CN105040087B - 一种用于实验室内优化电镀参数的方法以及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于实验室内优化电镀参数的方法以及装置。主要目的在于提供一种装置和方法，可以通过实时监测镀件的电压，测算镀件的阴极极化程度达到优化电镀参数的目的。方法包括：将该装置输出电缆的输出端分别连接阳极、镀件与参比电极；测试未接通电源时阴极的初始电位E_镀0；根据所要优化的电镀参数，在装置显示屏上设置合适的坐标轴；在不同的电镀参数的情况下，该装置跟踪记录不同电镀参数下的阴、阳极外加电压、镀件电位E_镀、阳极电位E_阳、电镀回路中的电流I；采集上一步骤的数据E_镀，并计算阴极极化值│ΔE│=E_镀‑ E_镀0，E_镀0为初始电位；以电镀参数为x轴，阴极极化值│ΔE│为y轴，绘制图形，确定极值点处对应的x轴电镀参数为最优电镀参数。

Description

一种用于实验室内优化电镀参数的方法以及装置

技术领域

本发明涉及一种用于实验室内优化电镀参数的方法以及装置。

背景技术

电镀是镀液中的金属阳离子在外电场的作用下沉积到镀件的过程，也就是外加电源对电解池放电的过程。研究电镀主要是研究电镀参数（镀液成分、工艺参数）对镀层性能的影响。然而，目前在电镀的实验教学中，只能通过电镀试镀完成之后，根据试镀镀层外观形貌的好坏或者通过借助其它测试仪器测试试镀镀层的性能来筛选合适的电镀参数；却不存在一台专门的仪器通过解析电镀过程中的数据而达到优化电镀参数的目的。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种用于实验室内优化电镀参数的方法以及装置，该方法主要是通过实时监测镀件的电压，可分析出镀件的阴极极化程度，从而优化电镀参数（镀液成分、工艺参数）。

本发明的技术方案是：该种用于实验室内优化电镀参数的装置，包括一个仪器壳体，在所述仪器壳体上固定有设备显示屏、电压表、外加电压调节旋钮、电流表、时钟、工作指示灯、超载指示灯、USB接口、搅拌开关、电镀开关、优化开关以及键盘区，此外，所述仪器壳体内固定有：

用于实现电镀控制和优化参数控制的电路板，所述电路板由置位电路、220V供电电路、电压转换电路、电机搅拌电路、晶振电路、USB通信芯片、电压测试回路、模数转换电路以及排阻电路按照电路连接原理连接而成；其中，所述设备显示屏用于显示的是该设备在固定的外加电压下的外加电压的值、电镀回路中的电流、镀件的电极电位、阳极的电极电位；所述电压表显示的是电镀过程中，阳极与镀件之间的电压，为测试的过程提供参考数值；所述外加电压调节旋钮用于调节加在阴、阳两极的电压；所述电流表用于显示的是电镀过程中，阳极与镀件之间的电流，为测试的过程提供参考数值；所述时钟用来记录电镀时间；所述工作指示灯用于指示此灯亮时，说明是工作状态；所述超载指示灯用于输出电压、电流超载指示，当输出电压或电流大于量程最大值时，指示灯亮；所述USB接口可与计算机、照相机、打印机等相连；所述搅拌开关用于选择在电镀测试过程中，开启搅拌功能，当按钮按下ON方向，为搅拌，当按钮按下OFF方向，为不搅拌；

所述电镀开关用于当按钮按下ON方向，整个装置处于电镀状态，当按钮按下OFF方向，关闭电镀开关；所述优化开关用于当按钮按下ON方向，整个装置处于优化电镀参数状态，当按钮按下OFF方向，关闭优化开关；所述键盘区共分三个区域，包括数字键盘区、图型选择区、和参数选择区，主要实现在不同参数测得的不同图形的情况下，进行选择编辑功能。

利用所述装置实现优化电镀参数的方法，该方法由如下步骤组成：

（1）将所述优化电镀参数的装置中的输出电缆的三个输出端分别连接阳极、镀件与参比电极；

（2）打开该装置的测试开关，装置处于测试状态，测试未接通电源时阴极的初始电位E_镀0；

（3）根据所要优化的电镀参数，在装置显示屏上设置合适的坐标轴；

（4）打开装置的工作开关，使装置处于工作状态，在不同的电镀参数的情况下，该装置跟踪记录不同电镀参数下的阴、阳极外加电压（槽电压V）、镀件电位E_镀、阳极电位E_阳、电镀回路中的电流I；

（5）该装置采集上一步骤的数据E_镀，并计算阴极极化值│ΔE│=E_镀- E_镀0，其中：E_镀0为初始电位；

（6）以电镀参数为x轴，阴极极化值│ΔE│为y轴，绘制图型。通过观察分析出在图型的极值点处对应的x轴的电镀参数为最优的电镀参数。

本发明具有如下有益效果：本种优化电镀参数的方法以及装置，实现了在电镀过程中，可以根据镀件阴极极化程度的大小进行优化电镀参数的目的，不需要在固定的参数下试镀完成之后根据试镀镀层外观形貌的好坏或者通过借助其它测试仪器测试试镀镀层的性能来筛选合适的电镀参数。该方法具有以下优点：简单便捷，大大的提高了工作效率；第一次的量化了电镀过程中镀件的阴极极化程度，为电镀优化工艺提供了有效的数据保障；比传统的优化方法在性能方面得到的结果更精确（如：有可能在肉眼观察的外观形貌好的性能不如形貌偏差一些的性能好）。

附图说明：

图1是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的外观结构示意图。

图2是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的内部电路组成框图。

图3是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的内部电路中排阻电路的电路图。

图4是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的内部电路中置位电路的电路图。

图5是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的内部电路中液晶显示电路的电路图。

图6是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的内部电路中应用到的LTLC1型模数转换电路的电路图。

图7是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的内部电路中应用到的STLC1型模数转换电路的电路图。

图8是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的内部电路中应用到的89C51芯片与键盘连接后的电路图。

图9是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的内部电路中应用到的与图8中所述89C51芯片相连接的晶振电路以及PL2303芯片的电路图。

图10是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的内部电路中应用到的USB接口电路的电路图。

图11是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的内部电路中应用到的电压转换电路的电路图。

图12是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的内部电路中应用到的电压测试回路与电机搅拌电路的电路图。

图13是本发明所述方法的测量原理图。

图14是本发明具体实施例中的测量原理图。

图15是本发明具体实施例中用于优化电流时的电流实时测量数据曲线图。

图16是本发明具体实施例中用于优化电流时的镀件和工件的电位实时测量数据曲线图。

图17是本发明具体实施例中用于优化电流时的利用本发明所述装置而获得的电镀电流大小（优化参数）与阴极极化值得关系曲线图。

图18是本发明具体实施例中用于优化镀液成分（以缓冲剂、光亮剂为例）时利用本发明所述装置而获得的光亮剂含量（优化参数）与阴极极化值关系曲线图。

图19是本发明具体实施例中用于优化镀液成分（以缓冲剂、光亮剂为例）时利用本发明所述装置而获得的缓冲剂含量（优化参数）与阴极极化值关系曲线图。

图20至图24是5张不同电镀参数下获得的电镀铜镀层外观形貌图。

图25是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的内部电路中应用到的220V供电电路的电路图。

图26是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的内部程序逻辑图。

图27是本发明所述用于实验室内优化电镀参数的装置的内部电路完整图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1至图12所示，该种用于实验室内优化电镀参数的装置，包括一个仪器壳体，在所述仪器壳体上固定有设备显示屏1、电压表2、外加电压调节旋钮3、电流表4、时钟5、工作指示灯6、超载指示灯7、USB接口8、搅拌开关9、电镀开关10、优化开关11以及键盘区12，此外，所述仪器壳体内固定有用于实现电镀控制和优化参数控制的电路板，所述电路板由置位电路、220V供电电路、电压转换电路、电机搅拌电路、晶振电路、USB通信芯片、电压测试回路、模数转换电路以及排阻电路按照电路连接原理连接而成；其中，所述设备显示屏用于显示的是该设备在固定的外加电压下的外加电压的值、电镀回路中的电流、镀件的电极电位、阳极的电极电位；所述电压表显示的是电镀过程中，阳极与镀件之间的电压，为测试的过程提供参考数值；所述外加电压调节旋钮用于调节加在阴、阳两极的电压；所述电流表用于显示的是电镀过程中，阳极与镀件之间的电流，为测试的过程提供参考数值；所述时钟用来记录电镀时间；所述工作指示灯用于指示此灯亮时，说明是工作状态；所述超载指示灯用于输出电压、电流超载指示，当输出电压或电流大于量程最大值时，指示灯亮；所述USB接口可与计算机、照相机、打印机等相连；所述搅拌开关用于选择在电镀测试过程中，开启搅拌功能，当按钮按下ON方向，为搅拌，当按钮按下OFF方向，为不搅拌；

所述电镀开关用于当按钮按下ON方向，整个装置处于电镀状态，当按钮按下OFF方向，关闭电镀开关；所述优化开关用于当按钮按下ON方向，整个装置处于优化电镀参数状态，当按钮按下OFF方向，关闭优化开关；所述键盘区共分三个区域，包括数字键盘区、图型选择区、和参数选择区，主要实现在不同参数测得的不同图形的情况下，进行选择编辑功能。

电路板上的优化参数模块又分为两部分，一是数据测量、采集和分析部分，二是数据显示、存储部分。本发明中用于优化电镀参数的装置能实现两大功能：一是电镀功能；二是优化电镀参数。当打开该装置的电镀按钮时，即就是接通图25中的S17开关，指示灯LED1亮，图12中的S18开关，该装置就是一个电镀电源，当打开测试开关时，即就是接通图12中的S19、S20开关测量阳极与参比电极之间的电位，接通S21开关测量阴极与参比电极之间的电位，该装置进行优化电镀参数的测试。

众所周知，镀件的镀层性能取决于镀件的阴极极化程度，阴极极化程度越大，镀件的镀层性能越好。在电镀过程中，阴极的极化程度主要受电镀参数的影响。因此，在电镀过程中优化电镀参数就是增大阴极极化程度。本发明就是基于上述原理发明了一种用于实验室内优化电镀参数的新颖方法及装置。

所谓阴极极化是在电镀过程中，有电流通过镀件时，镀件的电极电位偏离初始电位的现象。偏离的程度越大，阴极极化程度也就越大。若量化阴极极化程度，则需测出镀件的电极电位与初始电位之间的差值。本发明就是通过实时监测镀件的电压，测算镀件的阴极极化程度从而达到优化电镀参数的目的。

如图13测量原理图所示：V₁是阴、阳极之间的电位差，当接通电源时，该装置为一个电解池，这时V₁可看作是电镀过程中的阴、阳极外加电压，也就是槽电压V；V₂是阳极与参比电极的电位差，也就是阳极在电解质溶液中相对参比电极的电极电位E_阳；V₃是镀件与参比电极的电位差，也就是阴极在电解质溶液中相对参比电极的电极电位E_镀；本发明就是通过监测图13中的V₃随电镀参数的变化，计算分析在不同电镀参数的阴极极化程度，优化电镀参数。在该发明中，阴极极化程度用阴极极化值表征。阴极极化值│ΔE│越大，阴极极化程度越大。

本发明提出的优化电镀参数的方法具体步骤如下：①将优化电镀参数装置输出电缆的三个输出端分别连接阳极、镀件、与参比电极；②打开该装置的测试开关，装置处于测试状态，测试未接通电源时阴极的初始电位E_镀0；③根据所要优化的电镀参数，在装置显示屏上设置合适的坐标轴；④打开装置的工作开关，使装置处于工作状态，在不同的电镀参数的情况下，该装置跟踪记录不同电镀参数下的阴、阳极外加电压（槽电压V）、镀件电位E_镀、阳极电位E_阳、电镀回路中的电流I；⑤该装置采集上一步骤的数据E_镀，并计算阴极极化值│ΔE│=E_镀- E_镀0，其中：E_镀0为初始电位。⑥以电镀参数为x轴，阴极极化值│ΔE│为y轴，绘制图型。通过观察分析出在图型的极值点处对应的x轴的电镀参数为最优的电镀参数。下面给出1个具体实施的示例：

以酸性镀铜为例：如图14所示， Cu为阳极，镀件为阴极，镀液主盐为CuSO₄，饱和Cu/CuSO₄为参比电极。对于电镀参数分情况讨论：

（1）优化电流

①将优化电镀参数装置输出电缆的三个输出端分别与Cu阳极、镀件、Cu/CuSO₄参比电极相连。②打开该装置的测试开关，即接通图10中（10）电压测试回路，测试Q235镀件的初始电位E_镀0；③根据所要优化电镀电流的范围为0～2A，故在装置显示屏上设置X轴的坐标范围为0～2，单位为A。而Y轴的取值范围是由该装置测算分析后自动给出的单位为mV；④打开该装置的电镀开关，即接通220V供电电路，使装置处于工作状态，通过旋转该装置的外加电压调节阀来调整电流，使电流在优化的范围内以一定的间隔由小到大调整（或者按照外电压以一定的间隔从小到大调整），同时该装置跟踪记录在不同的电镀电流（或者外加电压下）Cu阳极的电位E_阳，镀件的电位E_镀，Cu阳极与镀件阴极之间的外加电压（槽电压）V，电镀回路中的电流I；⑤该装置采集上一步骤的数据E_镀，并计算阴极极化值│ΔE│=E_镀- E_镀0。⑥以电流为x轴，阴极极化值│ΔE│为y轴，绘制图型。通过观察分析出在图型的极值点处对应的x轴的电镀参数为最优的电镀参数，如图17所示。

（2）优化镀液成分（以缓冲剂、光亮剂为例）

①将优化电镀参数装置输出电缆的三个输出端分别与Cu阳极、镀件、Cu/CuSO₄参比电极相连。②打开该装置的测试开关，即接通电压测试回路，测试Q235镀件的初始电位E_镀0；③根据缓冲剂的优化范围，在装置显示屏上设置X轴的坐标范围0.1～0.3，单位为ml/L（光亮剂的范围为0.1～0.5ml/L）。而Y轴的取值范围是由该装置测算分析后自动给出的，单位为mV；④打开装置的电镀开关，即接通220V供电电路，使装置处于工作状态，缓冲剂（光亮剂）从最低的含量往上添加，同时该装置跟踪记录在不同的缓冲剂（光亮剂）含量下的Cu阳极的电位E_阳，镀件的电位E_镀，Cu阳极与镀件阴极之间的外加电压（槽电压）V，电镀回路中的电流I；⑤该装置采集上一步骤的数据E_镀，并计算阴极极化值│ΔE│=E_镀- E_镀0。⑥以缓冲剂（光亮剂）为x轴，阴极极化值│ΔE│为y轴，绘制图型。通过观察分析出在图型的极值点处对应的x轴的电镀参数为最优的电镀参数，如图18、图19所示。

图20到图24是不同电镀参数下得到的外观形貌图。以优化电镀电流参数为例，采用传统优化工艺时，我们只能等到电镀完成之后，通过观察电镀铜镀层外观形貌图，例如图22的外观形貌最好，因此就会选择该图对应的电镀电流。或者是电镀完成之后，通过测试试样的耐蚀性能或机械性能进行筛选电镀参数。然而，本发明中优化电镀参数的方法以及装置，实现了在电镀过程中，可以根据镀件阴极极化程度的大小进行优化电镀参数的目的，不需要在固定的参数下试镀完成之后根据试镀镀层外观形貌的好坏或者通过借助其它测试仪器测试试镀镀层的性能来筛选合适的电镀参数。该方法具有以下优点：简单便捷，大大的提高了工作效率；第一次的量化了电镀过程中镀件的阴极极化程度，为电镀优化工艺提供了有效的数据保障；比传统的优化方法在性能方面得到的结果更精确（如：有可能在肉眼观察的外观形貌好的性能不如形貌偏差一些的性能好）。

Claims (2)

1.一种用于实验室内优化电镀参数的装置，包括一个仪器壳体，在所述仪器壳体上固定有设备显示屏(1)、电压表(2)、外加电压调节旋钮(3)、电流表(4)、时钟(5)、工作指示灯(6)、超载指示灯(7)、USB接口(8)、搅拌开关(9)、电镀开关(10)、优化开关(11)以及键盘区(12)，其特征在于：所述仪器壳体内固定有用于实现电镀控制和优化参数控制的电路板，所述电路板由置位电路、220V供电电路、电压转换电路、电机搅拌电路、晶振电路、USB通信芯片、电压测试回路、模数转换电路以及排阻电路按照电路连接原理连接而成；其中，所述设备显示屏用于显示的是该设备在固定的外加电压下的外加电压的值、电镀回路中的电流、镀件的电极电位、阳极的电极电位；所述电压表显示的是电镀过程中，阳极与镀件之间的电压，为测试的过程提供参考数值；所述外加电压调节旋钮用于调节加在阴、阳两极的电压；所述电流表用于显示的是电镀过程中，阳极与镀件之间的电流，为测试的过程提供参考数值；所述时钟用来记录电镀时间；所述工作指示灯用于指示此灯亮时，说明是工作状态；所述超载指示灯用于输出电压、电流超载指示，当输出电压或电流大于量程最大值时，指示灯亮；所述USB接口可与计算机、照相机、打印机相连；所述搅拌开关用于选择在电镀测试过程中，开启搅拌功能，当按钮按下ON方向，为搅拌，当按钮按下OFF方向，为不搅拌；

所述电镀开关用于当按钮按下ON方向，整个装置处于电镀状态，当按钮按下OFF方向，关闭电镀开关；所述优化开关用于当按钮按下ON方向，整个装置处于优化电镀参数状态，当按钮按下OFF方向，关闭优化开关；所述键盘区共分三个区域，包括数字键盘区、图型选择区、和参数选择区，主要实现在不同参数测得的不同图形的情况下，进行选择编辑功能。

2.一种用于实验室内利用权利要求1所述装置实现优化电镀参数的方法，该方法由如下步骤组成：

(1)将权利要求1中所述优化电镀参数的装置中的输出电缆的三个输出端分别连接阳极、镀件与参比电极；

(2)打开该装置的测试开关，装置处于测试状态，测试未接通电源时阴极的初始电位E_镀0；

(3)根据所要优化的电镀参数，在装置显示屏上设置合适的坐标轴；

(4)打开装置的工作开关，使装置处于工作状态，在不同的电镀参数的情况下，该装置跟踪记录不同电镀参数下的阴、阳极外加电压(槽电压V)、镀件电位E_镀、阳极电位E_阳、电镀回路中的电流I；

(5)该装置采集上一步骤的数据E_镀，并计算阴极极化值│ΔE│＝E_镀-E_镀0，其中：E_镀0为初始电位；

(6)以电镀参数为x轴，阴极极化值│ΔE│为y轴，绘制图型。通过观察分析出在图型的极值点处对应的x轴的电镀参数为最优的电镀参数。