用於產生電解金屬電鍍電流脈衝的方法及電路結構的製作方法
2023-04-24 18:20:06
專利名稱：用於產生電解金屬電鍍電流脈衝的方法及電路結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種產生具有大電流強度及大邊沿斜率的周期性重複的短暫電流脈衝。此外涉及一種用於電解金屬電鍍的、尤其是實施該方法的電路結構。該方法可應用於電解金屬電鍍，最好用於印刷電路板的垂直或水平電鍍。這種電鍍方式被稱為脈衝電鍍。
藉助脈衝狀電流可影響金屬電解澱積層是公知的。這涉及澱積層的化學及物理性能。這也涉及被處理工件表面上金屬鍍層的均勻性，即所謂的分散度。以下的脈衝電鍍電流參數影響這些性能-脈衝頻率-脈衝時間-間隔時間-脈衝幅值-脈衝上升時間-脈衝下降時間-脈動極性(電鍍、去電鍍層)。
在文獻DE 2739427 A1中描述了使用脈衝電解槽電流的電鍍。那裡單極性的脈衝具有最大為0．1毫秒的寬度。脈衝時間、脈衝間隔時間及脈衝幅值是可變的。為了產生這種脈衝使用了半導體開關，這裡為電晶體的形式。其缺點在於，由於使用開關電晶體，最大可使用的脈衝電解槽電流在技術和經濟上受到限制，其上限約為幾百安培。
在文獻DE 4005346 A1中描述的方法可避免該缺點。那裡為了產生電流脈衝使用了可關斷晶閘管作為快速開關元件(GTO可控制極關斷的晶閘管)。技術上可應用的GTPO適於高至1000安培及更大的電流。
在以上兩種情況下當需要雙極性脈衝時，技術成本應成雙、即加倍。在也是涉及脈衝電鍍的文獻GB-A2 214 520中的一個實施方式避免使用第二個電解槽電流源，這時為了改變供電直流電壓的極性採用了機械、機電或半導體的開關。但是，所需的大電流開關是有缺點的。此外該系統無靈活性，因為在兩個極性上必須以相同的電流幅值工作，除非在短暫大脈衝的情況下實際可應用的電解槽電流源中電流的幅值不用足夠快地跟隨調節。因此，在該文獻的另一實施方式中採用兩個彼此無關的可調節電解槽電流源工作。這些電解槽電流源通過一轉換開關與放在電解槽中的工件及電極相連接。由於在印刷電路板電鍍時出於所要求的精確度(恆定的鍍層厚度)的原因，必須採用可對電路板正面及背面單獨調節的各個直流電流源，因此使實現根據該實施方式的方法所需的成本加倍，總共要四個電解槽電流源。
除了這種高技術成本外，尤其對於每個印刷電路板面各採用的第二個電解槽電流源，大電流電子開關將引起大的能耗。在每個電子開關中，在導通狀態下在內部非線性電阻上流過電流時產生了電壓降。這同樣適用於各種類型的半導體元件，但具有不同量值的電壓降。隨著電流增大，該電壓降，或稱飽和電壓或導通壓降UF也變大。在電鍍技術通常使用的電流例如1000安培的情況下，導通壓降UF在二極體及晶體三極體的情況下約為1V及在晶閘管的情況約為2V。在每個半導體元件上的損耗功率PV將根據公式PV=UF×IG來計算，式中IG為電鍍電流。當IG=1000A時，損耗功率PV達到1000瓦至2000瓦。這些由於電子開關附加產生的熱量必須通過冷卻排走。在原有的電解槽電流源中同樣形成至少相同數量級的損耗功率，它是不可避免的。在繼續的討論中不再考慮這種損耗，以下僅考慮對於脈衝發生附加產生的損耗功率。
一個電鍍設備由多個電鍍槽組成。它們被供給大的槽電流。作為例子將考慮用於在印刷電路板上鍍銅的、由酸性電解液形成的水平式設備。脈衝技術的應用實質性地改善了印刷電路板小孔中的銅澱積量。當脈衝的極性周期性地交替變化時，已證實這是特別有效的。在被處理物品為陰極性時，例如以具有10毫秒脈衝寬度的電流脈衝工作。該脈衝後可跟隨一個具有1毫秒寬度的陽極脈衝。在脈衝式陰極電鍍時最好將電流密度選擇為大於或等於用該電解液在直流電鍍時所採用的電流密度。在短暫陽極電流脈衝時用比陰極脈衝階段顯著大的電流密度發生一個去電鍍層過程。最好陽極階段與陰極階段的比例係數約為4。
印刷電路板將雙面地即其正面及反面用分開的電解槽電流源進行電鍍。作為例子將考慮一個水平式電鍍設備的5個電解槽。對於每個板面它具有五個例如具有1，000安培額定電流的電解槽電流供給單元，也即具有總共為10，000安培的10個電解槽電流供給裝置。用於電鍍的槽電壓在酸性銅電解液的情況下為1至3伏，並與電流密度有關。由於大電流，作為例子在文獻DE4005346A1中考慮了建議電路的能量計算(圖7)。由該電路結構產生的正脈衝作為電鍍脈衝並具有t=10毫秒的寬度及它產生的負脈衝作為去電鍍層脈衝並具有顯著大的幅度及t=1毫秒的寬度，這將作為以下討論的基礎。這裡將忽略由於小的邊沿斜率引起的不精確度。因此在圖7所示的電路結構中的半導體元件6，9，5在10毫秒的時間中導通所有的電鍍電流。這些開關元件的損耗功率對於每個電解槽電流源用上述導通壓降UF來計算其值將為(2伏+1伏+2伏)×1，000安培=5，000瓦。對於半導體元件7和8根據其任務將在1毫秒的時間中流過4倍的電流。其損耗功率共計為PV=(2伏+2伏)×4000安培=16，000瓦。對於11毫秒長的周期，因此其平均的大電流開關損耗功率為6，000瓦。對於10個槽電流源得到60KW(千瓦)的損耗功率。為了確定效率，將該功率與直接在電解槽中轉換到電鍍及去電鍍層用的功率相比較。對此假定在酸性銅電解槽上的槽電壓對於電鍍為2伏，及對於去電鍍層為7伏。由此用於脈衝電鍍的槽總功率平均值共計為約4．5KW(對於10毫秒為2伏×1000安培及對於1毫秒為7伏×4000安培)。因此由以上計算出的其值為6KW的損耗相對於電解槽的總功率，僅是大電流開關的效率就明顯低於50％。
這樣一種由電子大電流開關構成的電鍍設備的工作根本是不經濟的。並且，用於電子開關及其冷卻的技術成本非常高。其後果是，這種脈衝電流裝置也具有大體積，這就阻礙了在電解槽附近的空間安裝它。為了在電解槽中的電極上能達到所需的槽電流的邊沿斜率，這種空間上的接近是必要的。長的電導線由於其寄生電感將阻止電流的快速上升。
機電開關與電子開關相比在導通狀態下具有明顯低的電壓降。但是開關或繼電器對於所需的其值為100赫茲的高脈衝頻率是完全不適合的。出於所述的技術原因，公知的脈衝電鍍被局限在專門的應用上並尤其局限在電鍍技術意義上的低脈衝電流上。
因此，本發明的任務是，尋求一種方法及電路結構，通過它們可以產生用於電鍍的、周期性重複的短暫單極性或雙極性脈衝狀大電流，且不會出現所述缺點，尤其是不會產生大的損耗功率。此外，為此所需的電子開關也可成本合理地實現。
該任務將通過在獨立權利要求1及11中給出的發明方案來解決。
本發明在於在一個由電解槽直流電流源、電導線及具有被電鍍物品及陽極的電解槽組成的電鍍直流電路、即所謂大電流迴路中，藉助一個適合的部件、例如一個電流互感器以感應的方式耦合入這樣極性的一個脈衝狀電流，即它補償了或過補償了電解槽直流電流。最好，該部件與電解電鍍槽串聯。為此，例如將具有線圈數少的電流互感器次級線圈串聯在電解槽直流電路中，以使得電解槽直流電流將通過它。該電流互感器的初級線圈具有的圈數多，以致初級線圈的供電脈衝根據匝數比可以具有高電壓、低電流。感應的脈衝低次級電壓驅動高補償電流。為了使脈衝狀補償電流的電流迴路閉合，使用了與電解槽直流電流源並聯的電容器。
將藉助
圖1至6來詳細解釋本發明，附圖為圖1a至1e通常在實際中應用的單極性和雙極性電鍍電流波形；圖2a及2b向大電流迴路中供給補償電流的電路結構，圖2a適於電鍍期間及圖2b適於去電鍍層期間；圖3在使用圖2所示電路結構的情況下電解槽電流的電流波形圖的概要表示；圖4a考慮到上升及下降時間情況下的大電流迴路的電壓波形；圖4b具有標註電位的電路圖；圖5用於電流互感器的一種可能的控制電路；圖6用於印刷電路板電鍍的電路結構的總體圖；圖7在DE 4005 346A1中描述的一個傳統的電路結構。
在附圖中表示為正的電解槽電流適用於電解金屬電鍍，也即，被處理的物品處於相對於陽極的負極性。而表示為負的電解槽電流適用於電解去金屬鍍層，在此情況下被處理的物品處於相對於陽極的正極性。
圖1a中的波形圖用於表示使用直流電的電鍍。在圖1b中電解槽電流短時地間斷。但仍保持單極性。也就是，電流方向未改變極性。脈衝時間最好為0．1毫秒至幾秒的數量級。間斷時間相對地短。圖1c表示具有不同幅值的單極性脈衝狀電流。圖1d表示一種雙極性也即短時改變極性的脈衝狀電流、它具有較長的電鍍時間及短暫的去鍍層時間。這裡去鍍層脈衝幅值是電鍍脈衝幅值的若干倍。在例如10毫秒的電鍍時間及1毫秒的去鍍層時間的情況下，相對於去鍍層所需之電荷量來說電鍍所需的電荷量有明顯的過剩。這種脈衝形狀尤其適應於具有小孔的印刷電路板的雙面電鍍。在圖1e中表示雙重脈衝波形，它能根據本發明的方法實現，這時單極性脈衝與雙極性脈衝交替更換。
對於電鍍電流來說電鍍槽很近似地呈現為歐姆負載。因此在圖1b中所示的電解槽供電的情況下，電解槽電流與其電壓同相。至電解槽及返回電流源的電導線具有的很小寄生電感可以被忽略。然而，脈衝電流包含交變電流。隨著脈衝沿斜率的增大，交變電流的高頻分量增大。陡的脈衝沿具有短暫的脈衝上升及下降時間。導線的電感對於這種交變電流呈現感抗。它使脈衝沿延遲。但這種效應在以下不再考慮。這與脈衝的發生方式無關，因而當不採取特殊措施時效果總是相同。最簡單的措施在於，使用具有很低歐姆電阻及電感抗的導線。在附圖中，為了簡化表示，其電鍍電流總是表示並假設為與電壓同相。
圖2a及2b表示根據本發明的藉助電流互感器1的脈衝狀補償電流供給電路。電解槽直流電流源2通過電導線3與電解槽相連接，在這裡電解槽以標號4的槽電阻RB來表示。在這個大電流迴路5中電流互感器1的次級線圈6與電解槽串聯地連接。該變壓器的初級側7由一個功率脈衝電子裝置8供電。該功率脈衝電子裝置8通過電網電壓端子9由電源供電。圖1d中所示脈衝的電流及電壓波形原則上與圖1中其它的波形圖相對應。其區別僅在於補償電流的瞬時值。因而在以下的圖中將表示及考慮屬於圖1d中的電壓及電流。
圖2a表示電鍍期間的工作狀態。作為例子其電位值表示在括號中。電容器C被充電到電壓UC≈UGR。電流互感器1上的電壓UTS其值為0伏。因此，若忽略電導線電阻及次級線圈6中電阻上的壓降，電解槽電阻RB上具有整流電壓UGR並產生電解電流IG。這個暫態相應於用直流電流電鍍的狀態。在大電流迴路5中，根據本發明不需要任何開關。
圖2b表示去電鍍層期間的工作狀態。各電位值不再能看作是靜態的。因此將去電鍍層脈衝結束時刻的電位表示在圖2b中的括號內。起始時刻的電位為圖2a的電位。功率脈衝電子裝置8以幅值隨時間改變的電流對電流互感器1的初級線圈7供電。該電流流過的時間相當於主電流迴路5中補償電流的持續時間。互感器初級電壓UTP的值是這樣的，即根據互感器的線圈匝數比在次級產生出一個感應電壓UTS，後者的狀態是驅動所需要的補償電流IK。同時，電容器C將從電壓UC≈UGR開始繼續由電壓UTS以時間常數T=RB×C充電。充電電流為補償電流IK，也即去電鍍層電流IE。當電容器C的電容量大的情況下，在短時間中充電電流引起的電壓升高保持在低值上。原則上，也可用蓄電池來取代電容器C。在去電鍍層時間間隔中由整流橋電路組成的電解槽直流電流源2將自動被關斷，因為由於充電電壓UC＞UGR。因此，不需要使用任何附加開關元件，在由感應電壓UTS產生電解槽電流IGR對電流迴路供電的時間間隔中，直流電流源2將自動地不對電流迴路供給電流。但在電流補償後重新由直流電流源供給電解槽電流。為了避免在關斷瞬間電解槽直流電流源2中載流子恢復的整流元件中流過短時的反向電流可在大電流迴路5中串聯一個電抗器11。在該路徑中將通過電流互感器1獲得用於去電鍍層的能量。在次級線圈6中的大的但短暫的去電鍍層電流IE是由初級繞圈供給的。通過電流互感器的變比使初級電流降低。
如果該互感器具有例如100∶1的變比，則對於4000安培的補償電流IK，初級僅供給約40安培。在該例中，對於次級電壓UTS=10V初級需要約1，000V。該功率脈衝電子裝置因此是對於高電壓及相對低的脈衝電流來被設計的。對此可提供成本合算的半導體元件。在主電流迴路5中對於大的去電鍍層電流於是也不需要任何大電流開關。
與公知技術相比較，用於脈衝發生消耗的功耗是非常低的。對主要功耗的計算已經表明了其區別在主要由電子開關組成的用於產生初級側脈衝電流的功率脈衝電子裝置中，當電流壓降UF=2V時，電子開關損耗功率為P=40安×2伏×(約)10％(導流時間)=8瓦。對於使互感器飽和的反向互感器電流所需的功率損耗同樣也是8瓦。因此在10個電解槽電流供給裝置的情況下，其功耗總共約160瓦。為了將根據本發明的電路的總電路損耗與公知電路的損耗相比較，在根據本發明的電路中必需計入電流互感器的損耗。如果互感器的耦合很好，例如採用常繞環形鐵芯及高磁導率薄片，則互感器的效率預計為η=90％。因而在補償電流為4000安培及電壓為7V以及導流時間為10％的情況下，該功耗共計為約560瓦。由此，對於10個根據本發明的電解槽電流供給裝置，用於產生脈衝狀電鍍電流的總損耗在電子開關上為160瓦及在電流互感器上為5600瓦。這些主要功耗的總和約為6千瓦。而在以上考慮的根據現有技術的例中，在使用10個電解槽電流供給裝置的情況下約為60千瓦。
同樣，對於實施根據本發明方法的技術費用實際上比使用傳統電路結構的情況要少。僅需要用大的電鍍電流及更大的去電鍍層電流對無源的電路元件加載。這實質上提高了脈衝電流供給裝置的可靠性。這樣構成的電鍍設備由此具有顯著增強的實用性。此外，它實際上可用較小的投資費用來實現。同時連續的能量消耗小。由於較小的技術費用這種脈衝裝置的體積小，並使得它能易於在電解槽附近實現。由此使主電流迴路的導線電感降低到最小值。
在圖3中概要地表示了電解槽電阻RB(電鍍槽20)的電流波形。因為RB是歐姆電阻，這時電解槽電流及電解槽電壓同相。補償電流開始於時間t1。其量值及方向將由瞬時電壓UC及UTS來確定。在時間t2時結束補償電流。隨後的電鍍電流IG由整流電壓UGR確定，這些電流值均與電解槽電阻RB有關。
其電壓隨時間變化的波形被表示在圖4a及4b的波形圖中。電鍍電流IG實際上與電鍍電壓UG同相。由于波形相同，因此未表示出IG。在時間點t=0時，整流電壓UGR、電容器電壓UC及電鍍電壓UG差不多相同。在該時刻電壓UTS為0伏。在時間t1時，在電流互感器1的次級繞組6上開始了電壓脈衝UTS1的上升。電壓UTS的極性是這樣的，即它使電鍍電壓UG1變負，以致可以去電鍍層。UG由瞬時電壓UC及UTS的和構成。電壓UTS的極性對於電容C是在形成充電電荷的方向上。因此電容器C開始繼續向電壓UTS充電並且其時間常數為T=RB×C。在時間點t2時，電壓脈衝UTS1開始下降。由於電流互感器次級迴路有限的電感，電壓脈衝的下降不是線性地終止的。通過電壓感應出現反極性電壓UTS2。該電壓這時與電容電壓UC相加。在槽電阻RB上出現短暫的升高電壓值UG2。電容C開始以時間常數T=RB×C放電，這時至少部分地或完全地放電。因此在時刻t3時電壓UTS為0伏。電解槽直流電流源又重新承擔對槽電阻RB的供電，使得UG≈UGR。這時電壓UGR、UC及UG又差不多等值。槽電阻RB上電壓短時升高從電鍍的原因來看是不希望有的。在實際中，這種尖峰值及這裡未述的另外尖峰值被明顯地整圓。需要的話，在次級線圈上並聯或在電流互感器鐵心上的其它線圈上並聯一個續流二極體可使槽電阻RB上的電壓升高進一步衰減。對此則形成時間較長的、小的電壓升高值。這裡對於公知的電感電路不再詳細討論，同樣，對於作為脈衝變壓器構成的電流互感器的結構也不再詳細討論。在互感器的初級這樣地供給脈衝，即避免互感器鐵心的磁飽和。為了去磁，在每個電流脈衝後的脈衝間歇的足夠時間中提供一個反極性的電流。為此目的，可在互感器鐵心上繞制一個附加線圈。圖5表示一個在初級調節電流互感器1的例子。輔助電壓源12由一個電容量為C的輸入電容13支持。一個電子開關14。這裡是一個IGBT(絕緣柵雙極性電晶體)，由電壓脈衝15進行控制。在電子開關14的導通狀態下，在電流互感器初級線圈7的部分線圈Ⅰ中流過初級電流，及在該簡化電路情況下在部分線圈Ⅱ中流過去磁飽和電流。在電子開關不導通狀態下，僅在部分線圈Ⅱ中流過去磁飽和電流。為了降低成本，這裡對於去磁電流省掉另一個可能使用的電子開關。對於部分線圈Ⅰ和Ⅱ的圈數及持續流過小電流的降壓電阻14彼此這樣地設計，即不會產生電感器鐵心的飽和。圖5中的電流波形圖18概要地表示出初級電流ITP。
圖6表示脈衝電流單元19在一個電鍍槽20中的應用，槽中具有垂直設置的被電鍍物品，對此使用了兩個電解槽直流電流源2，用於對扁平被電鍍物品、如印刷電路板的正、反面電鍍。印刷電路板21的每面單獨由一個這樣的電流源2供給電鍍電流。印刷電路板每面的對面設有一個陽極22。在短暫的去電鍍層脈衝期間該陽極作為相對被處理物品的陰極工作，而被處理物品這時為陽極性。
兩個脈衝電流單元可以彼此不同步或同步地工作。當兩個脈衝電流單元相同頻率的脈衝鏈同步工作並同時出現脈衝的相位移時，對印刷電路板的孔的電鍍是有利的。相位移必需這樣，即在印刷電路板的一面上為電鍍階段時，在其另一面上出現去電鍍層脈衝，反之亦然。在此情況下改善了金屬分布，即改善了孔電鍍。但在被處理物品正、反面分開電解處理時也可使用相同頻率的脈衝鏈彼此異步地工作。
本發明適於所有的脈衝電鍍方法。它可用於垂直地或水平地工作的電鍍設備、浸漬及過濾設備。在後一情況下扁平的被電鍍物品在處理時可保持在水平或垂直位置上。在本說明書中所述的時間和幅值可以在實際應用情況下變更到另外的範圍上。
權利要求
1．產生用於電鍍的、周期性重複的短暫單極性或雙極性脈衝狀電流IG、IE的方法，其特徵在於在一個由直流電流源(2)及具有槽電阻RB的電鍍槽(20)構成的電鍍直流電流迴路(5)中藉助一個與電鍍槽(20)串聯的部件(1)以感應的方式耦合入這樣極性的一個脈衝狀補償電流IK，即它補償了或過補償了由直流電流源(2)提供的電鍍槽電流。
2．根據權利要求1的方法，其特徵在於使用一個互感器作為部件(1)。
3．根據以上權利要求中任一項的方法，其特徵在於補償電流IK被導致對一個起電容器C作用的部件(10)、最好是一個電容器或蓄電池充電。
4．根據以上權利要求中任一項的方法，其特徵在於起電容器C作用的電路部件(10)在槽電流不被補償或過補償的時間間隔期中被部分地放電。
5．根據以上權利要求中任一項的方法，其特徵在於為了產生單極性電流脈衝，脈衝狀補償電流IK的幅值調整到至少與由直流電流源(2)供給的槽電流的幅值相同。
6．根據以上權利要求1至4中任一項的方法，其特徵在於為了產生雙極性電流脈衝，脈衝狀補償電流IK的幅值調整到大於由直流電流源(2)供給的槽電流的幅值。
7．根據以上權利要求中任一項的方法，其特徵在於用於去電鍍層的脈衝狀電流IE的幅值被調整到大於用於電鍍的脈衝狀電流IG的幅值，及電流IE的脈衝寬度被調整到短於電流IG的脈衝寬度。
8．根據以上權利要求中任一項的方法，其特徵在於在對被電鍍物品的正、反面分開地用脈衝狀電流電解供電的情況下，對兩個面同步地調節相同頻率的脈衝序列。
9．根據權利要求8的方法，其特徵在於在被電鍍物品正及反面上的脈衝狀電流之間這樣地調整恆定的相移，即在被電鍍物品的兩個面上不同時地被去電鍍層。
10．根據以上權利要求中任一項的方法，其特徵在於使用環形鐵心的電流互感器作為與電鍍槽串聯的部件(1)。
11．用於電鍍的電路結構，通過該裝置可產生周期性重複的短暫單極性或雙極性脈衝狀電流IG、IE，尤其是用於實施根據權利要求1至10的方法，其特徵在於具有一個由直流電流源(2)及電鍍槽(20)構成的電鍍直流電流迴路(5)，其中藉助一個與電鍍槽(20)串聯的部件(1)以感應的方式耦合入這樣極性的一個脈衝狀補償電流IK，即它補償了或過補償了由直流電流源(2)提供的電鍍槽電流。
12．根據權利要求11的電路結構，其特徵在於與直流電流源(2)並聯一個電容器C。
13．根據權利要求11或12的電路結構，其特徵在於使用一個具有初級線圈(7)及次邊線圈(6)的電流互感器作為部件(1)，其中次邊線圈與直流電流源(2)串聯，及初級線圈具有的圈數大於次進線圈的圈數。
14．產生用於電鍍的、周期性重複的短暫單極性或雙極性脈衝狀電流IG、IE的方法，其特徵在於單個或所有的公開特徵中的新特徵或其組合。
15．用於電鍍的電路結構，通過該裝置可產生周期性重複的短暫單極性或雙極性脈衝狀電流IG、IE，其特徵在於單個或所有公開特徵中的新特徵或其組合。
全文摘要
本發明涉及產生用於電鍍的、周期性重複的短暫單極性或雙極性脈衝狀電流I
文檔編號C25D5/18GK1205745SQ96199166
公開日1999年1月20日 申請日期1996年9月27日 優先權日1995年12月21日
發明者埃戈·休伯 申請人:阿託特德國有限公司