镀锡机组设置拉伸矫直机
⑹ 采用混合加热软熔
⑺ 镀槽电镀液浓度自动控制
⑻ 使用不溶性阳极
⑼ 在线微小缺陷检测
⑽ 配有高速高精度剪切机组
6 总结
总体而言，随着人民健康、环保意识逐步增强，铁包装的需求量将逐步增加，而马口铁以其耐腐蚀、无毒、强度高、延展性好等特性在包装行业占有较大的优势，国内外的需求量逐年增加。而就国内马口铁市场而言，主要存在以下几个问题：一是镀锡基板较少，产品质量低，大量依靠进口，成本相对较高；二是镀锡工艺大量采用传统的弗洛斯坦法和卤素法，新型环保的甲基磺酸盐镀锡相对较少；三是整体配置有待提高。
参考文献：
【1】赵锡浩，卢永德，电镀锡钢板的发展与展望，《设计通讯》，1994,4，26~28
【2】李其增，电镀锡板的生产与发展，《上海冶金设计》，1994，8（1）， 50~57
关键词：磷铜阳极；微晶；镀铜
随着电子电镀技术的发展，电路板制造者们对镀层的性能要求愈加严格。而除了种类繁多的添加剂，磷铜阳极质量的好坏对镀液性能及电镀品质的提高起到举足轻重的作用。目前中国业内逐渐兴起微晶磷铜阳极。
1、 微晶磷铜球和普通磷铜球的区别
行业中所谓微晶磷铜球就是铜球里面的平均晶粒度直径不大于60μm 的磷铜球。（表一是实测国内某厂家生产的普通及微晶磷铜阳极的尺寸）。外观上，由于微晶磷铜球的制造工艺有所不同，其晶粒微小，物理性能更好，所以微晶铜球比普通铜球表面质量更好，更加圆滑，更加饱满，而且没有铜粉产生，而普通的磷铜球表面会有少许铜粉。微观组织结构上，通过金相照片比对发现，普通磷铜球放大200倍可清晰看见晶粒，晶粒较粗大；存在明显晶界，微观有磷富集现象，晶界与晶粒内部的磷出现了不均匀，稍有偏析现象。在实际的电镀应用上就表现为晶界位置特别容易溶解，黑膜厚度未很均匀等；微晶磷铜球放大500倍才隐约看见晶粒，晶粒特别细小，分布十分均匀，组织致密，无晶界；晶界上偏析的元素已经扩散到晶粒，磷的分布更加均匀。（图1（a）（b）是实测国内某厂家生产的普通及微晶磷铜阳极的金相组织图）在化学成分上，两者除了微晶磷铜球的磷含量稍小一点外（0.025-0.050%），其他都无明显区别（见表二）。但是由于微晶铜球晶粒细小，磷分布更加均匀，所以具备了将磷含量向更低范围控制的条件，磷含量低一点的铜的电化学性能更好，所以磷含量的控制范围低一点对电镀品质更有利。
2、在PCB电镀过程中的比较
2.1 大、小电流电镀实验
实验室中，大、小电流实验主要设定时间是电镀30分钟和120分钟，看表面形成黑膜的状况：普通铜球表面磷没有脱落，因此成膜很快，20分钟形成均匀完整的黑膜且稍后黑膜增厚，但黑膜组织疏松，容易脱落，手感检查，铜球上黑膜粗糙有细小颗粒状铜渣；微晶铜球由于制造工艺原因，表面有少许脱磷，成膜较快，30～40分钟基本形成十分均匀完整薄的黑膜。且成膜均匀，膜层薄，结合力强，黑膜手感细腻。对比发现：尽管普通铜球成膜速度最快，但其生成的黑膜组织较疏松容易脱落，在大电流情况下更加明显，而微晶铜球既能很快生产黑膜，也能保证黑膜完整，厚薄均匀，结合力强。较快的成膜速度预示着较少的铜损耗。微晶铜球既能适应小电流的生产需要也能适应由于赶货需要的大电流生产。简而言之，微晶磷铜阳极成膜又快又好，效率和性能都明显优于普通产品[2]。
2.2 实际生产中的效果
从电镀生产线上检查观察，微晶磷铜阳极在钛篮内形成的黑膜薄而致密，阳极袋底部无发现过多的阳极泥；铜球表观光滑，无蜂窝凹凸不平的粗糙面，成球形规则状溶解。电解后生成的黑膜薄而连续致密，手感检查无夹杂微小颗粒且黑膜不容易脱落。另一方面检查生产中使用3个月后的钛篮，阳极袋中镀液流速较快，阳极袋孔隙未被堵塞；袋中黑泥生成少。普通磷铜阳极成膜较厚，容易脱落。长时间使用后形成的黑泥较多，电解一段时间后，大部分表面有凹凸不平的粗糙面，形状成不规则的球形。手感检查有明显的夹杂微小颗粒。从晶体结构上来解释：微晶磷铜无晶界，成膜薄、致密而牢固，晶粒尺寸小自然表现出颗粒与黑膜黏合强度高，不易产生铜球组织的雪崩从而形成细小颗粒的现象，长时间使用后板面铜粒和黑膜泥自然就少，铜球利用率高，而普通磷铜阳极晶粒粗大，组织疏松，成膜厚，晶界处形成的黑膜“粘结力”不够，在电镀过程中粗大的晶粒腐蚀掉落形成大量阳极泥，阳极效率较低。实际生产证明：1、使用普通磷铜球，铜球和阳极袋通常是3个月就要清洗一次，需耗费大量人力物力，铜球利用率只有96-97%；使用微晶磷铜阳极后，铜球和阳极袋使用寿命可以成倍增加，仅6到12月清洗和更换一次，电镀板面铜粒等问题不良率减少了50%，铜球利用率提升了2.5%以上。2、采用微结晶磷铜球，磷膜薄而均匀，有利于阳极正常分解，镀铜效率相对较高；阳/阴极面积比 可降低到1.1：1，适合高纵横比通孔电镀品质需求[3]。
3、结论
1、微晶磷铜阳极为晶体组织结构通过微晶化处理工艺的微晶态铜球，更深层次地改变了金属的晶体组织结构，提高了晶粒分子的运动能力以及扩散能力，晶界上偏析的元素已经扩散到晶粒中，消除了晶界以致达到均匀化，从而使磷的分布更加均匀。实际生产表现为晶粒细化的阳极磷膜生成速度能适应满足PCB电镀工艺要求，阳极膜质更细腻、牢固，不容易脱落，铜球表层溶解均匀，最大限度地降低了因铜球溶解不均造成的铜微粒脱落现象，从而提高了铜的利用率，减少一价铜的产生，既提高了镀层质量又增加了阳极的利用率。
2、黑膜泥生成少，可成倍延长倒缸清洗周期，大大节省了铜球使用成本、人力资源成本、镀液成本、阳极袋成本，提高劳动与生产效率。
3、微晶铜球的使用，使镀板质量得到有效提高，可多创造效益。
参考文献
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[2] 覃奇贤. 电镀原理与工艺[M] . 天津： 天津科学技术出版社，1993 ：1822183.
关键词：电镀电源；集中控制；倍流整流；软开关；模块化；N+1冗余
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.22.210
1 引言
在电镀行业里，一般要求工作电源的输出电压较低而电流很大。由于半导体功率器件、磁芯材料等方面的原因，单台大功率开关电源在设计和制造中存在较大的困难，成本也比较高，且单台电源故障会导致整个系统瘫痪，降低了系统的可靠性。
目前，电镀电源大多采用分离的模拟器件或专用ASIC 芯片实现PWM 控制， 设备对外接口不方便， 使用不够灵活， 不易于实现智能化控制。其输出侧多采用全波整流式结构，在这种方式下变压器需要有中心抽头利用率不高而且不方便生产，输出电感也会因为大电流而使工艺变得复杂并会增加输出滤波电感和变压器的体积以及整流管上的电压应力，不利于在低压大电流场合中应用。
所以，模块化、数字化以及软开关相结合的新型电镀电源必有很好的发展前景。
本文介绍的电镀开关电源采用模块化、标准化的设计并通过并联备份实现N+1冗余，当某个模块发生故障时，自动切除故障模块，系统依旧可以正常工作，单个模块输出电压为0～24V、电流0～1500A 连续可调，文章采用5个模块并联来实现大功率输出以及N+1冗余，控制系统采用集中控制的方式，DSP负责所有模块的数据采集实时计算均流信息，FPGA负责脉冲的分配并通过光纤把触发脉冲下发到功率单元的驱动模块。主电路输出侧采用倍流整流软开关的拓扑结构，变压器和输出滤波电感的设计都得到了简化并且提高了整体效率。
2 系统总体结构
整个系统采用标准化的模块进行并联，每个模块的结构和元器件等各项参数完全相同，这样就可以根据不同用户对功率的需求进行模块叠加，从而避免了由于不同的功率要求而进行器件的重新选型和结构上的变化带来的麻烦。图1为系统结构图，本系统采用5个模块并联。
系统主要由功率单元模块，单元控制电路和主控电路构成，控制策略为集中控制，主控负责控制策略以及脉冲的生成，底控负责驱动的隔离与放大以及故障检测，系统可工作在稳流、稳压状态下，其中稳压控制为双环控制，在稳压的前提下进行自动数字均流。
单元模块中T为主断路器，K1为主接触器，K2为辅接触器，R为软启动电阻，由于在上电瞬间对于直流侧的电容两端来说相当于短路这可能会冲坏电容甚至可能使整个功率单元瘫痪所以软启动电路是很重要的。在上电初始K2闭合使系统进行软充电，单元控制模块会检测直流侧的电压，当检测到电压达到所需要的值时控制器会先闭合K1再断开K2使其脱离软启动。
3 功率单元拓扑
图2为全桥谐振倍流整流DC/DC变换器的电路拓扑。图中Uin表示输入侧的直流电压。VT1-VT4为两组桥臂上的四个功率开关，C1和C3为滞后桥臂开关管VT1与VT3的内部寄生电容；VDs1及VDs2为滞后桥臂串联的二极管；VDR1、VDR2为副边整流快恢复二极管；Lr为串联谐振电感（已包含高频变压器的漏感）；Cb为隔直电容；输出侧Lf1和Lf2为副边滤波电感（可共用一个磁芯相互耦合制成）；Cf为输出侧滤波电容；Rld为相应的供电负载。图3为软开工作波形。
4 数字控制器的软硬件设计
控制系统主要由DSP和FPGA组成，图4为控制系统结构框图，DSP采用TMS320F28335，FPGA采用EP2C20。
整个系统的控制原理为：通过上位机也就是这边使用的组态屏来选择系统的工作模式，选择哪几个模块投入使用并采用什么控制方式（稳压/稳流）以及设定电压和电流值，各项数据设定完毕后通过串口下发给DSP， DSP会根据参数的设定自动计算出运行参数，FPGA通过数据总线读取DSP的计算结果，通过光纤自动给每个功率单元分配驱动脉冲。每个底层单元的驱动模块只负责驱动脉冲的放大、隔离以及IGBT故障信号的采集与反馈。
4.1 基于DSP28335的数字均流
大功率直流电源的并联首先需要解决的是均流问题，传统的均流方法大多采用模拟控制，不仅控制精度难以保证，且在均流和冗余方面也存在一定的局限性。采用数字通行方式的均流，由于需要通信总线，其响应时间以及抗干扰能力都有一定的缺陷。
本文采用集中控制的方式，结合了DSP与FPGA各自的优点实现自动均流，DSP实时采集每个单元模块的电流值，结合平均电流法自动算出每个单元IGBT驱动脉冲的移相角，FPGA通过数据总线的方式来读取DSP的计算角度，并产生相应的驱动脉冲，通过光纤把FPGA生成的驱动脉冲下发给对应单元的驱动模块。由于FPGA并行运行的特点，每个单元的驱动脉冲可以实现同步，这样就很好的解决了开关时序不同步引起的开关震荡，进一步减少了环流，同过光纤来传递驱动脉冲，增强了系统的抗干扰能力，由于没有中间通信环节整个系统的响应时间变短，均流控制更加平稳。
4.2 N+1冗余设计
N+1冗余设计的优点在于当某个模块发生故障时系统仍然可以正常运行其输出依然可以达到额定功率。
在N+1并联的系统中若系统输出功率为M，每个功率单元的额定功率为M/N，则在正常工作时主控器下发指令使每个单元模块输出M/N+1的功率，当某个模块发生故障时，底控和主控都会发出故障输出信号使此模块脱离系统，与此同时主控会调整下发指令使每个单元模块输出M/N的功率从而保证系统可以正常工作。
5 实验结果与分析
功率单元的主要参数为：输入为380±5% 50HZ，输出24V、1500A，直流侧滤波电容采用4个470uf的并联，开关频率为15KHZ高频变压器的变比为18：1，隔直电容为60uf，IGBT采用SKM200GBT4，图5c为变压器一次侧与二次侧的波形，从图中可以看出电源占空比丢失不大， 图5a为单元并联后的电压电流波形。图5b为模拟故障时的波形，当其中一个模块发生故障被切除后其余模块加大输出电流使系统正常运行由此可以看出N+1冗余的设计效果还是很好的。
6 结论
文章设计了一种模块化的开关型电镀电源，利用DSP28335和FPGA实现了全数字化控制，单个模块为24V、1500A，采用标准化、模块化的设计可根据不同用户的要求进行模块的叠加并可以实现N+n的冗余，最终完成了功率单元的设计并且应用于5个模块并联的实验样机，实验表明本系统具有良好的智能型、可靠性、高效性。在电镀行业中有广泛的应用价值。
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【关键词】电镀 稀土 镀层 金刚石工具
【中图分类号】V261.93+1 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)09(a)-0133-02
稀土元素包括原子序数从57到71的15个镧系元素:镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥以及与镧系元素在化学性质上相似的钪和钇,共17个元素。稀土元素独特的4f层电子结构和化学性能使得稀土金属或合金具有独特的功能:高催化活性、高磁性、超导性、光电转化、光磁记忆、高储氢量、耐蚀耐磨等,使稀土及其化合物在材料科学领域中的应用越来越广泛,成为发展现代科学技术不可缺少的功能材料,是材料科学领域中的一个热门研究课题,受到各国科学工作者的极大关注[1]。
早期开发的镀铬稀土添加剂主要是铈、镧等单一稀土的简单盐类,近年来稀土镀铬添加剂的研究又前进了一大步,开发出了多种稀土复合添加剂。尤其是稀土在电沉积过程中的研究及应用正日趋深入。在电镀溶液中加入少量的稀土化合物后,可以改善镀液的分散能力和深镀能力,提高电镀的电流效率,增加镀层的硬度和耐蚀性能等[2]。不仅性能上有了大幅度提高,而且已由试验转入了大批量的工业生产,形成了系列产品。通过多年的生产实践表明,这是一项低温、低电耗、低成本、低污染、高质量、高稳定性、高效率,经济效益显著的新工艺。研究结果表明,镀铬技术中添加稀土主要有以下几个方面的作用[3]:改善镀层性能、改进工艺条件、改善镀液性能、提高经济效益。
稀土在镀锌及锌基合金中的应用研究也比较成功。微量的稀土加入镀液可使镀层晶粒细小、均匀、致密,从而提高镀锌层的耐蚀性能。在锌镍合金电镀中,加入少量(小于1.0 g/L)硫酸铈可以提高镀液的电流效率,使镀层中的含镍量有所提高,铈还有利于提高锌镍合金的阴极极化值,含铈的镀层在高温高压的盐水中具有优良的耐腐蚀性能[4]。在铝合金基体上镀镍的应用研究中,利用热冲击法测得稀土有提高基体与镀层结合强度的作用[5]。
在硫酸盐体系中可获得含钴量小40％(质量)的镍。钴合金镀层,其共沉积过程属于“异常共沉积”。在基础镀液中加入少量的稀土化合物,由于稀土化合物在阴极表面的特征吸附,降低了合金电沉积过程的阴极极化。在KOH溶液中,把合金作为电解阴极,在高电流密度区的析氢超电势,与Fe电极相比,Ni-Co电极的过电位降低约200mV,而Ni、 Co(RE)电极降低250mV左右,可见其对析氢反应有较高的催化活性[6]。
稀土在镍铁合金电镀方面的应用研究,稀土元素对硫酸盐型镍铁合金镀液的影响[7]。在镀液中添加Sm2O3和(PrNd)O3,所得到的赫尔槽试验结果表明,添加稀土氧化物可以使获得光亮Ni-Fe合金的电流密度范围拓宽。对多种稀土氧化物进行这种试验,其结果大体相同。从电流效率和分散能力的测定数据可以发现,稀土化合物的加入能提高阴极电流效率和镀液的分散能力,但不同的稀土元素提高的程度不一样。稀土化合物的加入同时起到了稳定镀液的作用。阴极极化曲线和扫描电子显微镜分析发现,稀土化合物添加到镀液中后,增大了Ni-Fe合金电沉积的阴极极化,并使获得的Ni-Fe合金镀层的结晶细致、平滑、光亮,故可提高镀层的防护、装饰性能。
天津大学应用化学系郭鹤桐等开发的银-氧化镧复合材料具有硬度高、接触电阻小和抗电蚀能力(耐电弧烧伤)强、化学稳定性高等优点[8]。
在研究稀土元素影响金刚石工具的力学性能、磨损性能和工具的切割性能,及影响这些性能的主要相关因素中发现,稀土元素对铜基胎体硬度的影响有缓慢上升的趋势,磨损失重随镧含量的增加而增加,使胎体的耐磨性降低。1)稀土La、Ce的作用相近,但La、Ce的使用量略有差异,二者都有既强化基体,又提高金刚石和胎体结合力的作用。2)La、Ce使结合剂的耐磨性降低,对工具的耐磨性影响不大。对工具来说,结合剂和金刚石的结合强度显得更重要。3)La、Ce稀土元素可以提高工具的切割速度,提高工具上金刚石的出刃高度,最终使工具的切割性能提高。所有这些都以结合剂的适度磨损为前提,否则,其他的性能都不会发生[9]。
在热压烧结金刚石工具胎体材料中,将稀土在硬质合金中的应用经验移植到金刚石工具胎体材料中。同时将金刚石工具胎体材料配方中的Co基全部用Fe基代替。成功的制出了稀土Fe基金刚石工具材料,经对其 实际使用性能的测试,其抗弯强度、硬度、冲击韧性均有较大幅度提高、孔隙率则有了明显降低[10]。
在研究提高玻璃锯片的切削性能方面,在胎体金属粉中加入适量的稀土化合物,胎体对金刚石的把持力有所改善,同时,增加了刀头胎体材料的脆性,实现了金刚石与胎体的同步磨损,金刚石的脱落度明显减小;切割速度比参比片提高了21.6%[11]。
在电镀金刚石工具研制方面,添加稀土可以提高镀层的耐磨性,添加量以1.0g/L为最佳,失重比从基本镀液中获得的镀层降低了17.6%。镀层与基体的结合强度试验结果显示:添加稀土对于提高镀层与基体间的结合强度有明显的作用。当稀土添加剂的含量为1.0 g/L 时,结合强度比基本镀液的提高了17.4%左右。还有以Ni-Co配方为基础镀液电镀金刚石工具,添加稀土元素的试验,得出添加稀土元素的配方制成的胎体材料孔隙率明显减少,镀液的分散能力提高,深度能力提高等结论[12]。加入5g/L的LaCl3・7H2O可以使亮镍镀层晶粒得到较好的细化,可以提高亮镍镀层的硬度和镀液的阴极极化能力,提高镀层与基体的结合强度和金刚石工具的磨削比[13]。
总之,稀土元素在电镀中的应用已取得了一些令人瞩目的成果,但稀土化合物能否被当作一种普遍适用的物质--“工业味精”,能否应用于更多的镀种而相应地产生特殊效果,仅凭目前人们对稀土在电镀中应用研究,还远不能作出明确的判断。对许多镀种来说,使用稀土元素已获得明显的效果,现在人们的工作只是提出了一些试验事实,还缺乏对稀土元素作用的实质性认识。至于开拓新的稀土功能镀层的研究,无论工艺方面还是理论方面都很薄弱。因此,为了更有效地开发利用我国丰富的稀土资源,以适应先进科学技术的发展对新材料提出的各种要求,加强稀土电镀工艺和机理的研究是很有必要。
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关键词：金属 腐蚀 措施
一、金属材料的腐蚀
金属材料的腐蚀，是指金属材料和周围介质接触时发生化学或电化学作用而引起的一种破坏现象。由于金属材料的腐蚀可造成设备的跑、冒、滴、漏，污染环境，甚至发生中毒、火灾、爆炸等恶性事故以及资源和能源的严重浪费。
按照金属的腐蚀机理可以将金属腐蚀分为化学腐蚀与电化学腐蚀两大类。不管是化学腐蚀还是电化学腐蚀，金属腐蚀的实质都是金属原子被氧化转化成金属阳离子的过程。
1.化学腐蚀
化学腐蚀是指金属与非电解质直接发生化学作用而引起的破坏其腐蚀过程是一种纯氧化和还原的纯化学反应，即腐蚀介质直接同金属表面的原子相互作用而形成腐蚀产物。反应进行过程中没有电流产生，其过程符合化学动力学规律。
2.电化学腐蚀
电化学腐蚀是金属与电解质溶液发生化学作用而引起的破坏。反应过程同时有阳极失去电子，阴极获得电子以及电子的流动，其历程服从电化学的基本规律。电化学腐蚀又根据其电解质溶液酸碱性的不同分为吸氢腐蚀和析氢腐蚀。
二、金属材料的主要防腐措施
金属材料化学性质活泼，遇潮湿空气易生锈或者遇酸碱等腐蚀性物质易被腐蚀这些问题都在一直困扰金属建材生产商。金属生锈或被腐蚀后除了弃之不用没有其他办法了吗？金属的防腐蚀一直是一个热门话题，防腐蚀技术也在不断提高，从在金属表面涂抹其他材质到电镀再到加入其他具有缓蚀作用的缓蚀剂，金属防腐蚀技术在稳步前进。对在腐蚀性介质中的金属材料及其制品，采用各种不同的防腐蚀技术，以延长金属制品的使用寿命，保证工艺设备的安全和顺利运行（见金属腐蚀）。防腐蚀技术主要有下列几类：
1.合理选材
合理选材这是防止和控制设备腐蚀的最普通和最有效的方法之一。选材务必做到：①了解环境因素和腐蚀因素，包括介质的种类、浓度、温度、压力、流动状态、杂质种类和数量、含氧量，以及有无固体悬浮物和微生物等；②研究有关资料数据；③按实际条件进行模拟试验，以获得选材的可靠数据。由此了解材料的耐蚀性能及其工艺特性；④综合考虑材料的耐蚀性和经济性；⑤考虑合适的防腐蚀措施。
根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。如，在钢中加入镍制成不锈钢可以增强防腐蚀的能力。
2.形成保护层
表面防护金属材料及其制品表面经处理后形成防护层，可以使金属表面与外界介质隔开，阻止两者发生作用，同时还能取得装饰性外观。表面防护是防止或减轻基体金属腐蚀应用最普遍的方法。在金属表面覆盖各种保护层，把被保护金属气腐蚀性质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法。表面防护层常见的有两类：金属镀层和非金属涂层。
金属镀层在金属表面镀层有下列方法：
2.1扩散渗镀又称表面合金化处理
用热扩散的方法，使耐腐蚀的金属或合金渗入基体金属表面，与基体金属形成固溶体或金属间化合物，这层耐蚀的表面称为渗镀层。渗镀时把待镀件埋置在由惰性填料、渗镀金属元素和卤化物活化剂组成的包渗箱中，在氢气或惰性气氛中，于规定温度条件下保持一定的时间，使渗入的金属与基体金属互相扩散，直到基体金属表面形成合金覆盖层。具有耐蚀性能的渗入元素通常为锌、铝、铬、硅等，选择哪一种取决于基体材料和耐蚀要求。如钢渗铝可形成表面含铝25～30%的铁铝合金层，有很好的抗氧化和抗硫化性能。
2.2喷镀借助于压缩空气或惰性气体流用喷枪把熔融金属喷射到金属制品表面，形成防护性覆盖层
这种方法常用于喷镀高熔点金属或难熔材料，或喷镀大面积工件以及用于修复工件等。喷镀的缺点是覆盖层与基体金属结合较差，覆盖层疏松。常用的喷镀方法有火焰喷镀法、等离子喷镀法等。
2.3电镀利用直流电从电镀液中电解析出金属，并在作为阴极的工件表面沉积结晶，形成电镀层。电镀技术应用广泛，主要用于耐蚀、耐磨和装饰的器件。
此外，还有热浸镀层、金属包覆、真空镀膜、气相沉积和阴极溅射等表面防护技术。近来离子注入和激光非晶态表面处理等新技术也在迅速发展。
非金属涂层常用于提高制品的耐蚀性和装饰性。有机涂层有涂料（包括油漆）、塑料、橡胶等。无机涂层有搪瓷、玻璃等。
化学转化膜也是非金属涂层的一种，方法是把工件放入特定的化学溶液中通过电解或浸渍处理，使工件的金属表面产生一种镀膜。化学转化膜的主要类型有磷酸盐膜、铬酸盐膜、氧化物膜和阳极氧化膜。
暂时性防护剂是在金属制品运输和贮存时使用的。覆盖层要能防锈而且能在使用前容易除去。常用的有油膜、可剥性塑料薄膜和挥发性缓蚀剂等。
环境（介质）处理改变起腐蚀作用的介质的性质，以防止或减轻介质对金属制品或设备的腐蚀。这种方法只能在有腐蚀性的介质的体积有限的条件下使用。环境处理可分为两类：
