基于計算機技術的化學鍍鎳工藝用浴槽沉積在線監測系統研究

程瑤

(陜西國際商貿學院 信息工程學院, 西安 712000)

0 引言

化學鍍鎳是工業中使用的非晶材料之一。它是許多行業中廣泛使用的電鍍方法，涵蓋從石油和天然氣工業、機械等到電子和微機械制造的應用。電鍍的廣泛應用是由于化學鍍鎳的進步，包括均勻的厚度分布，高耐磨性和致密的形態，這些特性使得化學鍍鎳合金具有出色的抗氧化和腐蝕保護作用，這是它的主要用途。如果與電鍍鎳相比，化學鍍鎳合金的均勻厚度分布使電鍍更加詳細和具有挑戰性的幾何形狀。除了這些機械性能之外，化學鍍鎳合金還是無鉛的，這使得它非常適用于電子應用，例如印刷電路板(PCB)[1-3]。

然而，涂層的可用性受到與不穩定和自發的化學鍍鎳工藝有關的控制問題的限制。這些問題尤其包括鍍浴污染，這意味著由不平衡和過于激烈的反應引起的鍍液沉淀。此外，共沉積的磷對形態和對沉積物的性質具有關鍵影響。電鍍反應的控制是一項具有挑戰性的任務，因為缺乏對受控參數的在線測量，并且由于非限定性因素造成電鍍反應的確切反應機理尚不清楚。

本文提出了一種基于模型的化學鍍鎳工藝監測系統。監測系統特別針對用于電鍍通孔(PTH)板制造的化學鍍鎳工藝進行校準和測試，因為化學鍍鎳的挑戰因PTH工業的嚴格公差和具有挑戰性的細節幾何形狀而受到重視?；瘜W鍍鎳是制造印刷電路板的既定工藝，其中化學鍍鎳合金在所謂的化學鍍鎳浸金(ENIG)表面處理中作為鍍銅電路和金色表面層之間的擴散屏障。在該技術中，導電孔中的收縮空間鍍有含有預定百分比磷的薄鎳膜，確保無應力，致密的形態。遺憾的是，在電鍍期間不能在線測量最關鍵的沉積參數，即膜厚度和磷含量。相反，這些參數是在通過基于X射線熒光(X-ray Fluorescence，XRF)的涂層厚度計(CMI)分析和潤濕平衡測試進行電鍍之后間接測量的，延遲大約10小時。由于長時間延遲，這些測量不適用于有效的過程監控或控制，此外，沉積物中可能的錯誤不能在之后進行校正，因此，必須在電鍍期間在線監測電鍍反應，以確保沉積物的均勻質量[4-6]。

1 系統設計

1.1 化學反應機理

減少化學鍍鎳的次磷酸鹽是一個復雜且具有挑戰性的過程，由于其反應機制尚不完全清楚，目前，電化學反應機理是最借調的，并且作為開發的化學鍍鎳工藝模型的基礎。該模型適用于本文的過程監控，該模型基于以下陽極和陰極反應設計：

陽極反應—次磷酸鹽氧化,如式(1)—式(4)。

(1)

陰極反應—磷沉積，氫氣析出，鎳沉積：

(2)

2H++2e-?H2

(3)

(4)

在這些反應中，當以下中和反應取代時，氫離子產生超過消耗并且pH指數的脫脂與氨添加平衡,如式(5)。

(5)

在實踐中，pH指數根據金屬翻轉(MTO)而增加，以補償由浴老化影響的降低的反應速率，即正磷酸鹽等副產物積聚到浴中。通常，pH值指數的增加會降低沉積物中磷含量，降低板的耐腐蝕性，因此，需要一種監測方法來確定與過程狀態相關的最佳電鍍條件。

1.2 系統檢測模模型

反應(1)—(4)的放電模型是一個定向電極模型，其中反應的電流密度由Buttler-Volmer方程計算，并通過加速或減速反應的經驗公式控制。達到試劑的濃度。

該模型可以在線估算產品參數(薄膜厚度，磷重量百分比)，以及電化學參數(沉積速度，混合和平衡電位，電流密度)和化學參數(反應速率，低磷酸鹽和正磷酸鹽濃度，氫氣)從測量的pH指數，鎳濃度，試劑添加流速，浴溫，電鍍時間和浴負荷來確定進化速率。數據流程圖如圖1所示。

圖1 數據流圖

它代表了一個復雜的計算引擎(模型計算)，本文未對此進行討論，在論文[7]中對其流程進行了詳細描述，這種基于模型的監測可以更快、更完整地提供產品(板)和浴槽參數的當前狀態。 在發生故障的情況下，它允許快速檢測故障源，這對故障糾正至關重要。

1.3 監測系統設計

如圖1所示的過程監控模型集成在PTH工廠現有的控制系統中，它通過浴槽控制器和飛行桿控制器與化學鍍鎳浴相互作用，對于時間序列分析選項，它也與實驗室數據庫相互作用,如圖2所示。

圖2 監控系統組成圖

浴槽加載溫度控制：該控制器通過在浴槽中添加硫酸鎳、次磷酸鈉和穩定劑來保持電鍍化學成分平衡，它還根據目標譜控制pH指數。

操縱桿控制：是一種運輸起重機，它將PTH鋼坯浸入或升高到浴槽中，同時還管理記錄寄存器并負責電鍍溫度，執行測量和加熱。

實驗室數據庫：實驗室分析執行最終質量檢查，并在需要進行某些校正時監督操作員。分析包括產品參數(薄膜厚度，潤濕時間和力)，浴參數(pH指數，鎳和次磷酸鹽濃度)以及控制器蠕動泵的校準，如果在線測量和實驗室分析之間的系統偏差是發現。

過程監控：該計算機根據電氣、化學和電路板參數表征過程的當前狀態(參見圖1)，它還可以表示當前時刻的電鍍歷史，并將其與實驗室分析進行比較。過程監視器從浴缸控制器，操縱桿下載最新數據。

1.4 模型實驗

如圖2所示。

過程監控系統基于一個過程模型，該模型最初是在大量工業數據樣本上校準的，并且顯示準確。由于模型依賴性，監控系統的準確性與過程模型的準確性直接相關，在本文中，監測系統回顧性地測試了如下所示的大量獨立工業數據樣本。該數據表示在6個浴壽命期間的電鍍浴行為，相當于制造的284 390個PTH板，監測驗證是通過比較測量值的監測值來進行的，以便進行測量。測量結果如圖3,4,5中完成，其中濃度與實驗室分析進行比較。

物種的濃度(pH指數，鎳，低磷酸鹽和正磷酸鹽)主要通過Buttler-Wolmer方程控制電流密度。因此，在化學鍍中，濃度用于過程控制，尤其是pH指數(如圖3所示)用于補償由浴老化引起的反應速率降低。以MTO指數為特征的浴老化主要是由于正磷酸鹽積累。

從上面可以看出，化學鍍鎳反應是一個復雜的過程，其中幾個工藝參數，如濃度，溫度，載荷，熔池老化等，通過復雜的，相當矛盾的方式對反應產生很大影響。在此過程中，一個參數的變化可以很容易地消除幾個控制工作的影響，使得過程監控和控制變得困難。在這種方法中，對某些特定浴參數的監督并不能保證穩定，均勻的最終產品。因此，應該通過監督整個過程動態來取代對某些單個參數的監督。

在化學鍍鎳工藝的情況下，這意味著不應監督單個參數，如試劑濃度，而應監督電化學過程，如電流密度和平衡電位。如果該方法的電化學核心處于平衡狀態，則沉積的合金也是均勻的。因為不能直接控制電流密度，例如通過鎳濃度和pH指數，所以各個工藝參數用于過程控制。在這種情況下，可以通過使用在所提出的監控概念中實現的過程模型來確定正確的控制動作。

2 總結

本文介紹了一種化學鍍鎳工藝監測系統。該系統使用從PTH生產線收集的工業數據進行測試，結果表明，使用基于模型的監測系統和行業的標準測量，可以在電氣，化學和產品參數方面在線表征復雜過程。系統在線提供的數據類似于后來從實驗室分析中獲得的數據。此外，它可以根據自然參數實現過程的在線狀態估計，因此提供了快速故障檢測和校正的選項，這在工業過程中是必不可少的。