专利名称：电场电子流解偶电镀装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电场电子流解偶电镀控制方法，尤指一种使金属离子电泳的电场及使金属离子析出的电流分别控制的解偶电镀控制方法，使得要电镀的粗糙表面可受控而达到平整电镀的目的。本发明还涉及利用该控制方法所构成的电镀装置，可极大地提高电镀质量。
背景技术：
有关金属电镀的基本原理是使阳极上的金属离子经历自阳极表面分离进入电解液内成为阳离子的电离过程；由电场作用，使阳离子在电解液内向阴极游动的电泳过程；及阳离子自阴极掳获电子成为金属分子附着在阴极上的电析过程等的总合过程。
图1所示为最早的现有技术的电镀装置，其中包括一恒电压直流电源101；一导电的受镀体102，与阴极相接；一要镀的金属103，与阳极相接。在通电后，在阳极金属103的金属分子105失去电子而离子化成为正金属离子106，并在电解液中受到离子的扩散作用及电场作用向阴极受镀体102接近、接触并获得电子而电析成金属分子104，沉积在受镀体102上。另一方面，阳极103上又有新的金属分子105丢掉电子转变为新的金属阳离子106的电离反应，以补充电解液的离子浓度。由阳离子的电离作用不断产生，及扩散作用及电场引起的电泳作用，正金属离子106由阳极金属103源源不断地向阴极受镀体102移动电析成金属分子104而完成受镀体102的电镀过程。
图1所示的最早现有技术的电镀装置是以电镀时间的长短来控制电镀的厚度。由于阴极表面有一定的粗糙度，会使离子、电子结合电析时产生不均匀的情况，使电镀表面粗糙度愈镀愈大，而且厚度也不均匀。图2所示为因阴极受镀体102的表面粗糙所引起的离子、电子结合的微观电析过程。由于在阴极102中的电子移动远比在电解液中阳离子106移动的快，所以电镀一段时间后，会在阴极102表面左方产生离子空乏层107，电子会聚集在阴极102表面等待阳离子106电泳过空乏层107。但是阴极102表面有一定的粗糙凸起109，在电场驱动下，阴极102表面较凸出的尖端会聚集较多的电子110。再加上尖端左方的空乏层111首先与电泳来的阳离子接触，所以阳离子在凸出的尖端会有较快、较多的析出。因而造成阳离子与电子结合电析时，会有不均匀的情况产生，使电镀表面粗糙度愈镀愈大，而且厚度也不均匀。
到目前为止，主要有两项作法被提出来以改进电镀过程，以求达到厚度均匀及表面平整的目的。第一项改进的做法如美国专利第4789437号所述，在电解液中添加平整剂，例如糖浆。请参考图3利用平整剂包围阳离子的反应机构。已被平整剂205包围的阳离子201在到达阴极102之前，由于阳离子间相斥成平均分散分布202，并维持垂直于电极平面的方向平行电泳移动203。在接近阴极102处由于受到尖端较多电子引力的影响，会偏转方向朝尖端电子集中处移动204，随行并带着包围离子的平整剂205。平整剂205在离子电析出来后会留在阴极表面，由于尖端处有较多的电析，连带着也会有较多的平整剂附着在尖端附近206。一般平整剂的黏滞性比电解液大，阳离子在平整剂内移动比在电解液中慢，尖端所附的平整剂较多，让阳离子在接近阴极的路程中，到达凹下处反比凸出处容易。平整剂的黏滞性及分布，使得离子不易持续集中在阴极尖端电子集中处，迫使离子平均分布电析在阴极表面上，以达到平整的目的。然而这种方式容易使平整剂被包围而混在析出金属分子内207，虽然可以用加热处理等方法将平整剂逼出，但往往会造成最终电镀表面上的残留应力。而且添加物让电镀废液成份变得更复杂更难处理，会提高废液处理成本。
第二项改进的做法是采用脉冲电源方法，例如美国专利第4459460号、第3886053号、第6071398号、第4789437号、第613258号所述，其基本工作原理用图4～图9来说明。
图4所示为当脉冲电源不供电期间的情况。由于阳离子间正电性的互斥，在平衡状态下金属阳离子301在电极102表面305上应该会平均分布。图5所示为当脉冲电源开始时，瞬间会有很大的电子流302流入阴极102的情形。由于电子在电极内流动的速度快，而重的阳离子移动的速度慢。阳离子会找到最近的阴极表面305取得电子，析出成为金属分子303。图6所示为当金属表面金属离子消耗完毕时，阴极表面的电解液会形成阳离子空乏层304。新进入阴极的电子没有阳离子可以结合，会聚集于阴极表面305等待阳离子由离子空乏层电泳来到阴极表面来结合。由于阳极的吸引，大部分的电子会集中在阴极表面上凸起的尖端部分306。由于阴极凸起部分表面的空乏层较薄307，而且聚集在凸起尖端的电子又造成区域性电场集中308吸引阳离子，因此在阳离子空乏层形成之后的电镀，会产生集中在尖端部分、让电镀表面愈来愈粗糙、电镀厚度愈来愈不平均的作用。图7所示为利用脉冲电源，在阳离子空乏层形成后马上切断电子的供应，可以避免电子集中尖端等待阳离子电泳到达的情形。在电源不供电期间等待阳离子扩散作用，让阳离子自然达到平均分布的平衡，平衡后再做下一波脉冲电镀。由于脉冲电镀时，不容易准确估算阴极表面平均有多少离子，估少时会造成电镀太慢，估多时会造成电子集中尖端效应。目前的方法是采取多估，让较多的电子流入，然后再利用反向脉冲移出多余的电子，图8所示为脉波信号加上反向脉波。脉冲电镀比恒电压方式电镀可获得更平整的电镀表面，但是由于离子由自然扩散到达阴极表面的速度有限，所以电镀速率慢。而且电镀时最佳的状况是离子平均分布，最多仅能维持原有的平整度，不能镀出比未电镀时更平整的电镀面。最后还有一个缺点是，实际上脉冲电源切换需要时间，而不是真能瞬间关闭，图9所示为切换的实际波形，310所示开始电镀会有一断电压逐渐上升，这时的电镀电流不足，电子会选电泳距离最短的位置电析阳离子，仍有可能出现尖端效应，所以在应用脉冲电镀法时仍要使用平整剂。
故利用传统方法实施电镀作业，电子在电场的影响下，在阴极表面的凸出尖端会聚集较多的电子，造成电镀金属表面上凸处愈凸，凹处愈凹，阴极表面很难达到完全平整。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电镀方法，其中电场与电流间可以分别独立调整，使得阳离子聚集在阴极表面的速度比电子快；由于电场的作用，阳离子会聚集在最接近电场阴极处，也就是电镀表面最凹的部分等待电子的到达后析出，所以本发明这种方式的电镀会使电镀表面凹处析出多而凸处析出少，实现平整电镀。
本发明另一目的在于提供一种实施本发明方法的电镀装置，使表面粗糙凹凸的阴极受镀体可达成平整表面。
按照本发明的电镀方法，其电极的布置方式为由一高电压电源作为阳离子电泳的驱动电场，但并不供应电镀电流，及由另一低电压高电流的电源作为电镀电子流，并位于高电压电源电极的内侧。因此，可由与高电压电源连接的电泳电极控制阳离子的电泳速度比低电压高电流所供应的电子流快，即聚集了较多的阳离子等待电子，不使电子有时间发生尖端现象；另一方面，由于作为电镀体的电析阴极其凹处最接近位在其后方高电压电源的电场阴极并由其上静电子的吸引，故阳离子会向电析电极的凹处集结，并在该凹处得到电子电析成金属分子。故利用本发明电析发生是凹处较凸处更有利，因而凹凸电极表面电镀结果自然地趋向平整。
图1为最早的现有技术的电镀装置构造示意图，用以显示电池电源、两电极的布置方式；图2为图1阴极表面的粗糙度及阳离子电析反应机构的放大示意图；图3为在电解液中添加平整剂的现有电镀装置，在阴极表面的阳离子电析反应机构示意图；图4～图9为常见的以脉冲电源进行电镀作业的一系列阳离子电极反应的中间过程示意图；图10为本发明电场电源、电析电源各电极布置的构造图；图11为图10中在电场阴电极与电析阴电极的阳离子电析反应机构示意图。
具体实施例方式
首先，图10所示为本发明电泳驱动电场及电镀电流所构成的电镀装置，其中示出两组电源401，405电极的布置方式。电场电源401用作产生金属阳离子电泳的驱动电场的电源，其阳极与金属离子电泳驱动电场的阳极402连接，而阴极与电泳驱动电场的阴极403相连接，两电极402，403各被覆以绝缘物质404。电泳驱动电场电源仅提供电场以导引阳离子电泳，并不提供电镀电流，故使用高电压、低电流的电源，且绝缘物质404用来阻止电子进出，从而防止阳极402及阴极403表面被电离或电析覆盖。
电镀电源405用于产生电镀电流，其阳极与位在电场阳极402右端面邻近的金属离子电离阳极406相接，而其阴极则与位在电场阴极403在端面邻近的金属离子电析阴极407相接。电镀电源405主要控制电子流的流速，故使用低电压高电流的电源。
按照本发明，首先将与电场电源及电镀电源连接的各支电极放置在电镀槽的电解液内。在使电场电源401及电镀电源405成通路时，则由电场电源401在两电极402，403间建立起一电泳电场，用以导引电解液408内的金属阳离子。而电镀电源405用以产生电镀电流，使电解液408内的金属阳离子在电析阴极407上获得电子成为金属分子而电析在该阴极407上完成电镀作业。
图11表示本发明因电泳驱动电场的阴极403的存在，而使金属阳离子在电镀电源405的电析阴极407上平坦化，并等待电镀阴极407的电析反应的机构。利用本发明，由于分别以高压电场电源401控制阳离子的较高电泳速度，另以低压电源405控制电析率，故在电析阴极407的表面由于电泳速度快而电镀速率慢，聚集了较多的金属阳离子等待电子。当电析阴极407表面有不平整的凸起409时，阳离子由于受到电析阴极407后方电场阴极403上静电子的吸引，会向电析阴极407的凹处40 1挤，以期望能最接近电场阴极403，并在该处等待电析阴极407上有新的电子411到来，以便结合电析出。由于本发明的电镀量在电析阴极407上的电析是凹处比凸出处更多，所以电镀结果会自然的趋向平整，达到平整电镀表面的目的。
本发明的重点在于让电泳驱动电场与电镀电流供应两项控制因素可以独立调整，电极个数可以是四个，也可以将两个阳极合并而成为三个电极的方式，电路设计也可以将单一电源经由电路控制产生电流与电场可分别控制的结果。在本发明中分成电泳驱动电场及电析电流电源是为了便于理解，而不应限定本发明必有两电源，但无论如何变化，若其目标在于使得离子在电析阴极表面的凹处等待电子结合析出，均属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种电场电子流解偶电镀控制方法，其包括在电解液内产生电泳驱动电场；在电解液内设置一对与电镀电源连接的电离阳极及电析阴极，使得由电离阳极电离的正金属离子由电泳驱动电场控制，可向电析阴极做电泳运动，并在电析阴极凹处最先发生电析。
2.如权利要求1所述的方法，其中电泳驱动电场包括一电泳驱动阳极及一阴极，与一高电压电场电源连接且间隔地安置在电解液内。
3.如权利要求2所述的方法，其中电离阳极及电析阴极设在电泳驱动阳极及阴极间且各与所对应的电泳驱动阳极及阴极相邻接。
4.一种电场电子流解偶电镀装置，其包括一组高电压电泳驱动电场直流电源及一组低电压电镀直流电源，其中电泳驱动电场直流电源的阳极及阴极各与在电解液内间隔开的电泳驱动阳极及阴极连接，而电镀电源的阳极与浸在电解液内的金属离子电离阳极相接，阴极则与电析阴极相接，并使金属离子电离阳极及电析阴极在电解液内两相隔的电泳驱动电场的阳极与阴极间相对而设置。
5.如权利要求4所述的装置，其中与电泳驱动电场电源连接的阳极及阴极各被覆以绝缘物质。
全文摘要
本发明涉及电场电子流解偶电镀装置及其控制方法。本发明是关于一种由两电源独立控制的电镀控制方法，其中用高电压电源用作控制金属阳离子的电泳速度，而以另一低电压电源用作控制电镀速率，使得在电解液中强电场的金属阳离子较快到达与低电压电源的阴极相连接的不均匀的电析阴极并聚集在其上凹处等待电子，且在凹处最先发生电析，产生平整电镀。本发明还涉及实施本方法的装置，以提高电镀质量。
文档编号C25D5/00GK1450207SQ0210621
公开日2003年10月22日 申请日期2002年4月5日 优先权日2002年4月5日
发明者江士标, 李栋梁, 杨启明, 张新民, 黄全富 申请人:视动自动化科技股份有限公司