基于智能可控双脉冲电源在精密电镀中的设计

杜 斌，王 玉

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

1 绪言

在半导体器件的生产和科研中，精密电镀是一个非常关键的工艺过程，直接影响到电子器件的性能。从21世纪90年代，人们开始研究电镀电源的电流波形对镀层质量的影响[1]。从此，电镀电源波形经历了直流电源、脉冲电源、间歇脉冲电源、正负双脉冲电源、多波形双脉冲电源等几个阶段。

目前，随着电镀生产工艺流程越来越复杂，电镀工艺要求的不断提高，采用智能可控多波形脉冲电源进行电镀逐渐显示出单向脉冲和双脉冲电流无法比拟的优点[2,3]，如从电源的电气性能来看，通过系统软件实现软开关技术并降低电磁干扰，提高电源的稳定性和智能化程度；从电源的工艺效果来看，数字化电源由于控制策略调整灵活，控制精度高以及控制参数稳定性高，所以具有更好的工艺稳定性和更好的工艺效果及节能效果等。显然，采用智能可控多波形脉冲电源已成为趋势，实践证明：脉冲电镀电源在细化结晶、改善镀层结构物理化学特性，节约能源等方面有着密切的关系，而且要想从中获得更为理想的电镀沉积层，就必须要更为有效的去控制脉冲电源的参数。

因此，本文依据本企业的实际生产需求，从精密电镀行业实际生产出发，通过对进口双脉冲电源波形进行智能可控系统的设计，从而达到改善电镀件细化结晶，提高了镀件镀层的致密性。该设计方案同时也运用于实际生产线中，运行结果稳定，镀件达到预期结果。

2 智能可控多波形脉冲电源的设计

2.1 可控双脉冲电源技术实现方案选择

正向脉冲用来电镀，反向脉冲用来电解。正向脉冲、反向脉冲交替施加电极，则镀层呈现年轮样的坚固镀层。正向脉冲、反向脉冲交替施加电极，我们称为双脉冲。常见的波形视图如图1所示。

图1 常见脉冲波形视图

依据实际电镀应用情况，在电镀过程的不同阶段对双脉冲电源的参数修改是不一样的，如在电镀的初始阶段是不能有反向脉冲电流的，因为电镀初期若使用反向脉冲电流会使得电镀工件表面金属离子进入镀液而污染电镀溶液，所以只有当镀件表面微镀了一层后，才可以进行反向脉冲电镀[4]。但对于双脉冲电源，如果在电镀过程中重新修改电源参数，很有可能造成操作上的失误，同时由于人为参与电镀过程，使得电镀批件的重复性也降低。因此，智能可控多波形脉冲电源的设计就可以很方便地解决这一问题。

智能可控多波形脉冲电源是在现有双脉冲电源基础上，依据电镀工艺需求，将对应的电镀脉冲参数进行设置，实现输出脉冲的频率、辐值、占空比和工作时间在一定范围内连续可调，达到了工艺上预期所产生的效果，从而将脉冲电流分为数段，如图2所示。

图2 脉冲波形

T：电镀总周期；T1：一阶段电镀周期；nf1：一阶段正脉冲个数；nr1：一阶段反脉冲个数；tfon1：一阶段正脉冲导通周期；tfoff1：一阶段正脉冲关闭周期；tron1：一阶段反脉冲导通周期；troff1：一阶段反脉冲关闭周期。

从上图可以看出，此电源电镀过程被分割成N阶段，且每一阶段均采用不同的参数设置，从而有了不同参数下的镀层结构有了差异，而这样的交叉结合会增强该镀层的致密性，同时由于镀层的增加也增强了其韧性，因此，这种智能可控多波形脉冲可以有效地提升镀件镀层均匀性、致密性、光亮性，降低了孔隙率，其耐高温、防腐、韧性等性能进一步提升。

本设计采用PLC+上位机+触摸屏模式开发，PLC精准控制各类参数，触摸屏进行显示和设置电镀参数，上位机进行过程参数记录。该设计操作方便、直观，可设置存储50个电源波形，每个波形可以由50个不同的波形阶段组成。

2.2 硬件架构

本设计采用PLC+上位机+触摸屏模式开发，系统硬件由欧姆龙PLC的CJ系列，维纶通触摸屏，上位机采用自行开发系统，两台双脉冲电源等器件组成。整个设计系统框图如图3所示。

图3 系统框图

考虑到精准控制波形，PLC采用当下主流的欧姆龙CJ系列CPU31，该PLC具备输入输出点数5K步，指令执行时间0.04μs以上，中断任务的启动时间31μs。触摸屏采用市场占有率较为高的威纶通品牌。双脉冲采用进口迪那团(Dynatronix)双脉冲电源。

2.3 软件架构

软件主要实现功能：

1) 电源输出：在PLC的控制下，依据客户电镀工艺参数的要求，输出至多10组波形，而客户则可以智能调节电镀参数，从而输出不同组合的波形脉冲。

2) 触摸屏模块：PLC将各个电镀工艺参数发送到触摸屏模块，控制触摸屏模块按特定模式下显示并修改电源输出脉冲的频率、辐值、占空比和工作时间，同时可以进行实时查该设置成功后的参数。

3) 电源工艺参数设置：通过触摸屏虚拟键向PLC输入或修改各个工艺参数。

软件结构部分由主程序和分段服务程序组成。

PLC软件主程序完成系统初始化，同时扫描外部变量，流程图如图4所示。

图4 系统主程序流程图

PLC初始化伪代码如图5所示。

图5 系统初始化代码

PLC某段工作时间计时由外部中断信号触发代码程序完成，如图6所示。

图6 部分产生脉冲代码

3 技术实现及验证该有效可行性

本文通过对进口双脉冲电源进行智能可控系统的设计，从而达到改善电镀件细化结晶，提高了镀件镀层的致密性。该智能可控多波形脉冲电源技术已经应用于实际生产项目中，如西安某航天所采用此智能可控多波形脉冲电源，镀层测试结果：耐高温450 ℃，15 min不变色，盐雾试验96 h 5级以上，比直流镀金节约黄金35%。西安某航天所镀银工艺采用原配方，用普通直流电源进行电镀时易产生边缘效应，致使产品合格率较低，且镀银层需达到6μm以上。但采用此智能可控多波形脉冲电源后，仍使用原配方工艺，结果显示其当镀银层厚度达到2.5μm时，就可以达到质量要求，而且克服了产品镀层的边缘效应，预估可每年节约200公斤纯银。

4 结论

本文针对从电镀行业生产特点出发，通过对进口双脉冲电源进行智能可控系统的设计，从而达到改善电镀件细化结晶，提高了镀件镀层的致密性。实践结果表明，该设计方案已逐步应用于当前精密电镀产线控制系统中，表现良好，运行稳定，具备了更高的可行性和有效性。因此，该基于智能可控多波形双脉冲电源在精密电镀中的设计方案具有很好的应用前景，值得推广。