优化温度场分布的电镀装置及其电镀方法
【专利摘要】本发明提供了一种优化温度场分布的电镀装置及其电镀方法，该电镀装置包括电镀电源等元件，施镀工件、不溶性阳极都与电镀电源输出端相连，施镀工件和不溶性阳极都位于工作槽内部，出液泵连接在出液管上，溢液槽位于工作槽的外侧，底部进液装置位于工作槽的下方，溢液口位于工作槽壁面的顶部，储液槽位于溢液槽的一侧，电镀电源用于在上述不溶性阳极和施镀工件之间通电进行电镀过程，工作槽存有电解液且是电镀实施的主要场所，不溶性阳极浸没在电解液中且通电时发生阳极反应，底部进液装置是电解液进入工作槽的入口,溢液槽是完成电镀过程的电解液从溢液口流出后集中的场所。本发明结构简单，有建设成本低、优化温度场的特点。
【专利说明】优化温度场分布的电镀装置及其电镀方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电镀装置及其电镀方法，具体地，涉及一种优化温度场分布的电镀装置及其电镀方法。
【背景技术】
[0002]电镀槽的温度场对工件镀层质量起着至关重要的作用。氟硼酸盐镀铅是一种常用镀铅工艺，镀液温度过高，镀层会变粗糙。电镀铬对温度控制的要求很严格，因为温度不仅影响沉积效率，还影响镀层表面品质和硬度。要得到光亮的铬镀层，必须严格控制温度变化。温度的变化对合金电镀的影响更大。对镍钨合金的研究表明，镀层中的钨含量对温度极为敏感，钨含量会随着温度的升高而增加。电沉积锌镍合金镀层时，在给定的电流密度下，随温度增加，镀层中的镍含量线性增加。如果温度过高，还将导致阴极电流效率降低，致使沉积速度降低。对镍铁合金的研究表明，温度升高，镍的沉积速度减慢，镀层中的铁含量升高，镀层结晶变粗。
[0003]电镀时，由于电解液的电阻会产生焦耳热，导致电解液的温度升高。对小型工件而言，因为采用的电流较小，如果加强搅拌和溶液循环，局部温升的问题就不会突出到影响镀层质量的程度。而对于一些尺寸较大的工件，采用的电流一般很大，局部温升就不可忽视，一旦电镀液温度场分布不均匀，极易造成工件表面镀层厚度不均匀，成分不一致，表面质量变差以及镀层机械性能下降等问题。
[0004]众多研究者提出了包括移动阴极法，旋转阴极法，空气搅拌法等来解决这一问题。移动阴极法是阴极在移动过程中，通过扰动电解液来改变温度场分布，加速液相传质，较少浓差极化。在阴极移动过程中，在阴极产生的气体还能够及时逸出，避免了表面针孔的产生。旋转阴极法适用于旋转体的电镀，阴极在旋转过程中，在其表面转动的切线方向，对液流产生扰动，以此来达到优化温度场的目的。空气搅拌法也是常用的改善电镀槽温度场的方法。但这些方法都不适于尺寸较大的工件的电镀场合。另外，应用这三种方法都需要专门的设备，建设初期必须要有较大的资金投入。在设备工作中，无论是转动装置还是空气压缩装置，长时间的运转要有很大的电能消耗。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种优化温度场分布的电镀装置及其电镀方法，其结构简单，具有建设成本低、优化温度场的特点，不需要复杂的移动、转动等机械设备，即可在整个工件表面沉积上薄厚均匀、成分均一、表面质量良好的镀层。
[0006] 根据本发明的一个方面，提供一种优化温度场分布的电镀装置，其特征在于，其包括电镀电源、施镀工件、不溶性阳极、工作槽、出液泵、储液槽、底部进液装置、溢液槽、溢液口、出液管，施镀工件、不溶性阳极都与电镀电源输出端相连，施镀工件和不溶性阳极都位于工作槽内部，出液泵连接在出液管上，溢液槽位于工作槽的外侧，底部进液装置位于工作槽的下方，溢液口位于工作槽壁面的顶部，储液槽位于溢液槽的一侧，电镀电源用于在上述不溶性阳极和施镀工件之间通电进行电镀过程，工作槽存有电解液且是电镀实施的主要场所，不溶性阳极浸没在电解液中且通电时发生阳极反应，底部进液装置是电解液进入工作槽的入口，溢液槽是完成电镀过程的电解液从溢液口流出后集中的场所。
[0007]优选地，所述底部进液装置的底端设有一个进液口，进液口通过一个进液管与储液槽连接，出液口位于溢液槽的底部一侧上，进液管上安装有一个进液泵。
[0008]优选地，所述工作槽采用变截面结构，工作槽的底部截面面积最大，工作槽的顶部面积最小。
[0009]优选地，所述工作槽的壁面与底面之间的夹角为30°至89°。
[0010]优选地，所述不溶性阳极表面开有多个中心距离和直径均相等的孔，孔的直径为5毫米至40毫米。
[0011]优选地，所述不溶性阳极应与施镀工件之间的距离为10毫米至80毫米。
[0012]优选地，所述底部进液装置的中部结构为凹槽，底部进液装置的下部为锥形结构。
[0013]优选地，所述锥形结构的锥角的角度为90°至160°。
[0014]优选地，所述底部进液装置的顶端或侧面均匀设有多个喷液口。
[0015]本发明还提供一种优化温度场分布的电镀装置的电镀方法，其特征在于，该电镀方法包括以下步骤:电解液 在储液槽中调整好浓度和温度后，通过进液泵进入到工作槽内；电解液在工作槽内的流向为从下至上；当工作槽的液位高于溢液口时，完成电镀过程的温度较高的电解液溢出，并进入到溢液槽内；同时液流将施镀工件和不溶性阳极产生的气泡带出，避免气体在施镀工件上滞留形成针孔缺陷；溢液槽内的电解液经过出液泵进入到储液槽中，调整好温度和浓度后开始新的循环。
[0016]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:本发明结构简单，具有建设成本低、优化温度场的特点，不需要复杂的移动、转动等机械设备，即可在整个工件表面沉积上薄厚均匀、成分均一、表面质量良好的镀层。本发明适用于尺寸较大的管、棒、轧辊等电镀应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0018]图1为本发明优化温度场分布的电镀装置的结构示意图。
[0019]图2为本发明中工作槽和溢液槽的结构示意图。
[0020]图3为本发明中不溶性阳极的结构示意图。
[0021]图4为本发明中第一种底部进液装置的立体结构示意图。
[0022]图5为本发明中第一种底部进液装置的侧面结构示意图。
[0023]图6为本发明中第二种底部进液装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0025]如图1至图6所示，本发明优化温度场分布的电镀装置包括电镀电源1、施镀工件
2、不溶性阳极3、工作槽4、出液泵5、储液槽6、底部进液装置7、溢液槽8、溢液口 9、出液管11，施镀工件2、不溶性阳极3都与电镀电源I输出端连接，施镀工件2、不溶性阳极3都位于工作槽4的内部，出液泵5连接在出液管11上，储液槽6位于溢液8槽的一侧，底部进液装置7位于工作槽4的下方，溢液槽8位于工作槽4的外侧，溢液口 9位于工作槽4壁面的顶部，电镀电源I用于在上述不溶性阳极和施镀工件之间通电进行电镀过程，施镀工件2是阴极，工作槽4存有电解液且是电镀实施的主要场所，不溶性阳极3浸没在电解液中且通电时发生阳极反应，底部进液装置7是电解液进入工作槽的入口，溢液槽是完成电镀过程的电解液从溢液口流出后集中的场所。电解液就可以从溢流口均匀地流出，避免了流体场不一致导致温度场不一致。从工作槽溢出的溶液进入溢液槽，并经出液泵抽吸返回到储液槽中。
[0026]底部进液装置7的底端设有一个进液口 14，进液口 14通过一个进液管12与储液槽6连接，出液口 10位于溢液槽8的底部一侧上，进液管12上安装有一个进液泵13，电镀电源I输出端的正极与导电杆15连接。
[0027]本发明优化温度场分布的电镀装置的电镀方法包括以下步骤:电解液在储液槽6中调整好浓度和温度后，通过进液泵13进入到工作槽4内；电解液在工作槽内的流向为从下至上；当工作槽的液位高于溢液口时,完成电镀过程的温度较高的电解液溢出，并进入到溢液槽内，从而维持了整个工作槽内温度场的稳定；同时液流将施镀工件和不溶性阳极产生的气泡带出，避免气体在施镀工件上滞留形成针孔缺陷；溢液槽内的电解液经过出液泵5进入到储液槽中，调整好温度和浓度后开始新的循环；溢液口 9应与工作槽的底面保持很好的平行度，这样电 解液就会从溢液口均匀地溢出，避免流体场不一致导致的温度场分布不一致。
[0028]工作槽倾斜壁面的设计是优化电镀槽温度场的关键。图2所示的工作槽采用变截面结构，工作槽的底部截面面积最大，工作槽的顶部面积最小，通过对不同位置液流速度的控制来达到对整个槽体温度场的控制。工作槽底部面积最大，电解液流速最慢。越往上，随着工作槽截面面积缩小，电解液流速也将越来越快。在施镀工件表面产生的温度较高的电解液被迅速带走，并离开工作槽，以达到优化电镀槽温度场的目的。工作槽壁面与底面之间的夹角设计既要考虑其对整个槽体温度场的控制，又要从实际现场的条件考虑。例如，在施镀工件尺寸较大的情况下，如果夹角选的小，整个电镀槽的占地面积将很大；而夹角选的过大，温度较高的电解液不能及时从工作槽溢出，造成电解液从底部到顶部的温度梯度，从而对施镀工件的表面质量产生不利影响。一般地，该夹角选用30°至89°，更优选地，该夹角设定为45°至80°。若该角度小于30°，在施镀工件尺寸较大的情况下，工作槽底面的面积将非常大，整个电镀槽槽体将会占据很大的面积。若该角度大于89°，温度较高的电解液会在上部积累，造成电解液从底部到顶部的温度梯度，对施镀工件上的镀层质量产生不利影响。若不采用这种工作槽变截面结构，由于电沉积过程放热，施镀工件附近的溶液从下至上会产生温度梯度，这样就很难保证镀层在整个工件上薄厚均匀，成分均一，表面质量良好。电解液经过进液装置的导流后，均匀地进入工作槽内，并经与工作槽底面平行的溢液口流出。电解液的均匀分散，可以使整个施镀工件附近的温度场趋于一致。[0029]图3所示的不溶性阳极3表面开有多个中心距离和直径均相等的孔31，这些孔规则排列，这些孔增强了阳极内外电解液的交换。工作槽的变截面结构压迫壁面和阳极之间的电解液向施镀工件表面迁移，促进了整个槽体的物质交换，优化了整个槽体的温度场。这些规则排列的孔中心距相等，孔31的直径为5毫米至40毫米，中心距大于直径。如果直径过小，如小于5毫米，阳极内外的电解液交换不充分，导致施镀工件表面附近温度过高，影响槽体温度场。如果直径过大，如大于40毫米，阳极实际工作面积小，阳极电流密度过高，导致阳极反应加剧，影响溶液稳定性。不溶性阳极应与施镀工件之间的距离为10毫米至80毫米。如果距离小于10毫米，阳极和施镀工件放出的热量无法及时疏散，致使施镀工件表面温度过高。如果距离大于80毫米，槽电压升高，增加电能消耗。
[0030]导电杆15宜采用与不溶性阳极相同的材质，避免导电杆和阳极接触部分因电偶腐蚀而发生断裂。导电杆最好采用切割等直接加工的方式。对于不宜直接加工成形的，采用氩弧焊接技术将导电杆和阳极焊接在一起。
[0031]图4和图5表示的是第一种底部进液装置。第一种底部进液装置的中部结构为凹槽71，施镀工件的下端直接沉在该凹槽中。该凹槽既可以对工件无需电镀的部分起到有效的屏蔽作用，又可作为工件的定位装置；第一种底部进液装置的下部为锥形结构72。锥形结构的锥角的角度一般为90°至160°，更优选地，锥角为100°至150°。如果锥角的角度小于90°，对电解液的速度调整有限，工作槽内的流速过快，尽管温度场分布也可以优化，但是在相同电镀周期内增加了工作槽内溶液循环次数，增加了循环泵的负担。如果锥角的角度大于150°，供给工作槽内的电解液的速度过慢，造成电解液从底部到顶部的温度梯度，对施镀工件镀层的质量产生不利影响。电解液从进液口 14进入到锥形结构，溶液在此结构内流速得以缓冲。第一种底部进液装置的顶端均匀设有多个喷液口 73。电解液从喷液口高速喷出，到达施镀工件表面附近，对施镀工件表面的电镀液产生扰动，进而优化施镀工件表面的温度场。电解液喷出速度依靠进液泵的流量控制进行调整。第一种底部进液装置特别适合于放热较多的电镀过程。
[0032]图6表示的第二种底部进液装置。其与图4和图5表示的底部进液装置的不同之处在于，喷液口不在顶端而在侧部。电解液从侧面的喷液口均匀的喷出，然后在后续电解液的推动下，逐渐推升至溢液口 9，最后进入溢液槽。电解液的均匀分散，能够优化施镀工件表面的温度场。
[0033]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定的实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种优化温度场分布的电镀装置，其特征在于，其包括电镀电源、施镀工件、不溶性阳极、工作槽、出液泵、储液槽、底部进液装置、溢液槽、溢液口、出液管，施镀工件、不溶性阳极都与电镀电源输出端相连，施镀工件和不溶性阳极都位于工作槽内部，出液泵连接在出液管上，溢液槽位于工作槽的外侧，底部进液装置位于工作槽的下方，溢液口位于工作槽壁面的顶部，储液槽位于溢液槽的一侧，电镀电源用于在上述不溶性阳极和施镀工件之间通电进行电镀过程，工作槽存有电解液且是电镀实施的主要场所，不溶性阳极浸没在电解液中且通电时发生阳极反应，底部进液装置是电解液进入工作槽的入口，溢液槽是完成电镀过程的电解液从溢液口流出后集中的场所。
2.根据权利要求1所述的优化温度场分布的电镀装置，其特征在于，所述底部进液装置的底端设有一个进液口，进液口通过一个进液管与储液槽连接，出液口位于溢液槽的底部一侧上，进液管上安装有一个进液泵。
3.根据权利要求1所述的优化温度场分布的电镀装置，其特征在于，所述工作槽采用变截面结构，工作槽的底部截面面积最大，工作槽的顶部面积最小。
4.根据权利要求1所述的优化温度场分布的电镀装置，其特征在于，所述工作槽的壁面与底面之间的夹角为30°至89°。
5.根据权利要求1所述的优化温度场分布的电镀装置，其特征在于，所述不溶性阳极表面开有多个中心距离和直径均相等的孔，孔的直径为5毫米至40毫米。
6.根据权利要求1所述的优化温度场分布的电镀装置，其特征在于，所述不溶性阳极应与施镀工件之间的距离为10毫米至80毫米。
7.根据权利要求1所述的优化温度场分布的电镀装置，其特征在于，所述底部进液装置的中部结构为凹槽，底部进液装置的下部为锥形结构。
8.根据权利要求7所述的优化温度场分布的电镀装置，其特征在于，所述锥形结构的锥角的角度为90°至160°。
9.根据权利要求1所述的优化温度场分布的电镀装置，其特征在于，所述底部进液装置的顶端或侧面均匀设有多个喷液口。
10.一种优化温度场分布的电镀装置的电镀方法，其特征在于，该电镀方法包括以下步骤:电解液在储液槽中调整好浓度和温度后，通过进液泵进入到工作槽内；电解液在工作槽内的流向为从下至上；当工作槽的液位高于溢液口时，完成电镀过程的温度较高的电解液溢出，并进入到溢液槽内；同时液流将施镀工件和不溶性阳极产生的气泡带出，避免气体在施镀工件上滞留形成针孔缺陷；溢液槽内的电解液经过出液泵进入到储液槽中，调整好温度和浓度后开始新的循环。
【文档编号】C25D17/00GK104005077SQ201410203254
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】刘磊, 胡文彬, 刘德荣, 钱嘉斌, 沈彬, 吴忠, 张琪 申请人:上海交通大学