阅读说明：本技术 电感储能式pcb镀铜高速正反脉冲电源 (Inductive energy storage type PCB copper plating high-speed positive and negative pulse power supply ) 是由 侯鸿斌 施佳抄 邓志克 赵海涛 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源,包括正向供电直流电源、反向脉冲电感储能充电电源、储能电感模块、正反脉冲切换功率模组、正负脉冲电源数字控制系统。本发明解决了现有PCB镀铜使用正反脉冲电源的实现方案中的电能转换效率低,系统稳定性低,输出电流失真等系统性问题,实现了高效、可靠的正反脉冲电源输出系统,比现有技术方案大大降低了开关损耗,也提高了开关机器的可靠性,整机效率可达到85～92％；输出电流控制鲁棒性较高,且充分克服电源与负载连接之间的导线电感和电阻的影响,而产生不失真的反向脉冲波形。(The invention provides an inductive energy storage type PCB copper plating high-speed positive and negative pulse power supply which comprises a positive power supply direct current power supply, a reverse pulse inductive energy storage charging power supply, an energy storage inductor module, a positive and negative pulse switching power module and a positive and negative pulse power supply digital control system. The invention solves the systematic problems of low electric energy conversion efficiency, low system stability, output current distortion and the like in the conventional realization scheme of using the positive and negative pulse power supply for PCB copper plating, realizes a high-efficiency and reliable positive and negative pulse power supply output system, greatly reduces the switching loss compared with the prior art scheme, also improves the reliability of a switching machine, and has the overall efficiency of 85-92%; the output current control robustness is high, and the influence of the inductance and the resistance of a lead between a power supply and a load is fully overcome, so that an undistorted reverse pulse waveform is generated.)

电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源

技术领域

本发明涉及到脉冲功率技术领域，具体涉及到电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源。

背景技术

随着当前5G通讯技术的推广和应用，作为电子元器件载体的PCB(Printedcircuit boards)印刷电路板迎来了新的工艺要求。镀铜作为PCB板制程中的重要环节，其新的工艺要求包括：板厚加厚，线路宽度更细，厚径比越来越高，高纵横比的填盲孔工艺，载板填通孔等。

传统PCB的电镀铜工艺是通过直流电源来进行加工生产，其并不能满足5G PCB板的工艺要求。目前能够满足5G PCB板镀铜工艺要求的是脉冲电镀工艺，而脉冲电镀工艺的核心是正反脉冲电源设备。为了达到脉冲电镀工艺的需求，脉冲电流的峰值需求越来越高，根据不同的应用，输出电流范围400-5000A，脉冲时间宽度需要达到0.1ms的控制精度。因而，随着5G等电子行业的发展，节能高效可靠的脉冲电源设备是支撑电子工业发展的重要环节。

目前在PCB行业现有采用的正反脉冲电源技术方案皆为两步式的功率转换方式，功率转换流程如下：第一次功率变换，从电网市电的高压交流电通过整流电源设备转化为恒定电压的低压直流电，主要方式是通过IGBT开关器件，进行高频(15-20Khz)的逆变，然后通过高频变压器和整流电路来实现从市电转换为低压的直流电。第二次功率变换，是低压直流电通过高频桥式电路逆变为设定的正反脉冲电流的输出，主要方式是通过由大量分立Mosfet器件并联而成的桥式电路(根据供电形式的不同采用全桥式或半桥式的电路)，进行高频斩波(50-100Khz)，然后通过电感和电容组成的滤波网络输出到PCB电镀槽体的负载6中。上述方案的主要存在三个缺点：

(1)电源功率转换效率低：

鉴于电镀铜的化学电位需求，镀铜电源的输出电压一般在4V以下，而输出电流可达到400-5000A，故属于低压大电流的电源设备。现有的电源方案采用了两次的功率变换，在低压大电流的转换场合中，从市电转化为低压直流电时的第一次转换的效率一般在80-90％之间。而由于需要实现100us级别的动态响应，故桥式斩波电路的开关频率需要达到50-100Khz之间，且通断的电流都为KA级别，故第二次功率转换效率小于80％。所以综合整个系统的效率在64-72％之间，有36-28％的电能随着热量而消耗掉，且需要工厂配置更大的能却系统来进行冷却，从而消耗更多的电能。

(2)电源系统故障点多：

从电源使用的功率器件的角度来考虑，IGBT与Mosfet由于都处于高频的开关状态，故皆为潜在的故障风险。而且由于输出电流的范围需到达5000A，即使按照现在全球领先的德国功率半导体企业Infineon(英飞凌)Mosfet低压产品线，也需要400只以上的分立Mosfet并联，以实现全桥或者半桥斩波电路，这就会使得系统的可靠性随着并联元件的数量增加而降低。

(3)输出电流控制鲁棒性低：

PCB的镀铜生产，需要稳定的电流输出。现有的输出电流控制方案采用高频斩波电路来实现，通过高速的反馈电路来实现输出电流的动态反馈控制。由于每个应用的场景下，电源到槽体的输出线路的电感，槽体上的负载电容和电阻的变化，为闭环控制造成比较大的影响，从而导致系统控制闭环的鲁棒性不强，最终导致输出电流的超调，或者欠输出的失真情况出现，直接导致铜结晶的变化，而出现线路的缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源，包括正向供电直流电源1、反向脉冲电感储能充电电源2、储能电感模块3、正反脉冲切换功率模组4、正负脉冲电源数字控制系统5；所述正负脉冲电源数字控制系统5通过接口实时控制正向供电直流电源1、反向脉冲电感储能充电电源2的电流输出；所述反向脉冲电感储能充电电源2对储能电感模块3进行恒电流充电；所述正反脉冲切换功率模组4，根据正负脉冲电源数字控制系统5设定的正反脉冲时间对正向供电直流电源1输出和储能电感模块3输出进行高速切换。

作为一种优选的技术方案，所述储能电感模块3在一个脉冲周期中的反向输出阶段内，为负载6输出反向脉冲电流。

作为一种优选的技术方案，所述正负脉冲电源数字控制系统5还通过数字接口与上位机的工控系统相连接。

作为一种优选的技术方案，所述储能电感模块3包括原边电流检测CT1、储能变压器T1、第一开关管S1；所述原边电流检测CT1和第一开关管S1的一端连接反向脉冲电感储能充电电源2，另一端与储能变压器T1相连接；

作为一种优选的技术方案，所述正反脉冲切换功率模组4包括反向脉冲输出组件和正向脉冲输出组件；所述反向脉冲输出组件和正向脉冲输出组件通过负载6相连接。

作为一种优选的技术方案，所述反向脉冲输出组件包括副边电流检测CT2、第二开关管S2、隔离器件。

作为一种优选的技术方案，所述第二开关管(S2)的一端与隔离器件的一端相连接；所述第二开关管(S2)的另一端与储能变压器(T1)相连接；所述副边电流检测(CT2)的一端与储能变压器(T1)相连接；所述隔离器件的另一端和副边电流检测(CT2)的另一端输出反向脉冲，连接负载(6)。

作为一种优选的技术方案，所述正向脉冲输出组件包括第三开关管S3和电流检测器件CT3。

作为一种优选的技术方案，所述第三开关管S3和电流检测器件CT3的一端连接正向供电直流电源1，另一端输出正向脉冲，连接负载6。

本发明的第二方面提供了一种所述的电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源的应用，其用于PCB镀铜领域。

有益效果：本发明所提供的电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源，解决了现有PCB镀铜使用正反脉冲电源的实现方案中的电能转换效率低，系统稳定性低，输出电流失真等系统性问题，实现了高效、可靠的正反脉冲电源输出系统。本发明所述正反脉冲电源中反向脉冲电感储能充电电源和正向供电直流电源的转换效率可达90-95％，且比现有技术方案大大降低了开关损耗，也提高了开关机器的可靠性，整机效率可达到85～92％；采用电磁储能方式，相比于电容储能等其他储能方式，不存在容量衰减和寿命问题，输出电流控制鲁棒性较高，且充分克服电源与负载连接之间的导线电感和电阻的影响，而产生不失真的反向脉冲波形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源的系统结构。

图2为本发明所述储能电感模块和正反脉冲切换功率模组的电路结构图，隔离二极管D1作为隔离器件。

图3为本发明所述储能电感模块和正反脉冲切换功率模组的电路结构图，隔离MosfetS4作为隔离器件。

图4为本发明的实施例1中所述电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源的HDI板电镀输出波形。

图5为本发明的实施例1中所述电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源采用双输出机型进行晶圆电镀的输出波形

附图标记：1-正向供电直流电源；2-反向脉冲电感储能充电电源；3-储能电感模块；4-正反脉冲切换功率模组；5-正负脉冲电源数字控制系统；6-负载；CT1-原边电流检测；CT2-副边电流检测；CT3-电流检测器件；T1-储能变压器；S1-第一开关管；S2-第二开关管；S3-第三开关管；D1-隔离二极管；S4-隔离Mosfet。

具体实施方式

结合以下本发明的优选实施方法的详述可进一步地理解本发明的内容。除非另有说明，本文中使用的所有技术及科学术语均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。如果现有技术中披露的具体术语的定义与本申请中提供的任何定义不一致，则以本申请中提供的术语定义为准。

在本文中使用的，除非上下文中明确地另有指示，否则没有限定单复数形式的特征也意在包括复数形式的特征。还应理解的是，如本文所用术语“包含”，与“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”等同义，当在本说明书中使用时表示所陈述的组合物、步骤、方法、制品或装置，但不排除存在或添加一个或多个其它组合物、步骤、方法、制品或装置。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“优选的”、“优选地”、“更优选的”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。除此之外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。

本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本发明中所述的“一端、另一端”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的一边即为一端，阅读者的另一边即为另一端，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其他部件的间接连接。

本发明中的词语“优选的”、“更优选的”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。

为了解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源，包括正向供电直流电源1、反向脉冲电感储能充电电源2、储能电感模块3、正反脉冲切换功率模组4、正负脉冲电源数字控制系统5。

(正向供电直流电源1)

所述正向供电直流电源1，在一个脉冲周期中正向供电时间内，提供可调的正向输出电流。

本发明对正向供电直流电源1所用实现装置并没有特别的限制，可使用但不限于，带控制接口的开关电源、SCR可控硅电源、线性电源、同步整流电源等直流电源。

(反向脉冲电感储能充电电源2)

所述反向脉冲电感储能充电电源2，输出根据由正负脉冲电源数字控制系统5发送过来的实时工艺设定的反向输出脉冲电流。

本发明对反向脉冲电感储能充电电源所用实现装置并没有特别的限制，可使用但不限于，带控制接口的开关电源、谐振式电源、SCR可控硅电源、线性电源、同步整流电源等直流电源。

在一种优选的实施方式中，所述反向脉冲电感储能充电电源2对储能电感模块3进行恒电流充电。

(储能电感模块3)

所述储能电感模块3，是通过如电感器、变压器、或者电感器与变压器结合的方式，形成的电感储能部件。

在一种优选的实施方式中，所述储能电感模块3在一个脉冲周期中的反向输出阶段内，为负载6输出反向脉冲电流。

在一种优选的实施方式中，所述储能电感模块3包括原边电流检测CT1、储能变压器T1、第一开关管S1。

在一种优选的实施方式中，所述原边电流检测CT1和第一开关管S1的一端连接反向脉冲电感储能充电电源2，另一端与储能变压器T1相连接。

(正反脉冲切换功率模组4)

正反脉冲切换功率模组4，是通过大电流开关半导体模块组成的输出切换模块。

在一种优选的实施方式中，所述正反脉冲切换功率模组4，根据正负脉冲电源数字控制系统5设定的正反脉冲时间对正向供电直流电源1输出和储能电感模块3输出进行高速切换。

在一种优选的实施方式中，所述正反脉冲切换功率模组4包括反向脉冲输出组件和正向脉冲输出组件；所述反向脉冲输出组件和正向脉冲输出组件通过负载6相连接。

本发明所述负载6，指的是PCB镀铜设备。

反向脉冲输出组件

在一种优选的实施方式中，所述反向脉冲输出组件包括副边电流检测CT2、第二开关管S2、隔离器件。

本发明对所述第一开关管S1和第二开关管S2并没有特别的限制，可采用本领域技术人员熟知的各种开关管，例如Mosfet或IGBT。

所述Mosfet(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，为金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。所述IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，为绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

在一种优选的实施方式中，所述第二开关管S2的一端与隔离器件的一端相连接；所述第二开关管S2的另一端与储能变压器T1相连接。

在一种优选的实施方式中，所述副边电流检测CT2的一端与储能变压器T1相连接。

在一种优选的实施方式中，所述隔离器件的另一端和副边电流检测CT2的另一端输出反向脉冲，连接负载6。

在一种优选的实施方式中，所述隔离器件为隔离二极管D1或隔离MosfetS4。

在一种更优选的实施方式中，所述隔离器件为隔离MosfetS4。

正向脉冲输出组件

在一种优选的实施方式中，所述正向脉冲输出组件包括第三开关管S3和电流检测器件CT3。

在一种优选的实施方式中，所述第三开关管S3和电流检测器件CT3的一端连接正向供电直流电源1，另一端输出正向脉冲，连接负载6。

(正负脉冲电源数字控制系统5)

正负脉冲电源数字控制系统5，是一种系统级的控制器。

在一种优选的实施方式中，所述正负脉冲电源数字控制系统5通过接口实时控制正向供电直流电源1、反向脉冲电感储能充电电源2的电流输出，并根据当前输出波形的设置，发送驱动信号到正反脉冲切换功率模组4控制正反脉冲的时间。

在一种优选的实施方式中，所述正负脉冲电源数字控制系统5还通过数字接口与上位机的工控系统相连接。

本发明的第二方面提供了一种所述的电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源的应用，其用于PCB镀铜领域。

为了解决现有PCB镀铜使用正反脉冲电源的实现方案中的电能转换效率低，系统稳定性低，输出电流失真等系统性问题，本发明提出的电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源，利用了电感对于电流的储能特性，实现了高效、可靠的正反脉冲电源输出系统。本发明提出的电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源的一个脉冲周期由正向输出阶段和反向输出阶段两部分组成。

1)正向输出阶段：

当第一开关管S1、第三开关管S3闭合，第二开关管S2断开时，正向供电直流电源1处于稳流工作状态，向负载6输出恒定电流值，其设定值根据工艺需求由正负脉冲电源数字控制系统5通过控制接口传输得到。反向脉冲电感储能充电电源2根据正负脉冲电源数字控制系统5的反向脉冲电流设定值，对储能电感模块3进行充电，并恒定到达给定电流。

2)反向输出阶段：

当第一开关管S1、第三开关管S3断开，第二开关管S2闭合时，储能电感模块3所储存的能量开始释放，并为负载6输出反向脉冲电流。正向供电直流电源1和反向脉冲电感储能充电电源2停止功率输出，处于挂起状态。

本发明中反向脉冲电感储能充电电源和正向供电直流电源的转换效率可达90-95％，所用第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3在工作中均处于低频的开关状态。根据PCB镀铜工艺的需求，开关管的最高工作频率小于50Hz，故其比现有技术方案大大降低了开关损耗，也提高了开关机器的可靠性，整机效率可达到85～92％。

本发明所用正负脉冲电源数字控制系统，通过数字接口与上位机的工控系统进行连接，一方面可以监控下属的正向供电直流电源、反向脉冲电感储能充电电源、储能电感模块和正反脉冲切换功率模组，通过接口实时控制电流输出，并根据当前输出波形的设置，发送驱动信号到正反脉冲切换功率模组以控制正反脉冲的时间；另一方面，还可以通过HMI接口为客户展示当前电源设备的运行参数(输入输出参数、输出波形)、历史记录等，接收现场操作人员的手动输入控制信息，检测输出电压和电流值，进行输出的过流和过压保护。

本发明所用电感储能方式属于电磁储能方式，相比于电容储能等其他储能方式，不存在容量衰减和寿命问题，故其系统鲁棒性可以得到充分提高。由于PCB镀铜工艺需要的是电流输出波形稳定，而采用电感式储能的方式，利用电感电流不能够突变的特性，能够充分克服电源与负载连接之间的导线电感和电阻的影响，而产生不失真的反向脉冲波形。

实施例

下面结合实施例与附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例与附图。

实施例1

实施例1提供了一种电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源，如图1所示，包括正向供电直流电源1、反向脉冲电感储能充电电源2、储能电感模块3、正反脉冲切换功率模组4、正负脉冲电源数字控制系统5。所述反向脉冲电感储能充电电源2，输出根据由正负脉冲电源数字控制系统5发送过来的实时工艺设定的反向输出脉冲电流，对储能电感模块3进行恒电流充电。所述储能电感模块3在一个脉冲周期中的反向输出阶段内，为负载6输出反向脉冲电流。所述正反脉冲切换功率模组4，根据正负脉冲电源数字控制系统5设定的正反脉冲时间对正向供电直流电源1输出和储能电感模块3输出进行高速切换。所述正负脉冲电源数字控制系统5通过接口实时控制正向供电直流电源1、反向脉冲电感储能充电电源2的电流输出，并根据当前输出波形的设置，发送驱动信号到正反脉冲切换功率模组4控制正反脉冲的时间。所述正负脉冲电源数字控制系统5还通过数字接口与上位机的工控系统相连接。

如图3所示，所述储能电感模块3包括原边电流检测CT1、储能变压器T1、第一开关管S1；所述原边电流检测CT1和第一开关管S1的一端连接反向脉冲电感储能充电电源2，另一端与储能变压器T1相连接。

所述正反脉冲切换功率模组4包括反向脉冲输出组件和正向脉冲输出组件。所述反向脉冲输出组件和正向脉冲输出组件通过负载6相连接。所述反向脉冲输出组件包括副边电流检测CT2、第二开关管S2、隔离MosfetS4。所述第二开关管S2的一端与隔离MosfetS4的一端相连接；所述第二开关管S2的另一端与储能变压器T1相连接。所述副边电流检测CT2的一端与储能变压器T1相连接。所述隔离MosfetS4的另一端和副边电流检测CT2的另一端输出反向脉冲，连接负载6。所述正向脉冲输出组件包括第三开关管S3和电流检测器件CT3。所述第三开关管S3和电流检测器件CT3的一端连接正向供电直流电源1，另一端输出正向脉冲，连接负载6。

性能测试

1、HDI板电镀输出波形测试：采用实施例1所得电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源，对5G基站所用7mm厚度，厚径比24:1的HDI板(高密度互连板)的电镀过程中电源输出波形进行实测。其中具体输出正向脉冲电流400A，正向脉冲时间20ms；反向脉冲电流1200A，反向脉冲时间1ms。得到如图4所示不失真、可靠性强、可稳定输出的电流波形。

2、采用双输出机型进行晶圆电镀的输出波形测试：使用正向额定10A、反向额定30A的双输出MP2U10A机型，采用实施例1所得电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源，对晶圆电镀过程中电源输出波形进行实测。其中，A面输出正向脉冲电流8A，正向脉冲时间5ms，反向输出电流20A，反向脉冲时间0.5ms；B面输出正向脉冲电流6A，正向脉冲时间5ms，反向输出电流16A，反向脉冲时间0.5ms。得到了如图5所示不失真、可靠性强、可稳定输出的电流波形。

3、不同输出功率的效率测试：使用正向最大额定电流1000A，反向最大额定电流3000A的双输出MP2U1000A机型，采用实施例1所得电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源，在输出波形正向脉冲时间20ms，反向脉冲时间1ms的工况下，进行不同的输出功率时的效率测试，结果见表1。

表1MP2U1000A输出效率测试

MV	V	I/A	Po	KW	效率	负载率
							30.5	2.973	406.6667	1209.02	1.39	0.852403	17.38％
38.2	3.64	509.3333	1853.973	2.07	0.877727	25.88％
							45.8	4.32	610.6667	2638.08	2.92	0.885383	36.50％
53.6	5.01	714.6667	3580.48	3.89	0.902023	48.63％
							61.4	5.72	818.6667	4682.773	5.04	0.910539	63.00％
69.2	6.41	922.6667	5914.293	6.34	0.914197	79.25％
							77	7.1	1026.667	7289.333	7.76	0.92056	97.00％

由上述输出效率测试表可知，在满足电镀铜的化学电位需求的输出电流范围内，本发明所提供的电感储能式PCB镀铜高速正反脉冲电源的整机效率可达85～92％，远远超过现有电源方案的64～72％，具有极强的实际应用前景。

前述的实例仅是说明性的，用于解释本公开的特征的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合的选择的实施方式的说明。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。而且在科技上的进步将形成由于语言表达的不准确的原因而未被目前考虑的可能的等同物或子替换，且这些变化也应在可能的情况下被解释为被所附的权利要求覆盖。