电镀用脉冲电源

1、文章编号:1001-3849(2002 03-0027-03 电镀用脉冲电源的应用推广韩苗兴, 何永夫(绍兴市承天电器有限公司, 浙江绍兴312001摘要:在金属表面处理中, 脉冲电镀作为特种电镀的一种, 日显其广泛的应用性, 但脉冲电源用作电镀电源, 较之于传统的电镀电源相比, 由于受各种因素影响, 发展起步较晚, 直到20世纪90年代才被人们所广泛认识。介绍了脉冲电源的电气原理及其功用, 结合生产实际, 阐述了脉冲电源在电镀中推广和应用的重要性, 提出了脉冲电镀在电镀行业中有着广阔的市场前景。关键词:电镀; 脉冲电源; 应用; 推广中图分类号:T Q150. 5文献标识码:B Applic

2、ation and Spread of Pulse Power Supplyfor ElectroplatingHA N M iao -x ing , HE Yong -fu随着社会生产力发展和市场日益成熟, 特别是我国加入了WTO, 经济发展越来越国际化, 我国的电镀行业作为一项发展历史长的传统行业, 在面临着巨大商机的同时, 其竞争性也愈来愈激烈。在电镀过程中, 除了有好的工艺配方、新颖的电镀原料和生产规程外, 也离不开一台理想的与之相配套的电源。综观我国电镀行业发展, 随着测试设备不断完善, 高科技新颖电镀材料不断出现, 如添加剂的开发等, 大大促进了电镀表面质量的提高, 而对于电镀新电

3、源的研究开发和应用则相对发展较慢, 直到20世纪80年代中期, 才被人们所重视, 而在20世纪90年代逐渐被推广应用。由此, 熟悉和正确使用脉冲电源就显得极为重要。本文将结合理论和生产实践, 对脉冲电源的使用和推广作一些粗浅分析。1脉冲电源工作原理脉冲电源工作原理可由以下方框图示意(以方波为例 (图1图1脉冲电源工作原理图272002年5月电镀与精饰第24卷第3期(总144期 :(.1 可调低纹波直流源可通过硅整流器、可控硅整流器、高频开关电源提供。这对脉冲电源中输出脉冲波形质量的优劣起重要作用。早期应用较多为硅整流器, 随着科学技术发展, 逐渐被可控硅、高频开关电源所替代。从实际使用看, 高

4、频开关电源是目前最为理想的直流源。2 斩波系统一般通过电子技术实现, 随着科技进步和半导体技术的发展, 斩波系统要主经历了以下几个发展阶段(图2图2斩波系统的发展过程在实际应用中, 用VM OS (单极型场效应管 和IGBT (双极型场效应管 斩波是一般情况下较为理想的斩波器件, 两者都具有关断速度快、插入损耗小、大容量的特点。目前, VM OS (单极型场效应管 斩波多用于小功率脉冲电源中, 而IGBT (双极型场效应管 作为近年来发展起来的新颖功率半导体, 多用于大功率场合, 价格相对比较昂贵。3 脉冲电源的辅助控制及保护系统主要有:便于电镀生产和配方的时控系统、安时积分系统、温控系统和提

5、高脉冲电源可靠性的短路保护、过流保护、超温保护系统等。4 斩波控制系统主要包括:频率、占空比调节系统和驱动控制两部分, 不同生产厂家有不同的控制方式。2脉冲电源的特点与传统直流电源相比, 脉冲电源就是其输出直流波形、频率、占空比和平均电流密度等参数均可根据电镀需要设定的直流电源, 其特点可概括为:1 频率(f 、占空比(D 可调; 2 波形特殊(例如方波等 。脉冲电源的这些特点在生产中的实际意义就是, 在电镀过程中, 脉冲电源可通过改变其输出波形的频率、占空比和平均电流密度, 来改变电镀槽中金属离子电沉积过程, 使电沉积过程在较宽范围内变化, 从而可获得均匀致密较为理想的镀层。例如在印制线路板

6、行业(PCB 中, 使用脉冲电源电镀, 可提高其深镀能力, 使镀层均匀、致密、不脱落。3脉冲电源的优点脉冲电源作为电镀电源, 主要有以下优点: 1 镀层孔隙率低, 致密性好, 抗蚀性高。3 镀层应力低, 成分稳定, 深镀能力强。4脉冲电源的分类脉冲电源从波形分析看, 一般有以下几种:1 正弦波脉冲电源; 2 锯齿波脉冲电源; 3 方波脉冲电源; 4 多波形脉冲电源; 5 周期换向型脉冲电源。1 4 均为单脉冲电源, 换向型脉冲电源亦称双脉冲电源。在实际使用中, 方波脉冲电源使用较为普遍, 多用于无特殊要求的镀金、银、镍场合, 多波形脉冲电源多应用于合金类表面硬质氧化场合, 例如铝的硬质氧化,

7、而双脉冲电源为新近发展的新颖脉冲电源, 是对于表面要求高的场合较为理想的电源, 如精密仪器、电子元件陶瓷基片表面处理。5脉冲电源电气参数计算与选择图3为脉冲电源输出波形。图中:I m 为脉冲输出峰值电流, A (电源标称值 ; I -m 为脉冲输出最大平均电流, A ; I -为脉冲输出工作平均电流, A; T off 为一个脉冲周期关断时间, s; T on 为一个脉冲周期导通时间, s; T 为一个脉冲周期时间, s 。图3输出波形1 频率f 28M ay 2002Plating and Finishing V ol . 24N o . 3在电镀中, 用户可根据生产需要, 频率在几十到几千

8、赫兹间, 根据电镀性质、工件表面质量来选择。例如, 铝的多波形硬质氧化, 一般可选择在100Hz 以下, 其中50Hz 80Hz 间使用最为普遍, 而单金属电镀, 象镀金、银、镍, 可选择在100Hz 1500Hz 左右。当然, 根据要求不同, 1500Hz 以上选择也有应用。2 占空比D国内脉冲电源生产厂家, 对占空比有两种表示方法:a. 通断比:一个脉冲周期中导通与关断的时间比, 即通常所说的工作比, 如19、82等表示方法。D 1=T on T offb. 占空比:一个脉冲周期中导通时间占整个工作周期时间的比值, 如50%、40%等表示方法。D 2=on T ×100%=onT

9、 on +T off×100%用户在计算占空比时, 应首先要清楚脉冲电源生产厂家的表示方法, 才可根据需要正确计算占空比。3 脉冲峰值电流I m峰值电流指脉冲电流方波最大电流(极值 。其数值一般为脉冲电源出厂时标称值。I m 在用户选购电源时选择, 在生产实际中, I m 值大小对脉冲电源的深镀能力有一定影响。4 输出额定平均电流I -mI -m 即脉冲电源工作时, 所输出的最大平均电流值。用户在使用过程中, 不允许工作电流超过I -m , 否则电源将超负荷工作, 损坏或影响电源使用寿命。国内一般脉冲电源生产标准, 其输出额定平均电流值为输出峰值电流的三分之一左右设计, 充分考虑到斩

10、波系统中半导体器件的使用寿命。5 实际工作输出平均电流I-输出平均电流是机器工作时, 实际工作电流有效值, 即表显示值。I -是用户计算工作电流密度(A/cm 2的依据, 用户可根据工件大小、电镀面积、工艺配方, 计算合理电流值。I -=I -m ×on T on +T off =I -m ×onT =J S(S :电镀面积6脉冲电源使用局限性上面简要说明了脉冲电源作为电镀电源使用的特点和使用方法, 但并非脉冲电源在任何场合使用都能获得较为理想的表面, 脉冲电源也存在一定的局限性, 主要表现在以下几个方面:1 脉冲电源虽然在表面能形成致密均匀的镀层, 但在要求工件表面镀层较

11、厚的场合效果并不理想, 效率低。一般情况下, 2030 m 以上镀层用其它直流电源电镀比脉冲电源理想。2 脉冲电源在较为复杂的表面(例如首饰、插件 能形成较为均匀的镀层, 保持工件原有机械形状, 但在深镀能力上不理想, 电流效率较低, 例如深孔电镀, PCB 行业中孔径比较大的印制板电镀, 虽然表面质量较为理想, 但会出现镀层厚度不一致的现象。3 脉冲电源工作时, 在电镀槽中产生变流低频振荡会引起部分有机类添加剂分解, 造成镀液污染, 故在脉冲电源使用场合, 最好不使用有机添加剂。4 电流效率低, 在对工件表面要求不高、镀层较厚、单产产量大的贵金属电镀中, 使用脉冲电源效果比用低纹波高频开关电源要逊色。综上所述, 随着科技进步, 电子、通信、信息等尖端高科技工业的发展, 电镀脉冲电源的应用将越来越广泛, 合理使用脉冲电源必将对我国金属表面处理行业的发展起到很大的促进作用。书讯简明电镀工手册天津市电镀工程学会和天津市电镀研究所合编的简明电镀工手册业已由机械工业出版社出版发行。该手册包括:常用电镀数据和资