基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的化學(xué)鍍鎳工藝用浴槽沉積在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

程瑤

(陜西國際商貿(mào)學(xué)院 信息工程學(xué)院, 西安 712000)

0 引言

化學(xué)鍍鎳是工業(yè)中使用的非晶材料之一。它是許多行業(yè)中廣泛使用的電鍍方法，涵蓋從石油和天然氣工業(yè)、機(jī)械等到電子和微機(jī)械制造的應(yīng)用。電鍍的廣泛應(yīng)用是由于化學(xué)鍍鎳的進(jìn)步，包括均勻的厚度分布，高耐磨性和致密的形態(tài)，這些特性使得化學(xué)鍍鎳合金具有出色的抗氧化和腐蝕保護(hù)作用，這是它的主要用途。如果與電鍍鎳相比，化學(xué)鍍鎳合金的均勻厚度分布使電鍍更加詳細(xì)和具有挑戰(zhàn)性的幾何形狀。除了這些機(jī)械性能之外，化學(xué)鍍鎳合金還是無鉛的，這使得它非常適用于電子應(yīng)用，例如印刷電路板(PCB)[1-3]。

然而，涂層的可用性受到與不穩(wěn)定和自發(fā)的化學(xué)鍍鎳工藝有關(guān)的控制問題的限制。這些問題尤其包括鍍浴污染，這意味著由不平衡和過于激烈的反應(yīng)引起的鍍液沉淀。此外，共沉積的磷對形態(tài)和對沉積物的性質(zhì)具有關(guān)鍵影響。電鍍反應(yīng)的控制是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)槿狈κ芸貐?shù)的在線測量，并且由于非限定性因素造成電鍍反應(yīng)的確切反應(yīng)機(jī)理尚不清楚。

本文提出了一種基于模型的化學(xué)鍍鎳工藝監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)特別針對用于電鍍通孔(PTH)板制造的化學(xué)鍍鎳工藝進(jìn)行校準(zhǔn)和測試，因?yàn)榛瘜W(xué)鍍鎳的挑戰(zhàn)因PTH工業(yè)的嚴(yán)格公差和具有挑戰(zhàn)性的細(xì)節(jié)幾何形狀而受到重視?；瘜W(xué)鍍鎳是制造印刷電路板的既定工藝，其中化學(xué)鍍鎳合金在所謂的化學(xué)鍍鎳浸金(ENIG)表面處理中作為鍍銅電路和金色表面層之間的擴(kuò)散屏障。在該技術(shù)中，導(dǎo)電孔中的收縮空間鍍有含有預(yù)定百分比磷的薄鎳膜，確保無應(yīng)力，致密的形態(tài)。遺憾的是，在電鍍期間不能在線測量最關(guān)鍵的沉積參數(shù)，即膜厚度和磷含量。相反，這些參數(shù)是在通過基于X射線熒光(X-ray Fluorescence，XRF)的涂層厚度計(jì)(CMI)分析和潤濕平衡測試進(jìn)行電鍍之后間接測量的，延遲大約10小時。由于長時間延遲，這些測量不適用于有效的過程監(jiān)控或控制，此外，沉積物中可能的錯誤不能在之后進(jìn)行校正，因此，必須在電鍍期間在線監(jiān)測電鍍反應(yīng)，以確保沉積物的均勻質(zhì)量[4-6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

減少化學(xué)鍍鎳的次磷酸鹽是一個復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的過程，由于其反應(yīng)機(jī)制尚不完全清楚，目前，電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是最借調(diào)的，并且作為開發(fā)的化學(xué)鍍鎳工藝模型的基礎(chǔ)。該模型適用于本文的過程監(jiān)控，該模型基于以下陽極和陰極反應(yīng)設(shè)計(jì)：

陽極反應(yīng)—次磷酸鹽氧化,如式(1)—式(4)。

(1)

陰極反應(yīng)—磷沉積，氫氣析出，鎳沉積：

(2)

2H++2e-?H2

(3)

(4)

在這些反應(yīng)中，當(dāng)以下中和反應(yīng)取代時，氫離子產(chǎn)生超過消耗并且pH指數(shù)的脫脂與氨添加平衡,如式(5)。

(5)

在實(shí)踐中，pH指數(shù)根據(jù)金屬翻轉(zhuǎn)(MTO)而增加，以補(bǔ)償由浴老化影響的降低的反應(yīng)速率，即正磷酸鹽等副產(chǎn)物積聚到浴中。通常，pH值指數(shù)的增加會降低沉積物中磷含量，降低板的耐腐蝕性，因此，需要一種監(jiān)測方法來確定與過程狀態(tài)相關(guān)的最佳電鍍條件。

1.2 系統(tǒng)檢測模模型

反應(yīng)(1)—(4)的放電模型是一個定向電極模型，其中反應(yīng)的電流密度由Buttler-Volmer方程計(jì)算，并通過加速或減速反應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式控制。達(dá)到試劑的濃度。

該模型可以在線估算產(chǎn)品參數(shù)(薄膜厚度，磷重量百分比)，以及電化學(xué)參數(shù)(沉積速度，混合和平衡電位，電流密度)和化學(xué)參數(shù)(反應(yīng)速率，低磷酸鹽和正磷酸鹽濃度，氫氣)從測量的pH指數(shù)，鎳濃度，試劑添加流速，浴溫，電鍍時間和浴負(fù)荷來確定進(jìn)化速率。數(shù)據(jù)流程圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)流圖

它代表了一個復(fù)雜的計(jì)算引擎(模型計(jì)算)，本文未對此進(jìn)行討論，在論文[7]中對其流程進(jìn)行了詳細(xì)描述，這種基于模型的監(jiān)測可以更快、更完整地提供產(chǎn)品(板)和浴槽參數(shù)的當(dāng)前狀態(tài)。 在發(fā)生故障的情況下，它允許快速檢測故障源，這對故障糾正至關(guān)重要。

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示的過程監(jiān)控模型集成在PTH工廠現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中，它通過浴槽控制器和飛行桿控制器與化學(xué)鍍鎳浴相互作用，對于時間序列分析選項(xiàng)，它也與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫相互作用,如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)組成圖

浴槽加載溫度控制：該控制器通過在浴槽中添加硫酸鎳、次磷酸鈉和穩(wěn)定劑來保持電鍍化學(xué)成分平衡，它還根據(jù)目標(biāo)譜控制pH指數(shù)。

操縱桿控制：是一種運(yùn)輸起重機(jī)，它將PTH鋼坯浸入或升高到浴槽中，同時還管理記錄寄存器并負(fù)責(zé)電鍍溫度，執(zhí)行測量和加熱。

實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫：實(shí)驗(yàn)室分析執(zhí)行最終質(zhì)量檢查，并在需要進(jìn)行某些校正時監(jiān)督操作員。分析包括產(chǎn)品參數(shù)(薄膜厚度，潤濕時間和力)，浴參數(shù)(pH指數(shù)，鎳和次磷酸鹽濃度)以及控制器蠕動泵的校準(zhǔn)，如果在線測量和實(shí)驗(yàn)室分析之間的系統(tǒng)偏差是發(fā)現(xiàn)。

過程監(jiān)控：該計(jì)算機(jī)根據(jù)電氣、化學(xué)和電路板參數(shù)表征過程的當(dāng)前狀態(tài)(參見圖1)，它還可以表示當(dāng)前時刻的電鍍歷史，并將其與實(shí)驗(yàn)室分析進(jìn)行比較。過程監(jiān)視器從浴缸控制器，操縱桿下載最新數(shù)據(jù)。

1.4 模型實(shí)驗(yàn)

如圖2所示。

過程監(jiān)控系統(tǒng)基于一個過程模型，該模型最初是在大量工業(yè)數(shù)據(jù)樣本上校準(zhǔn)的，并且顯示準(zhǔn)確。由于模型依賴性，監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與過程模型的準(zhǔn)確性直接相關(guān)，在本文中，監(jiān)測系統(tǒng)回顧性地測試了如下所示的大量獨(dú)立工業(yè)數(shù)據(jù)樣本。該數(shù)據(jù)表示在6個浴壽命期間的電鍍浴行為，相當(dāng)于制造的284 390個PTH板，監(jiān)測驗(yàn)證是通過比較測量值的監(jiān)測值來進(jìn)行的，以便進(jìn)行測量。測量結(jié)果如圖3,4,5中完成，其中濃度與實(shí)驗(yàn)室分析進(jìn)行比較。

物種的濃度(pH指數(shù)，鎳，低磷酸鹽和正磷酸鹽)主要通過Buttler-Wolmer方程控制電流密度。因此，在化學(xué)鍍中，濃度用于過程控制，尤其是pH指數(shù)(如圖3所示)用于補(bǔ)償由浴老化引起的反應(yīng)速率降低。以MTO指數(shù)為特征的浴老化主要是由于正磷酸鹽積累。

從上面可以看出，化學(xué)鍍鎳反應(yīng)是一個復(fù)雜的過程，其中幾個工藝參數(shù)，如濃度，溫度，載荷，熔池老化等，通過復(fù)雜的，相當(dāng)矛盾的方式對反應(yīng)產(chǎn)生很大影響。在此過程中，一個參數(shù)的變化可以很容易地消除幾個控制工作的影響，使得過程監(jiān)控和控制變得困難。在這種方法中，對某些特定浴參數(shù)的監(jiān)督并不能保證穩(wěn)定，均勻的最終產(chǎn)品。因此，應(yīng)該通過監(jiān)督整個過程動態(tài)來取代對某些單個參數(shù)的監(jiān)督。

在化學(xué)鍍鎳工藝的情況下，這意味著不應(yīng)監(jiān)督單個參數(shù)，如試劑濃度，而應(yīng)監(jiān)督電化學(xué)過程，如電流密度和平衡電位。如果該方法的電化學(xué)核心處于平衡狀態(tài)，則沉積的合金也是均勻的。因?yàn)椴荒苤苯涌刂齐娏髅芏?，例如通過鎳濃度和pH指數(shù)，所以各個工藝參數(shù)用于過程控制。在這種情況下，可以通過使用在所提出的監(jiān)控概念中實(shí)現(xiàn)的過程模型來確定正確的控制動作。

2 總結(jié)

本文介紹了一種化學(xué)鍍鎳工藝監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用從PTH生產(chǎn)線收集的工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，結(jié)果表明，使用基于模型的監(jiān)測系統(tǒng)和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)測量，可以在電氣，化學(xué)和產(chǎn)品參數(shù)方面在線表征復(fù)雜過程。系統(tǒng)在線提供的數(shù)據(jù)類似于后來從實(shí)驗(yàn)室分析中獲得的數(shù)據(jù)。此外，它可以根據(jù)自然參數(shù)實(shí)現(xiàn)過程的在線狀態(tài)估計(jì)，因此提供了快速故障檢測和校正的選項(xiàng)，這在工業(yè)過程中是必不可少的。