薄膜镀层控制仪

汽车的历史新闻：　　近几年，汽车的质量问题屡见不鲜。时下的汽车安全问题，一直是汽车行业消费最关注的话题之一。那么，如今的汽车质量是否能跟上其日新月异的发展节奏呢？本次我们讨论的话题是，汽车电器中电器接插件方面的质量问题与其对应方法。在金属镀厚的过程中，主要有以下几种因素会影响其镀层质量： 镀前处理：生产实践证明造成镀层质量事故多数是由于金属制品的镀前处理不当或欠缺所致。镀前处理的每道工序都会直接问影响到镀层质量。电镀溶液：镀液的性质、各组成成分的含量以及附加盐、添加剂的含量等都会影响镀层质量。基体金属：镀层金属与基体金属的结合是否良好，与基体金属的化学性质有密切关系。如基体金属的电位负于镀层金属的电位，或对易于钝化的基体或中间层，若不采取适当的措施，难以获得结合牢固的镀层。电镀过程：电流密度、镀液温度、送电方式、移动和搅拌的速度等，也会直接影响镀层质量。析氢反应：在宁波电镀过程中大多数镀液的阴极反应都伴随着氢气的析出。当析出的氢气黏附在阴极表面上时会产生针孔或麻点；当一部分被还原的氢原子渗入基体金属或镀层中，会使基体金属及镀层的韧性下降而变脆，叫氢脆。氢脆对高强度钢及弹性零件产生的危害尤其严重。镀后处理：镀后对镀件的清洗、钝化、除氢、抛光、保管方法等都会继续影响镀层质量。电源问题：近年来除采用一般的直流电外，根据实际需要广泛采用换向电镀的方法，使用周期换向电流，还有脉冲电源提供的脉冲电流等都会对镀层质量产生影响。 　　那么，成品镀件的质量究竟该如何管控呢？　　镀层厚度测量已成为加工工业、表面工程质量检测的重要环节，是产品达到优等质量标准的必要手段。为使产品国际化，我国出口商品和涉外项目中，对镀层厚度有了明确要求。目前镀层厚度的测量方法主要有：楔切法，光截法，电解法，厚度差测量法，称重法，X射线荧光法，β 射线反向散射法，电容法、磁性测量法及涡流测量法等等。这些方法中前五种是有损检测，测量手段繁琐，速度慢，多适用于抽样检验。　　X射线和β 射线法是无接触无损测量，测量范围较小，X射线法可测极薄镀层、双镀层、合金镀层。β 射线法适合镀层和底材原子序号大于3的镀层测量。电容法仅在薄导电体的绝缘覆层测厚时采用。　　随着技术的日益进步，特别是近年来引入微机技术后，采用X射线镀层测厚仪 向微型、智能、多功能、高精度、实用化的方向进了一步。测量的分辨率已达0.1微米，精度可达到1%，有了大幅度的提高。它适用范围广，量程宽、操作简便且价廉，是工业和科研使用最广泛的测厚仪器。　　金属表面处理技术广泛应用于电子行业，而电镀处理更是其主要的表现形式，电镀效果也将直接影响电子设备的性能发挥，汽车电子行业也不例外，其中汽车电子连接器端子的电镀将会影响汽车电子设备的导电和信号传输等方面的性能发挥。 目前在汽车电子连接器端子中较为常见的是Sn/Ni/CuZn、Au/Ni/CuZn、Sn/Ni/CuSn、Au/Ni/CuSn等镀层结构，日立FT110系列产品能够有效地对应Sn/Ni/CuZn、Au/Ni/CuZn、Sn/Ni/CuSn、Au/Ni/CuSn结构的膜厚测量，使用日立FT110对Sn/Ni/CuZn、Au/Ni/CuZn结构的测量来讨论电镀工艺在质量管理上的重要性。解决方案请见： http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100718/s544330.htm

FT230 XRF镀层分析仪专用于满足镀层行业的特殊需求。FT230通过整合全新的软件界面、用户体验功能以及高端分析组件，可以更简便地测试更多数量的样品，从而使操作员有时间在测量XRF的同时，执行其他工作。FT230配备四种新的关键功能，可助力更快完成镀层分析：Find My Part™ （查找我的样品）——简单的自动化程序XRF的机器视觉功能将操作员设置XRF测量所需的所有步骤（查找测量位置、选择校准曲线、选择准直器和报告测量结果）整合为一个简单的自动化程序。操作员将零件装入仪器，点击“Find My Part™ （查找我的样品）”按钮，仪器加载指定的完整分析程序。操作员只需确认已识别到的零件，其余工作全部交由FT230处理，其中包括将测量结果发送至正确位置或者为客户创建完整报告。使得操作员空出时间操作实验室的其他仪器，或者返回生产流程。Find My Part™ （查找我的样品）可为操作员节省72%（有时甚至更多）设置复杂测量所需的时间，并且更有助于实现生产一次性成功。除机器视觉功能外，Find My Part™ （查找我的样品）还可通过文本搜索或扫描样品单上的二维码或条形码，轻松加载测量程序。对于无需Find My Part™ （查找我的样品）功能的简单样品设置，FT230还具有其他功能，通过提高测试容量和操作便利性以方便操作员的工作。广域相机——简化零件设置测量大型样品上的多个位置时，操作员通常需要通过标准窄域相机图像，搜索每个位置。窄域相机利于对样品最终定位进行细微调节；鉴于XRF镀层分析仪的X射线光束尺寸较小，视图只能仅向操作员显示零件的有限部分。将样品放入仪器中时，XRF镀层分析仪更易于定位第*一个测量位置（例如，借助样品台弹出时的预定位激光器或显示X射线束位置的激光器），但操作员在定位第*一个位置后，就只能依靠自行查找。这会导致操作员在搜索剩余的点时停顿和浪费时间。FT230可以安装第二台相机，以查看样品室的更大范围，从而简化零件设置。如需使用广域相机，操作员可将样品放入样品室，然后点击软件中的按钮。XRF将在数秒钟内采集到样品台行程区域内的视图，并将该图像显示在窄域图像旁边。操作员可以放大广域图像中的特定测点，读取组件标签并查看更多细节，确保其选择正确的区域。操作员点击广域图像中显示的所需特定测点，将该点移动到分析位置。之后，操作员可以使用窄域图像进行所需的最终调整。使用广域相机的好处通过简单的实验说明使用广域相机的好处。创建一个自动化多点测量程序来测量尺寸为5.75英寸×9.5英寸的电路板。将该程序设置为测量5个点——在电路板的每个角各取一个点，中间取一个点。由同一位受过培训的操作员以两种方式进行实验：一种是仅使用窄域相机，一种是使用广域相机。由于两种情况下的测量时间相同，因此只考虑设置程序的时间。实验结果见下文。仅使用窄域相机创建5点程序的时间：73秒使用广域相机创建5点程序的时间：59秒节省时间：14秒（节省20%）实验结果初看起来，使用广域相机所节省的时间不多，但在大批量生产厂中，像这样每天测试至少50块电路板是很常见的情况。一天合计能节省12分钟以上，操作员可以用这些时间做出自由安排以便执行其他工作。在200天期间，使用广域相机可以为XRF操作员创造超过40小时或1个工作周的额外生产力。广域相机可结合自动对焦或自动接近等其他功能使用，以节省更多的时间来准备样品，用于测量。自动接近——提高分析结果的置信度为使用XRF镀层分析仪获得一致结果，最*好在每次测量时保持X射线管、零件和检测器之间的距离相同。由于X射线强度与距离成函数关系，而且X射线管-零件-检测器之间的几何位置的变化会影响厚度测量。XRF镀层分析仪通常使用两种方法中的其中一种来保持关键几何位置不变（激光对焦或评估图像对比度的视频对焦）。分析头（包含X射线管和检测器）上下移动，直至仪器对焦程序完成，在某些情况下，还需要操作员进行最终微调调整。执行初始化、移动和最终确定操作需要花费时间。如果需要操作员做出决定，也可能会引入误判。FT230可以配备名为“自动接近”的功能，只需点击一下即可将分析头移到正确位置。仪器内部的传感器可测量与样品之间的距离。“自动接近”功能激活时，仪器将测得距离与校准曲线中选择的工作距离（也称为“焦距”）进行比较，将分析头移到适当位置。由此可以让操作员获得置信度更高的结果：无需花费过多时间就能获得较准确结果，对焦零件样品时不会出错。自动接近的好处通过简单的实验说明自动接近的好处。将六个高度范围为4.8 - 6.6英寸（1.9 - 2.6 cm）的零件装入样品室。操作员创建多点程序来测量每个零件上的一个位置。由同一位受过培训的操作员以两种方式进行实验：一种是使用激光对焦（移动分析头，操作员判断对焦），另一种是使用自动接近（分析头自动移到正确的焦距，无需操作员干预）。由于两种情况下的测量时间相同，因此只考虑设置程序的时间。实验结果见下文。仅使用激光对焦创建6点程序的时间：44秒使用自动接近创建6点程序的时间：29秒节省时间：15秒（节省33%）实验结果看起来使用自动接近功能所节省的时间不多，但在每天重复50次运行该功能的常见情况下，操作员可以节省12分钟，可用这些时间来执行其他工作。在200天期间，使用自动接近可以为XRF操作员创造近40小时或近1个工作周的额外生产力。自动接近可结合广域相机等其他功能使用，以节省额外的时间来准备样品，用于测量。自动对焦——测试数量更多的样品定位待测零件后，按下启动按钮前的最*后一步是对焦零件。通常通过激光对焦或使用评估图像对比度的视频对焦。使用任意一种方法时，分析头（包含X射线管和检测器）均会上下移动，直至仪器对焦程序完成，在某些情况下，需要操作员进行最终微调调整。初始化、移动和最终确定操作需要花费时间，如果操作员需要做出决定，也可能会引入误判。FT230可配备自动对焦功能，无需操作员参与，也无需移动分析头。激活时，相机自动将样品对焦在十字线下。本程序甚至可测量与零件之间的距离，操作员能够测量处于不同高度或阶梯式几何位置的零件。测量速度非常快，因而允许测试数量更多的样品，操作员可花费更少的时间来设置零件。使用自动对焦的好处通过简单的实验说明使用自动对焦的好处。将六个高度范围为4.8 - 6.6英寸（1.9 - 2.6 cm）的零件装入样品室。操作员创建多点程序来测量每个零件上的一个位置。由同一位受过培训的操作员以两种方式进行实验：一种是使用激光对焦（移动分析头，操作员判定对焦），一种是使用自动对焦（不移动分析头，操作员不参与对焦）。由于两种情况下的测量时间相同，因此只考虑设置程序的时间。实验结果见下文。仅使用激光对焦创建6点程序的时间：44秒使用自动对焦创建6点程序的时间：17秒节省时间：27秒（节省62%）实验结果就单次运行而言，可以节省一定时间，但考虑到每天设置至少50次运行是很常见的情况，节省的时间十分可观。一天合计节省超过22分钟，操作员可以用这些时间自由做出安排以便执行其他工作。在200天期间，自动对焦可以为XRF操作员创造近76小时或近2个工作周的额外生产力。自动对焦可结合广域相机等其他功能使用，以节省更多的时间来准备样品，用于测量。零件高度的范围越大，自动对焦就越有利，因为操作员花在调整分析头位置上的时间就越少。此外，使用激光对焦时，零件高度的范围受限于工作范围（又称“焦距”）。通过自动对焦，FT230可以测量高度差异高达2.6英寸（67 mm）的零件。是否已准备好了解有关FT230 XRF镀层分析仪的更多信息？

研究镀层特性，有哪些常用的分析技术?　　如今，大多数材料不是多层结构，如薄膜光伏电池、LED、硬盘、锂电池电极、镀层玻璃等就是表面经过特殊处理或是为改善材料性能或耐腐蚀能力采用了先进镀层。为了很好地研究和评价这些功能性镀层特性，有多种表面分析工具应运而生，如我们熟知的X射线光电子能谱XPS、二次离子质谱SIMS、扫描电镜SEM、透射电镜TEM、椭圆偏振光谱、俄歇能谱AES等。　　为什么辉光放电光谱技术受青睐?　　辉光放电光谱仪作为一种新型的表面分析技术，虽然近年来才崭露头角，但已受到了越来越多的关注。与上述表面分析技术相比，辉光放电光谱仪在深度剖析材料的表面和深度时具有不可替代的独特优势，它的分析速度快、操作简单、无需超高真空部件，并且维护成本低。　　辉光放电光谱仪最初起源于钢铁行业，主要被用于镀锌钢板及钢铁表面钝化膜等的测定，但随着辉光放电光谱技术的逐步完善，仪器的性能也得以提升，可分析的材料越来越广泛。　　其性能的提升表现在两方面：一方面随着深度分辨率的不断提升，辉光放电光谱技术已可以逐渐满足薄膜的测试需求。现在，辉光放电光谱仪的深度分辨率可达亚纳米级别，可测试的镀层厚度从几纳米到150微米，某些特殊材料可以达到200微米。　　另一方面是辉光源的性能改善，以前辉光放电光谱仪主要用于钢铁行业的测试，测试的镀层样品几乎都是导体，DC直流的辉光源即可满足该类测试，但随着功能性镀层的不断发展，越来越多的非导体、半导体镀层出现，这使得射频辉光源的独特优势不断凸显。射频辉光源既可以测试导体也可以测试非导体样品，无需更换任何部件和测试方法，使用方便。如果需要测试热敏材料或是为抑制元素热扩散则需选用脉冲射频辉光源。脉冲模式下，功率不是持续性的作用到样品上，可以很好地抑制不期望的元素扩散或是造成热敏样品的损坏，确保测试结果的真实准确。　　辉光放电光谱的工作原理　　辉光放电腔室内充满低压氩气，当施加在放电两极的电压达到一定值，超过激发氩气所需的能量即可形成辉光放电，放电气体离解为正电荷离子和自由电子。在电场的作用下，正电荷离子加速轰击到(阴极)样品表面，产生阴极溅射。在放电区域内，溅射的元素原子与电子相互碰撞被激化而发光。辉光放电源的结构示意图，样品作为辉光放电源的阴极　　整个过程是动态的，氩气离子持续轰击样品表面并溅射出样品粒子，样品粒子持续进入等离子体进行激化发光，不断有新的层在被溅射，从而获得镀层元素含量随时间的变化曲线。　　辉光放电等离子体有双重作用，一是剥蚀样品表面颗粒 二是激发剥蚀下来的样品颗粒。在空间和时间上分离剥蚀和激发对于辉光放电操作非常重要。剥蚀发生在样品表面，激发发生在等离子体中，这样的设计可以很好地抑制基体效应。　　氩气是辉光放电最常用的气体，价格也相对便宜。氩气可以激发除氟元素外所有的元素，如需测试氟元素或是氩元素时需采用氖气作为激发气体。有时也会使用混合气体，如Ar+He非常适合于分析玻璃，Ar+H2可提高硅元素的检出，Ar+O2会应用到某些特殊的领域。　　光谱仪的主要功能是通过收集和分光检测来自等离子体的光以实现连续不断监控样品成分的变化。光谱仪的探测器必须能够快速响应，实时高动态的观测所有元素随深度的变化。辉光放电光谱仪中多色仪是仪器的重要组成部分，是实现高动态同步深度剖析的保障。而光栅是光谱仪的核心，光栅的好坏决定了光谱仪的性能，如光谱分辨率、灵敏度、光谱仪工作范围、杂散光抑制等。辉光放电是一种较弱的信号，光通量的大小对仪器的整体性能有至关重要的影响。　　如何进行定量分析?　　和其他光谱仪一样，通过辉光放电光谱仪做定量分析也需要建立标准曲线。不同的是，辉光放电光谱仪的标准曲线不仅是建立信号强度和元素浓度之间的关系，还会建立时间和镀层深度间的关系。　　下图是涂镀在铁合金上的TiN/Ti2N复合镀层材料的元素深度剖析，直接测试所得的信号强度(V)vs时间(s)的数据经过标准曲线计算后可获得浓度vs深度的信息，可清晰的读取各深度元素的浓度。　　想建立标准曲线就会涉及到标准样品，传统钢铁领域已经有非常成熟的方法及大量的标准样品可供选择。然而一些先进材料和新物质，很难找到标准样品做常规定量分析。HORIBA研发的辉光放电光谱仪针对这类样品开发了一种定量分析方法，称为Layer Mode，该方法可以使用一个与分析样品相类似的参比样品建立简单的标准曲线，实现对待测样品的半定量分析。　　辉光放电光谱的主要应用　　除了传统应用领域钢铁行业，辉光放电光谱仪现在主要应用于半导体、太阳能光伏、锂电池、硬盘等的镀层分析。下面就这些新型应用阐述一下辉光放电光谱仪的独特优势。　　1. 半导体-LED芯片　　如上图所示，LED芯片通常是生长在蓝宝石基底上的多镀层结构，其量子阱活性镀层非常薄(仅有几纳米)，而且还包埋在GaN层下。这种结构也增加了分析的难度。典型的表面技术如SIMS和XPS可以非常好表征这个活性镀层，但是在分析过程中要想剥蚀掉上表面的GaN层到达活性镀层需要耗费几个小时，分析速度慢，时效性差。　　辉光放电光谱仪的整个分析过程仅需几十秒即可获得LED芯片镀层中各元素随深度的分布曲线，可快速反馈工艺生产过程中遇到的问题。　　2、太阳能光伏电池　　太阳能电池中各成分的梯度以及界面对于光电转换效率来说至关重要，辉光放电光谱仪可以快速表征这些成分随深度的分布，并通过这些信息优化产品结构，提高效率。分析速度快、操作简单、非常适用于实验室或工厂大量分析样品。　　3、锂电池　　锂离子电池的正极材料是氧化钴锂，负极是碳。　　锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。　　同理，当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程)，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。　　辉光放电光谱仪可以通过测试正负电极上各种元素随深度的分布来判定其质量及使用寿命等。　　辉光放电光谱仪除独立表征样品外，还可以和其他分析手段相结合多方位全面的进行表征。如辉光放电光谱仪可以与XPS、SEM、TEM、拉曼和椭偏等技术共同分析。　　总体来说，辉光放电光谱仪是一种非常方便快速的镀层分析手段。它的出现极大地解决了工艺生产中质量监控、条件优化等问题，此外还开拓了新的表征方向。　　关于HORIBA 脉冲射频辉光放电光谱仪　　HORIBA研发的脉冲射频辉光放电光谱仪是一款用于镀层材料研究、过程加工和控制的理想分析工具。脉冲射频辉光放电光谱仪可对薄/厚膜、导体或非导体提供超快速元素深度剖析，并且对所有的元素都有高的灵敏度。　　脉冲射频辉光放电光谱仪结合了脉冲射频供电的辉光放电源和高灵敏度的发射光谱仪。前者具有很高的深度分辨率，可对样品分析区域进行一层层剥蚀 后者可实时监测所有感兴趣元素。　　(本文由HORIBA 科学仪器事业部提供)