CN101473071A - 用于以连续方式电镀衬底的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于以连续的方式将金属涂层沉积到导电衬底上的设备和方法。该设备包括用于接收电解质溶液的至少一个电镀容器、至少一个电镀单元、以及使所述衬底通过所述至少一个电镀容器的装置。电镀单元包括：第一区域，其包括至少一个第一电极(阳极)，所述第一电极连接电源的正极；第二区域，其包括至少一个第二电极(阴极)，所述第二电极连接电源的负极；位于所述第一区域和所述第二区域之间的中间区域，所述中间区域使所述第一区域和所述第二区域间隔大于0的预定距离。所述衬底在其面对所述第一电极时用作具有电流密度Jc的阴极，然而所述衬底在其面对所述第二电极时用作具有电流密度Ja的阳极。

Description

用于以连续方式电镀衬底的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于以连续方式电镀衬底的设备和方法。
背景技术
电镀是一种将金属或金属合金涂层沉积到衬底上的常见公知方法。
在电镀过程中，负电荷位于待涂覆的衬底上，且衬底被浸在含有待沉积的金属盐的溶液中。
电镀方法可被用来在连续处理中将金属或金属合金涂层沉积到细长衬底(诸如金属箔)上。然而，人们在连续处理中会遭遇多种问题。
第一种问题是会因为衬底与电导体的接触而在金属或金属合金涂层上或者在任何底层上形成损伤，诸如划痕和针孔。尤其在金属或金属合金层或者底层非常薄的时候，这是有问题的。
第二种问题是因为不均匀的电场而导致获取均匀涂层的高难度。在使用大面积衬底(诸如箔片)时尤其如此。对于具有低导电性的衬底，这个问题尤为突出。
发明内容
本发明的目标是提供一种用于连续电镀衬底同时避免现有技术的这些问题的设备。
本发明的另一目标是提供一种设备，其允许将涂层沉积到衬底上而不会在涂层上形成损伤、划痕、针孔...。
另一目标是提供一种设备，其甚至允许在大面积衬底上沉积均匀涂层。
此外，一个目标是提供一种在连续传导的高电阻衬底上连续高效地沉积金属或金属合金涂层的方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于以连续的方式将金属涂层沉积到导电衬底上的设备。
该设备包括用于接收电解质溶液的至少一个电镀容器、至少一个电镀单元、以及使所述衬底通过所述至少一个电镀容器的装置。所述至少一个电镀单元包括：
-包括至少一个第一电极(阳极)的第一区域，所述第一电极连接电源正极；
-包括至少一个第二电极(阴极)的第二区域，所述第二电极连接电源负极；
-位于所述第一区域和所述第二区域之间的中间区域，所述中间区域使所述第一区域和所述第二区域间隔大于0的预定距离。
衬底连续地经过所述第一区域、中间区域和第二区域，其中衬底在经过所述第一区域时与第一电极相隔预定距离，且在经过所述第二区域时与第二电极相隔预定距离。
衬底在其面对第一电极时用作具有电流密度Jc的阴极，然而衬底在其面对第二电极时用作具有电流密度Ja的阳极。电流密度Ja大于电流密度Jc。
这意味着：当衬底面对着阳极时，金属涂层将被沉积在衬底上；而当衬底面对着阴极时，金属涂层将发生溶解。为使沉积在衬底上的金属涂层获得增长，电流密度Ja必须大于电流密度Jc。
电流密度Jc取决于所使用的电镀池类型。然而，比率Ja/Jc优选大于10，且更优选地在10至90之间，例如在25至60之间。
影响电流密度的一种方式是让第二电极的长度远小于第一电极的长度。第一电极的长度优选至少为30cm，更优选地至少为60cm，例如为120cm。
第二电极的长度优选小于5cm，例如小于1cm。
优选地，衬底通过电镀容器的方向使衬底首先面对第一电极，随后再面对第二电极。
在本发明中，重要的是限制流过电解质溶液的电子流和避免发生短路。
对通过电解质溶液的电子流进行限制的第一种方式是在第一区域和第二区域之间提供中间区域。
对通过电解质溶液的电子流进行限制和避免发生短路的第二种方式是为电极提供屏蔽件。可以为第一电极或第二电极提供屏蔽件，或者第一电极和第二电极均设有屏蔽件。
例如，屏蔽件包括闭合的绝缘侧壁。优选地，衬底和侧壁最低点之间的距离是小的，且更优选地，衬底和侧壁最低点之间的最大距离等于衬底与第一和第二电极之间的距离。
衬底和第一电极之间的距离以及衬底和第二电极之间的距离优选是小的。如果该距离过大，则会激励通过电解质溶液的通路而不是通过衬底的通路。在任何一种情况下，都必须避免衬底接触第一和第二电极。
优选地，衬底和第一电极之间的距离以及衬底和第二电极之间的距离小于3cm，且更优选地该距离在3至0.2cm之间，例如在1cm至0.5cm之间。
在本发明的优选实施例中，该设备包括多个电镀单元，每个电镀单元都包括第一区域、第二区域和中间区域。优选地，在两个连续单元之间存在活性(activation)区域。该活性区域使两个连续单元间隔大于0的预定距离。优选地，该距离在1至20cm之间，例如在1至10cm之间。
原则上对电镀单元的数量没有限制。电镀单元的数量由所要求的金属或金属合金涂层的厚度来决定。
电镀单元的数量优选大于2，例如在2至20之间。
该活性区域允许除去沉积在衬底上的金属或金属合金涂层的氧化物，以及确保在连续金属涂层之间获得所需要的附着力。
根据本发明的设备可被用来沉积任何类型的金属涂层。金属涂层指任何一种金属或者任何一种金属合金的涂层，诸如镍涂层、锌涂层、铜涂层及其相应合金(诸如铜-锌)的涂层。
电解质溶液含有待沉积的金属的盐。可以使用本领域已知的任何一种电解质溶液。
该设备可包括一个或多个电镀容器。
第一区域、中间区域和第二区域可以例如存在于一个电镀容器中、或者存在于分开的多个电镀容器中。在设备包括多个电镀单元的情况下，不同的电镀单元可存在于一个电镀容器中、或者存在于分开的多个电镀容器中。
作为衬底，可以考虑可导电的任何一种细长衬底。衬底可以是自身可导电的，或者例如通过将金属涂层施加到其上、或通过添加活化剂和/或催化剂而获得导电性的。
优选地，衬底包括金属线、金属绳、金属膜或者金属化的线、金属化的绳、金属化的织物、金属化的纸或者金属化的薄膜。
在优选实施例中，衬底包括金属化的聚合物衬底。
聚合物衬底优选包括至少一种热固性树脂、热塑性树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、缩聚物、或者其中两种或更多种的混合物。
聚合物衬底可被制成具有或不带填充物、玻璃布、玻璃无纺布和/或其它纤维材料。该聚合物衬底可以是单层薄膜或双层薄膜。
可用于形成聚合物衬底的热固性树脂包括酚醛树脂、苯酚-甲醛树脂、呋喃树脂、氨基塑料树脂、醇酸树脂、烯丙基树脂、环氧树脂、环氧预浸料、聚氨酯树脂、热固性聚酯树脂、聚酰亚胺-双马来酰亚胺树脂、聚马来酰亚胺-环氧树脂、聚马来酰亚胺-异氰酸酯树脂、硅酮树脂、氰酸酯树脂、氰酸酯-环氧树脂、氰酸酯-聚马来酰亚胺树脂、氰酸酯-环氧-聚马来酰亚胺树脂等。
热塑性树脂包括聚α-烯烃、聚乙烯、聚丙烯、聚4-甲基-戊烯-1、乙烯/乙烯基共聚物、乙烯醋酸乙烯酯共聚物、乙烯丙烯酸共聚物、乙烯甲基丙烯酸酯共聚物、甲基丙烯酸乙酯共聚物等；热塑性丙烯共聚物，诸如聚丙烯、乙烯-丙烯共聚物等；氯乙烯聚合物和共聚物；偏二氯乙烯聚合物和共聚物；聚乙烯醇；由丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺等制成的丙烯酸类聚合物；碳氟树脂，诸如聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和氟化乙烯丙烯树脂；苯乙烯树脂，诸如聚苯乙烯、α-甲基苯乙烯、高抗冲聚苯乙烯、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯聚合物等。
聚酯树脂包括由二元脂肪族和芳族羧酸和二醇或三醇制成的聚酯树脂。它们包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等。可以使用由碳酸(例如光气)和二元酚(例如双酚A)获得的长链线性聚酯。
聚酰亚胺树脂特别有效。它们可通过以下反应制成，即：让四元酸二酐接触芳香族二胺，从而首先得到聚酰胺酸，然后通过加热或催化剂使聚酰胺酸转换成高分子量的线性聚酰亚胺。
有效的缩聚物包括聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚氮茚、芳族聚砜、聚苯醚、聚醚醚酮等。
优选地，施加在聚合物衬底上的金属涂层用作要在根据本发明的电镀处理中沉积的金属涂层的粘结层。优选的金属涂层包括铬或镍、或者它们的合金，诸如镍-铜合金或者镍-铬合金。
第一电极可以是可溶解的或者不是可溶解的。
该设备可设计成让衬底水平通过电镀容器，或者设计成让衬底竖直通过电镀容器。
该设备可被设计成将金属涂层沉积到衬底的一侧上，或者将金属涂层沉积到衬底的两侧上。
本发明的重要优点是避免在涂层或者任何底层上形成诸如刮痕、针孔...这样的损伤。在现有技术已知的方法中，损伤的形成是一个严重的问题。这些损伤主要是因为电导体接触衬底而造成的。由于根据本发明的设备不需要这种电导体，因此避免发生形成损伤的问题。
本发明的另一优点是该设备允许在大面积衬底、甚至在比现有技术中已知的设备能处理的衬底更宽的衬底上沉积均匀涂层。大面积衬底上的高均匀性是因根据本发明形成的非常均匀的电场而实现的。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于在导电衬底上连续沉积金属或金属合金涂层的方法。
该方法包括以下步骤：
-提供设备，所述设备包括用于接收电解质溶液的至少一个电镀容器、至少一个电镀单元和使所述衬底通过所述至少一个电镀容器的装置；所述至少一个电镀容器包括：第一区域，其包括与电源正极相连的至少一个第一电极(阳极)；第二区域，其包括与电源负极相连的至少一个第二电极(阴极)；以及至少一个中间区域，其位于所述第一区域和所述第二区域之间；所述中间区域使所述第一区域和所述第二区域间隔大于0的预定距离；
-使所述衬底沿预定方向通过所述至少一个电镀容器，其中所述衬底连续通过所述第一区域、所述中间区域和所述第二区域，其中所述衬底在面对所述第一电极时用作具有电流密度Jc的阴极，所述衬底在面对所述第二电极时用作具有电流密度Ja的阳极，所述电流密度Ja大于所述电流密度Jc。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1示出了将金属涂层沉积到衬底一侧上的根据本发明的设备的第一配置；
图2示出了将金属涂层沉积到衬底两侧上的根据本发明的设备的第二配置；
图3示出了包括两个单元的根据本发明的设备的第三配置。
具体实施方式
在图1中给出了根据本发明的设备的示意图。
设备10包括用于接收电解质溶液12的电镀容器11。
该设备包括第一区域13、中间区域18和第二区域14。第一区域13包括与电源15的正极相连的第一电极(阳极)，第二区域14包括与电源15的负极相连的第二电极(阴极)。中间区域18使第一区域13与第二区域14间隔大于0的预定距离。优选地，第一区域13和第二区域14之间的距离在1至20cm之间、更优选地在1至10cm之间。
细长的衬底16连续地穿过所述第一区域、所述中间区域和所述第二区域而穿过电镀容器11。衬底由此与第一电极和第二电极相距1cm地经过第一电极和第二电极。衬底的移动方向由箭头17给出。
细长的衬底16包括金属化的聚合物薄膜，更具体地包括金属化的聚酰亚胺薄膜。施加在聚酰亚胺上的金属包括例如铬或镍、或者它们的合金(诸如镍-铜合金或者镍-铬合金)。金属层具有低导电性，且其厚度在1000至2500埃之间。该金属层用作在根据本发明的电镀处理期间沉积的铜层的粘结层。
第一电极具有90cm的长度，第二电极具有1cm的长度。
衬底16在其面对着第一电极时用作具有电流密度Jc的阴极，然而该衬底在其面对着第二电极时用作具有电流密度Ja的阳极。
比率Ja/Jc至少为10，例如为20。
这意味着：当衬底16面对着第一电极13时，金属涂层将沉积在衬底上，而当衬底16面对着第二电极14时，金属涂层将发生溶解。由于电流密度Ja大于电流密度Jc，因此衬底16上的金属涂层将会增加。
为限制通过电解质溶液的电子流，中间区域18使第一区域13和第二区域14间隔例如2cm的距离。
此外，第一电极和第二电极设有屏蔽件19。
电解质溶液含有铜的盐。
在电镀期间，电子应从第一电极13流到衬底16，且从衬底16流到第二电极14。
为激励电子流沿指定通路前进，通过衬底16的通路的电阻优选低于通过电解质溶液12的通路的电阻。
图2示出了在两侧涂覆衬底26的根据本发明的设备20。
该设备包括用于接收电解质溶液22的电镀容器21。
该设备20包括第一区域23、23’、中间区域28、28’以及第二区域24、24’。第一区域包括与电源25的正极相连的第一电极，第二区域包括与电源25的负极相连的第二电极。区域23和24的电极位于衬底26的一侧。区域23’和24’的电极位于衬底26的另一侧。
细长的衬底26与第一区域23、23’的电极和第二区域24、24’的电极相距1cm地通过电镀容器21。衬底的移动方向由箭头27给出。
第一区域23、23’的电极具有90cm的长度，第二区域24、24’的电极具有1cm的长度。
电解质溶液包含铜的盐。
比率Ja/Jc至少为10、更优选地至少为20。
通过电解质溶液的电子流受到分别位于第一区域23与第二区域24之间和第一区域23’与第二区域24’之间的中间区域28和28’的限制。此外，第一区域23、23’的电极和第二区域24、24’的电极均设有屏蔽件29和29’。
图3示出了设备30，其包括用于接收电解质溶液32的电镀容器31。
该设备包括两个电镀单元。每个电镀单元都包括第一区域33和33’、中间区域38和38’、以及第二区域34和34’。
第一区域33和33’包括与电源35的正极相连的第一电极；第二区域34和34’包括与电源35的负极相连的第二电极。
对于本领域技术人员而言，单元数量可以增加是显而易见的。不同的单元可被连接到同一电源或者两个不同的电源上。
在第一区域33和第二区域34之间具有中间区域38；在第一区域33’和第二区域34’之间具有中间区域38’。
第一区域33、33’的电极和第二区域34、34’的电极优选地设有屏蔽件39。
优选地，在两个连续单元之间存在活性区域40。该活性区域40允许除去所沉积的涂层上的氧化物，和允许在连续沉积的涂层之间获得良好的附着力。
细长的衬底36的移动方向由箭头37给出。

Claims (24)

1.一种用于在连续电镀处理中将金属涂层沉积到导电衬底上的设备，所述设备包括用于接收电解质溶液的至少一个电镀容器、至少一个电镀单元和使所述衬底通过所述至少一个电镀容器的装置；所述至少一个电镀单元包括：
第一区域，其包括至少一个第一电极(阳极)，所述第一电极连接到电源正极；
第二区域，其包括至少一个第二电极(阴极)，所述第二电极连接电源负极；
位于所述第一区域和所述第二区域之间的中间区域，所述中间区域使所述第一区域和所述第二区域间隔大于0的预定距离；
其中，所述衬底连续地与所述第一电极相距预定距离地通过所述第一区域、通过所述中间区域以及与所述第二电极相距预定距离地通过所述第二区域，所述衬底在面对所述第一电极时用作具有电流密度Jc的阴极，所述衬底在面对所述第二电极时用作具有电流密度Ja的阳极，所述电流密度Ja大于所述电流密度Jc。
2.如权利要求1所述的设备，其中，比率Ja/Jc至少为10。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述第一电极具有至少30cm的长度，所述第二电极具有最大为5cm的长度。
4.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述中间区域在所述第一区域和所述第二区域之间形成1至10cm的间距。
5.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第一电极和/或所述第二电极被屏蔽。
6.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述设备包括多个单元，所述单元的数量至少为2，由此在两个连续单元之间存在活性区域，所述活性区域使两个连续电镀单元间隔大于0的预定距离。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述活性区域在两个连续电镀单元之间形成1至10cm的间距。
8.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述衬底与所述第一电极和第二电极之间的距离小于3cm。
9.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述衬底包括金属线、金属绳、金属薄膜、金属化的线、金属化的绳、金属化的织物、金属化的纸或者金属化的薄膜。
10.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述衬底水平通过所述电镀容器。
11.如权利要求1-9中任一项所述的设备，其中，所述衬底竖直地通过所述电镀容器。
12.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，金属涂层被施加到所述衬底的两侧上。
13.一种用于连续地将金属或金属合金涂层沉积到导电衬底上的方法，所述方法包括以下步骤：
提供一设备，该设备包括用于接收电解质溶液的至少一个电镀容器、至少一个电镀单元和用于使所述衬底通过所述至少一个电镀容器的装置；所述至少一个电镀容器包括：第一区域，其包括与电源正极相连的至少一个第一电极(阳极)；第二区域，其包括与电源负极相连的至少一个第二电极(阴极)；以及位于所述第一区域和所述第二区域之间的至少一个中间区域；所述中间区域使所述第一区域和所述第二区域间隔大于0的预定距离；
使所述衬底沿预定方向通过所述至少一个电镀容器，其中所述衬底连续通过所述第一区域、所述中间区域和所述第二区域，其中所述衬底在面对所述第一电极时用作具有电流密度Jc的阴极，所述衬底在面对所述第二电极时用作具有电流密度Ja的阳极，所述电流密度Ja大于所述电流密度Jc。
14.如权利要求13所述的方法，其中，比率Ja/Jc至少为10。
15.如权利要求13或14所述的方法，其中，所述第一电极具有至少30cm的长度，所述第二电极具有最大为5cm的长度。
16.如权利要求13-15中任一项所述的方法，其中，所述中间区域在所述第一区域和所述第二区域之间形成1至10cm的间距。
17.如权利要求13-16中任一项所述的方法，其中，所述第一电极和/或所述第二电极被屏蔽。
18.如权利要求13-17中任一项所述的方法，其中，所述设备包括多个单元，所述单元数量至少为2，由此在两个连续单元之间存在活性区域，所述活性区域使两个连续电镀单元间隔大于0的预定距离。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述活性区域在两个连续电镀单元之间形成1至10cm的间距。
20.如权利要求13-19中任一项所述的方法，其中，所述衬底与所述第一电极和所述第二电极之间的距离小于3cm。
21.如权利要求13-20中任一项所述的方法，其中，所述衬底包括金属线、金属绳、金属薄膜、金属化的线、金属化的绳或者金属化的薄膜。
22.如权利要求13-21中任一项所述的方法，其中，所述衬底水平地通过所述电镀容器。
23.如权利要求13-21中任一项所述的方法，其中，所述衬底竖直地通过所述电镀容器。
24.如权利要求13-23中任一项所述的方法，其中，金属涂层被施加到所述衬底的两侧上。
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