1 概述

脈沖電鍍是槽外控制金屬電沉積的一個(gè)強(qiáng)有力的手段。它利用時(shí)間功能通過改變脈沖參數(shù)來改善鍍層的物理化學(xué)性能，從而達(dá)到節(jié)約貴金屬和獲得功能性鍍層的目的。脈沖電鍍屬于一種調(diào)制電流電鍍，它所使用的電流是一個(gè)起伏或通斷的直流沖擊電流，所以，脈沖電鍍實(shí)質(zhì)上是一種通斷直流電鍍。脈沖電流的波形有多種，常見的有方波、三角波、鋸齒波、階梯波（圖1）等。但就目前的應(yīng)用情況來看，典型脈沖電源產(chǎn)生的方波脈沖電流被普遍采用。因此，對脈沖電鍍的研究一般都是圍繞著方波進(jìn)行的。

    a.方波    b.三角波   c.鋸齒波    d.階梯波      

2 調(diào)制電流電鍍

傳統(tǒng)的電鍍采用的電流形式一般為直流電流，簡稱DC。直流電流是一種電流方向不隨時(shí)間改變的、連續(xù)的平穩(wěn)電流。直流電流常見的波形有單相半波、單相全波、三相半波、三相全波、直流或穩(wěn)恒電流（圖2）等，產(chǎn)生這些波形常用的電源有硅整流器、可控硅整流器、高頻開關(guān)電源等。從圖2中不難看出，直流電流具有連續(xù)性或持續(xù)性，不隨時(shí)間的改變而中斷或有所變化，因而使用時(shí)只有一個(gè)參數(shù)——電流或電壓可供調(diào)節(jié)。這就使得直流電流在做為槽外控制鍍層質(zhì)量的手段時(shí)力量不足。比如直流電流在提高陰極電流密度、抑制副反應(yīng)的產(chǎn)生、降低鍍層中雜質(zhì)的含量、改善電流分布等方面均毫無作用。

 圖2  常見的直流電流波形

a.單相半波  b.單相全波  c.三相半波  d.三相全波  e.直流或穩(wěn)恒電流

經(jīng)脈沖信號(hào)或其它交變信號(hào)調(diào)制以后的直流電流叫調(diào)制電流，用調(diào)制電流所進(jìn)行的電鍍即調(diào)制電流電鍍。調(diào)制電流電鍍主要是做為槽外控制鍍層質(zhì)量的手段而產(chǎn)生和存在的，它往往可以起到直流電鍍所起不到的作用。比如，脈沖電鍍比直流電鍍陰極電流密度提高幾倍甚至十幾倍，因而可得到結(jié)晶細(xì)致的鍍層。調(diào)制電流電鍍一般有脈沖電鍍、不對稱交流電鍍、交直流疊加電鍍、周期換向直流電鍍（圖3）等幾種形式。

圖3  常見的幾種調(diào)制電流波形

a.不對稱交流  b.交直流疊加  c.周期換向直流  d.方波交流電

脈沖電鍍所使用的電流實(shí)際就是一個(gè)通斷直流電，不過這個(gè)直流電在導(dǎo)通的時(shí)候峰值電流相當(dāng)于普通直流電流的幾倍甚至十幾倍，正是這個(gè)瞬時(shí)高電流密度使金屬離子在的過電位下還原，從而使沉積層晶粒變細(xì)。脈沖電鍍廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)的電子電路、接插件、印制電路、集成電路框架、晶體管管座等的電鍍，可大大提高這些電子器件的產(chǎn)品性能，并可大幅度節(jié)約貴金屬。脈沖電鍍是目前應(yīng)用最多且收益的一種調(diào)制電流電鍍。

3 脈沖的含義

脈沖這個(gè)詞，從字面上看，“脈”含有“脈動(dòng)”、“起伏”的意思，“沖”含有“沖擊”、“短促”的意思，原本是指無線電技術(shù)中作用時(shí)間很短而間隔時(shí)間又較長的電壓或電流波形，或者是指電工電子技術(shù)中的一種間歇信號(hào)。但脈沖的概念在電鍍技術(shù)中卻有著不同的說法。從脈沖的含義上看，脈沖電流應(yīng)該是一個(gè)起伏或通斷的、離散式的、非連續(xù)的直流沖擊電流，如方波、三角波、鋸齒波等脈沖電流。若不符合此含義則不應(yīng)屬于脈沖的范疇，如不對稱交流等調(diào)制電流。

但諧波激勵(lì)的觀點(diǎn)認(rèn)為，任何一個(gè)周期脈沖，都是由各種不同頻率的正弦波，按不同的振幅與相位疊加而成的。從這個(gè)意義上講，不對稱交流等調(diào)制電流也是一種脈沖電流，他們所進(jìn)行的電鍍也均屬于脈沖電鍍的范疇。從諧波分析的角度看，這個(gè)觀點(diǎn)是正確的。脈沖供電為鍍槽提供了豐富的諧波電流分量，這種暫態(tài)的諧波激勵(lì)影響著電極過程，構(gòu)成了脈沖電鍍的實(shí)質(zhì)。但是，從脈沖的含義上分析，卻怎么也無法將不對稱交流電鍍等與脈沖電鍍劃上等號(hào)。如果將脈沖的通斷電流定義為正向電流之后緊接著一個(gè)反向電流，或者將反向電流的持續(xù)時(shí)間說成是脈沖的關(guān)斷期，則未免有些牽強(qiáng)附會(huì)。因此，盡管認(rèn)同不對稱交流電鍍等確實(shí)屬于脈沖電鍍的范疇，但也只能從諧波激勵(lì)的角度去談，而不能曲解某些定義去應(yīng)和脈沖的含義。脈沖，就是一種通斷電，通的時(shí)候幅度大時(shí)間短，斷的時(shí)候電流為零或者說是一種停止，而不應(yīng)是一種陽極過程。筆者并非有意要將不對稱交流等調(diào)制電流電鍍排除在脈沖電鍍之外，其實(shí)，到底怎么劃分它們并不重要，重要的是怎樣才能使這些特殊的電鍍技術(shù)更利于自身的發(fā)展，更利于生產(chǎn)中的應(yīng)用。如果將不對稱電流電鍍等與脈沖電鍍并列為調(diào)制電流電鍍的一種形式，則會(huì)更利于對脈沖電鍍常規(guī)的理解和認(rèn)識(shí)，更利于脈沖電鍍技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

所以，脈沖電鍍所使用的電流是一個(gè)通斷的直流沖擊電流，它和不對稱交流電鍍、交直流疊加電鍍、周期換向直流電鍍等一樣，都是調(diào)制電流電鍍的一種形式。

另外，關(guān)于單相半波是不是脈沖的問題也有不同的看法。單相半波從形式上看是一種脈沖（圖2a），但由于其頻率固定，電流持續(xù)及關(guān)斷時(shí)間均不能調(diào)節(jié)，因而在實(shí)際應(yīng)用中往往起不到脈沖的效果。即使有時(shí)允許使用高一些的電流密度上限值，但由于其電流少了半周，生產(chǎn)效率往往降低很多。所以，單相半波仍然被看做是一種普通的直流電流形式。
 
    

4 脈沖波形

脈沖的波形有多種，常見的有方波、三角波、鋸齒波、階梯波等。目前，關(guān)于脈沖控制下的不同波形對鍍層性能影響的內(nèi)在規(guī)律尚不十分清楚，也無法從電化學(xué)理論上提出對控制波形的明確要求。因此，只有根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出確定脈沖波形的幾點(diǎn)原則：

（1）實(shí)鍍效果  實(shí)鍍效果是確定脈沖波形的首要原則，因?yàn)槿绻麑?shí)鍍效果不好，無論怎樣也不能做為脈沖的選定波形。

（2）便于分析和研究  為了使脈沖技術(shù)更好地服務(wù)于生產(chǎn)，需要對脈沖波形進(jìn)行分析、研究，總結(jié)出其內(nèi)在的規(guī)律甚至是具體的數(shù)學(xué)計(jì)算公式。如果脈沖波形太復(fù)雜，則分析起來就會(huì)很不方便。因此，脈沖波形應(yīng)該具有的幾何形狀。

（3）易于獲得和調(diào)控  很顯然，脈沖波形越復(fù)雜，產(chǎn)生起來就越困難，設(shè)備投資就越大，就越難于在工業(yè)生產(chǎn)中推廣和應(yīng)用。因此，電鍍工作者在對脈沖波形提出要求時(shí)，應(yīng)考慮什么樣的波形最容易獲得。另外，對脈沖參數(shù)的調(diào)控是否方便也是很重要的一點(diǎn)。

（4）便于推廣  太復(fù)雜的波形，不僅分析總結(jié)起來比較困難，對脈沖技術(shù)的推廣和脈沖知識(shí)的普及也會(huì)增加一定的難度。因此，只有簡單易懂的脈沖波形及其相應(yīng)的理論性知識(shí)才易于被更多的使用者所接受。

從以上的幾點(diǎn)分析來看，方波脈沖要求，因此它在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用也普遍，對脈沖電鍍的研究也就圍繞著方波展開和進(jìn)行。方波，也有資料或電鍍工作者稱之為矩形波，那么，應(yīng)該怎樣認(rèn)識(shí)和理解它們呢？狹義的方波是指四個(gè)邊長都相等的正方形波形（圖4）。而脈沖電鍍中提到的方波是一種廣義的方波，它是指包括正方形波形和相鄰兩邊不相等的長方形波形（圖1a）在內(nèi)的矩形波形的總稱。因此，方波嚴(yán)格地講應(yīng)該叫作矩形波，只是由于人們的習(xí)慣一直沿用了這樣的叫法。但是必須清楚地認(rèn)識(shí)到，在脈沖電鍍中一提到方波，就是指矩形波，兩者只是叫法不同，沒有本質(zhì)的區(qū)別。

5 脈沖電鍍的基本原理

從上文的分析中可知，脈沖電流是一個(gè)通斷的直流沖擊電流，那么，使用脈沖電流所進(jìn)行的電鍍過程就是脈沖電鍍。典型的方波脈沖電流如圖5所示，從圖中不難看出，脈沖電鍍實(shí)質(zhì)上是一種通斷直流電鍍。

那么，脈沖電鍍使用這種通斷直流電流的意義何在呢？這要從脈沖電鍍的基本參數(shù)談起。

傳統(tǒng)的直流電鍍只有一個(gè)參數(shù)——電流或電壓可供調(diào)節(jié)。而脈沖電鍍除了電流或電壓之外，還有脈沖導(dǎo)通時(shí)間（即脈寬）Ton和脈沖關(guān)斷時(shí)間Toff可供調(diào)節(jié)，這就為脈沖電鍍做為槽外控制鍍層質(zhì)量的手段提供了條件。由脈沖導(dǎo)通時(shí)間Ton和關(guān)斷時(shí)間Toff可以引出兩個(gè)脈沖電鍍中的重要概念——脈沖頻率?和脈沖占空比γ。脈沖頻率?＝1/θ=1/(Ton+Toff),θ為脈沖周期。脈沖占空比γ等于導(dǎo)通時(shí)間Ton與脈沖周期θ之比，即γ＝Ton/θ×99%=Ton/(Ton+Toff)×99%。而脈沖電鍍時(shí)通過鍍槽的平均電流密度jm,脈沖電流密度（即峰值電流密度）jp和脈沖占空比γ三者之間存在如下關(guān)系：

         jm＝j(luò)p·γ

從上式中可以看出，平均電流密度jm一定時(shí)，峰值電流密度jp會(huì)根據(jù)γ的不同而不同。例如，當(dāng)jm＝1A時(shí),若γ＝10%則jp＝10A,若γ=20%則jp=5A,若γ＝99%則jp=jm＝1A,γ=99%即為直流。

因此，在脈沖導(dǎo)通期Ton內(nèi)，脈沖峰值電流相當(dāng)于普通直流電流的幾倍甚至十幾倍。高的電流密度所導(dǎo)致的高過電位使陰極表面吸附原子的總數(shù)相當(dāng)高于直流電沉積，其結(jié)果使晶核的形成速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原有晶體的生長速率，從而形成具有較細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的沉積層。另外，高的過電位還能降低析出電位較負(fù)金屬電沉積時(shí)析氫等副反應(yīng)所占的比例。

但是，高的過電位使陰極區(qū)附近金屬離子以極快的速度被消耗，當(dāng)消耗至陰極界面濃度為零或很低時(shí)，電沉積過程進(jìn)入關(guān)斷期Toff。應(yīng)當(dāng)指出，這里所說的關(guān)斷是指脈沖電流為零。在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，金屬離子有暇穿過外穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散層向陰極區(qū)附近傳遞從而使脈動(dòng)擴(kuò)散層的濃度得以回升。而脈動(dòng)擴(kuò)散層金屬離子濃度的回升，又有利于下一個(gè)脈沖周期使用較高的峰值電流密度。這樣的話，從以上分析看，脈沖關(guān)斷期Toff是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程而非真正的靜止。這個(gè)動(dòng)態(tài)過程的存在不僅有利于陰極區(qū)附近金屬離子濃度的恢復(fù)，而且還會(huì)產(chǎn)生一些對沉積層有利的重結(jié)晶、吸脫附等現(xiàn)象。比如，脈沖導(dǎo)通期內(nèi)吸附于陰極表面的氫或雜質(zhì)可以在關(guān)斷期內(nèi)脫附返回溶液中，從而可以減小氫脆和得到純度高的鍍層。因此，孤立地把關(guān)斷時(shí)間看成是一個(gè)“死時(shí)間”顯然是不對的，關(guān)斷時(shí)間內(nèi)所進(jìn)行的過程是一個(gè)非?；钴S的動(dòng)態(tài)過程。

脈沖電鍍過程中，當(dāng)電流導(dǎo)通時(shí)，電化學(xué)極化增大，陰極區(qū)附近金屬離子充分被沉積；當(dāng)電流關(guān)斷時(shí)，陰極區(qū)附近放電離子又恢復(fù)到初始濃度，濃差極化消除，并伴有對沉積層有利的重結(jié)晶、吸脫附等現(xiàn)象。這樣的過程周期性地貫穿于整個(gè)電鍍過程的始末，其中所包含的機(jī)理構(gòu)成了脈沖電鍍的最基本原理。