基于智能可控雙脈沖電源在精密電鍍中的設(shè)計

杜 斌，王 玉

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

1 緒言

在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)和科研中，精密電鍍是一個非常關(guān)鍵的工藝過程，直接影響到電子器件的性能。從21世紀(jì)90年代，人們開始研究電鍍電源的電流波形對鍍層質(zhì)量的影響[1]。從此，電鍍電源波形經(jīng)歷了直流電源、脈沖電源、間歇脈沖電源、正負(fù)雙脈沖電源、多波形雙脈沖電源等幾個階段。

目前，隨著電鍍生產(chǎn)工藝流程越來越復(fù)雜，電鍍工藝要求的不斷提高，采用智能可控多波形脈沖電源進(jìn)行電鍍逐漸顯示出單向脈沖和雙脈沖電流無法比擬的優(yōu)點[2,3]，如從電源的電氣性能來看，通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)并降低電磁干擾，提高電源的穩(wěn)定性和智能化程度；從電源的工藝效果來看，數(shù)字化電源由于控制策略調(diào)整靈活，控制精度高以及控制參數(shù)穩(wěn)定性高，所以具有更好的工藝穩(wěn)定性和更好的工藝效果及節(jié)能效果等。顯然，采用智能可控多波形脈沖電源已成為趨勢，實踐證明：脈沖電鍍電源在細(xì)化結(jié)晶、改善鍍層結(jié)構(gòu)物理化學(xué)特性，節(jié)約能源等方面有著密切的關(guān)系，而且要想從中獲得更為理想的電鍍沉積層，就必須要更為有效的去控制脈沖電源的參數(shù)。

因此，本文依據(jù)本企業(yè)的實際生產(chǎn)需求，從精密電鍍行業(yè)實際生產(chǎn)出發(fā)，通過對進(jìn)口雙脈沖電源波形進(jìn)行智能可控系統(tǒng)的設(shè)計，從而達(dá)到改善電鍍件細(xì)化結(jié)晶，提高了鍍件鍍層的致密性。該設(shè)計方案同時也運用于實際生產(chǎn)線中，運行結(jié)果穩(wěn)定，鍍件達(dá)到預(yù)期結(jié)果。

2 智能可控多波形脈沖電源的設(shè)計

2.1 可控雙脈沖電源技術(shù)實現(xiàn)方案選擇

正向脈沖用來電鍍，反向脈沖用來電解。正向脈沖、反向脈沖交替施加電極，則鍍層呈現(xiàn)年輪樣的堅固鍍層。正向脈沖、反向脈沖交替施加電極，我們稱為雙脈沖。常見的波形視圖如圖1所示。

圖1 常見脈沖波形視圖

依據(jù)實際電鍍應(yīng)用情況，在電鍍過程的不同階段對雙脈沖電源的參數(shù)修改是不一樣的，如在電鍍的初始階段是不能有反向脈沖電流的，因為電鍍初期若使用反向脈沖電流會使得電鍍工件表面金屬離子進(jìn)入鍍液而污染電鍍?nèi)芤?，所以只有?dāng)鍍件表面微鍍了一層后，才可以進(jìn)行反向脈沖電鍍[4]。但對于雙脈沖電源，如果在電鍍過程中重新修改電源參數(shù)，很有可能造成操作上的失誤，同時由于人為參與電鍍過程，使得電鍍批件的重復(fù)性也降低。因此，智能可控多波形脈沖電源的設(shè)計就可以很方便地解決這一問題。

智能可控多波形脈沖電源是在現(xiàn)有雙脈沖電源基礎(chǔ)上，依據(jù)電鍍工藝需求，將對應(yīng)的電鍍脈沖參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實現(xiàn)輸出脈沖的頻率、輻值、占空比和工作時間在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，達(dá)到了工藝上預(yù)期所產(chǎn)生的效果，從而將脈沖電流分為數(shù)段，如圖2所示。

圖2 脈沖波形

T：電鍍總周期；T1：一階段電鍍周期；nf1：一階段正脈沖個數(shù)；nr1：一階段反脈沖個數(shù)；tfon1：一階段正脈沖導(dǎo)通周期；tfoff1：一階段正脈沖關(guān)閉周期；tron1：一階段反脈沖導(dǎo)通周期；troff1：一階段反脈沖關(guān)閉周期。

從上圖可以看出，此電源電鍍過程被分割成N階段，且每一階段均采用不同的參數(shù)設(shè)置，從而有了不同參數(shù)下的鍍層結(jié)構(gòu)有了差異，而這樣的交叉結(jié)合會增強(qiáng)該鍍層的致密性，同時由于鍍層的增加也增強(qiáng)了其韌性，因此，這種智能可控多波形脈沖可以有效地提升鍍件鍍層均勻性、致密性、光亮性，降低了孔隙率，其耐高溫、防腐、韌性等性能進(jìn)一步提升。

本設(shè)計采用PLC+上位機(jī)+觸摸屏模式開發(fā)，PLC精準(zhǔn)控制各類參數(shù)，觸摸屏進(jìn)行顯示和設(shè)置電鍍參數(shù)，上位機(jī)進(jìn)行過程參數(shù)記錄。該設(shè)計操作方便、直觀，可設(shè)置存儲50個電源波形，每個波形可以由50個不同的波形階段組成。

2.2 硬件架構(gòu)

本設(shè)計采用PLC+上位機(jī)+觸摸屏模式開發(fā)，系統(tǒng)硬件由歐姆龍PLC的CJ系列，維綸通觸摸屏，上位機(jī)采用自行開發(fā)系統(tǒng)，兩臺雙脈沖電源等器件組成。整個設(shè)計系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框圖

考慮到精準(zhǔn)控制波形，PLC采用當(dāng)下主流的歐姆龍CJ系列CPU31，該PLC具備輸入輸出點數(shù)5K步，指令執(zhí)行時間0.04μs以上，中斷任務(wù)的啟動時間31μs。觸摸屏采用市場占有率較為高的威綸通品牌。雙脈沖采用進(jìn)口迪那團(tuán)(Dynatronix)雙脈沖電源。

2.3 軟件架構(gòu)

軟件主要實現(xiàn)功能：

1) 電源輸出：在PLC的控制下，依據(jù)客戶電鍍工藝參數(shù)的要求，輸出至多10組波形，而客戶則可以智能調(diào)節(jié)電鍍參數(shù)，從而輸出不同組合的波形脈沖。

2) 觸摸屏模塊：PLC將各個電鍍工藝參數(shù)發(fā)送到觸摸屏模塊，控制觸摸屏模塊按特定模式下顯示并修改電源輸出脈沖的頻率、輻值、占空比和工作時間，同時可以進(jìn)行實時查該設(shè)置成功后的參數(shù)。

3) 電源工藝參數(shù)設(shè)置：通過觸摸屏虛擬鍵向PLC輸入或修改各個工藝參數(shù)。

軟件結(jié)構(gòu)部分由主程序和分段服務(wù)程序組成。

PLC軟件主程序完成系統(tǒng)初始化，同時掃描外部變量，流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

PLC初始化偽代碼如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)初始化代碼

PLC某段工作時間計時由外部中斷信號觸發(fā)代碼程序完成，如圖6所示。

圖6 部分產(chǎn)生脈沖代碼

3 技術(shù)實現(xiàn)及驗證該有效可行性

本文通過對進(jìn)口雙脈沖電源進(jìn)行智能可控系統(tǒng)的設(shè)計，從而達(dá)到改善電鍍件細(xì)化結(jié)晶，提高了鍍件鍍層的致密性。該智能可控多波形脈沖電源技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)項目中，如西安某航天所采用此智能可控多波形脈沖電源，鍍層測試結(jié)果：耐高溫450 ℃，15 min不變色，鹽霧試驗96 h 5級以上，比直流鍍金節(jié)約黃金35%。西安某航天所鍍銀工藝采用原配方，用普通直流電源進(jìn)行電鍍時易產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，致使產(chǎn)品合格率較低，且鍍銀層需達(dá)到6μm以上。但采用此智能可控多波形脈沖電源后，仍使用原配方工藝，結(jié)果顯示其當(dāng)鍍銀層厚度達(dá)到2.5μm時，就可以達(dá)到質(zhì)量要求，而且克服了產(chǎn)品鍍層的邊緣效應(yīng)，預(yù)估可每年節(jié)約200公斤純銀。

4 結(jié)論

本文針對從電鍍行業(yè)生產(chǎn)特點出發(fā)，通過對進(jìn)口雙脈沖電源進(jìn)行智能可控系統(tǒng)的設(shè)計，從而達(dá)到改善電鍍件細(xì)化結(jié)晶，提高了鍍件鍍層的致密性。實踐結(jié)果表明，該設(shè)計方案已逐步應(yīng)用于當(dāng)前精密電鍍產(chǎn)線控制系統(tǒng)中，表現(xiàn)良好，運行穩(wěn)定，具備了更高的可行性和有效性。因此，該基于智能可控多波形雙脈沖電源在精密電鍍中的設(shè)計方案具有很好的應(yīng)用前景，值得推廣。