DE102009023768A1

DE102009023768A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern von elektrochemischen Oberflächenprozessen

Info

Publication number: DE102009023768A1
Application number: DE102009023768A
Authority: DE
Inventors: Egon Huebel
Original assignee: Hübel, Egon, Dipl.-Ing. (FH)
Current assignee: Rena GmbH
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2010-11-25
Also published as: JP2012527525A; EP2432921A2; WO2010133222A3; CN102439202A; WO2010133222A2; KR20120026487A

Abstract

Die Erfindung betrifft das elektrochemische Behandeln von Basisschichten auf Substraten in elektrolytischen Zellen von Durchlaufanlagen oder Tauchbadanlagen mit einer elektrischen Kontaktierung des Gutes 1 an gegenüberliegenden Rändern mittels rechter und linker Kontakte 3', 3'', insbesondere zum Galvanisieren von Leiterplatten oder Leiterfolien. Dabei erfolgt bei dünnen Basisschichten und/oder bei Anwendung einer großen Stromdichte infolge der elektrischen Spannungsabfälle in der Basisschicht quer zur Transportrichtung eine unterschiedlich intensive Behandlung. Das Behandlungsminimum befindet sich im Bereich der Mitte des Gutes. Zur vollkommen ebenen Behandlung, z.B. zur Galvanisierung des Gutes, werden erfindungsgemäß quer zur Transportrichtung zwei bevorzugt gleich große elektrolytische Zellen 8', 8'' mit individuellen Anoden 7', 7'' und Gleichrichtern 6', 6'' als rechte und linke Elemente angeordnet. Die rechte Zelle 8' wird kathodisch über den linken Kontakt 3'' mit Galvanisierstrom gespeist und die linke Zelle 8'' entsprechend über den rechten Kontakt 3'. Dadurch werden die beiden Zellen 8', 8'' jeweils im Bereich der Mitte der Transportbahn gespeist, was dort vorteilhaft eine erhöhte Abscheidung zur Folge hat, obwohl sich die Kontakte nur an den Rändern des Gutes befinden. Durch unterschiedlich groß eingestellte Ströme in den beiden Zellen 8', 8'', die zeitlich abwechselnd an den jeweiligen Seiten wirken, kann die gesamte elektrochemische Behandlung des Gutes 1 ...

Description

Die Erfindung betrifft das elektrochemische Behandeln von elektrisch leitfähigen Basisschichten auf ebenem Gut. Bevorzugt betrifft dies plattenförmige oder bandförmige Substrate. Die Erfindung eignet sich unter anderem zum Galvanisieren von Leiterplatten und Leiterfolien oder anderen Platten in Durchlaufanlagen oder Tauchbadanlagen sowie von Bändern aus Metall oder metallisierte Kunststofffolien in Anlagen von Rolle zu Rolle. Dabei soll unter Anwendung einer möglichst großen Stromdichte eine gleichmäßig dicke metallische Schicht auf der gesamten großflächigen Oberfläche des Gutes abgeschieden werden, auch wenn die anfänglichen gesputterten oder chemisch metallisierten Basisschichten dünn und damit hochohmig sind. Das Galvanisieren kann an nur einer Oberflächenseite oder an beiden Oberflächenseiten des flachen Gutes erfolgen. In allen Fällen kann es sich bei dem Gut um Abschnitte als Bögen und Platten oder um Endlosgut von Rolle zu Rolle handeln. Die Erfindung eignet sich auch zum elektrochemischen Ätzen von Basisschichten auf ebenem Gut. Sie wird nachfolgend, besonders an Beispielen der wichtigsten Anwendung, nämlich dem Galvanisieren in Durchlaufanlagen beschrieben.
Derartige Galvanisieranlagen sind z. B. als horizontale Durchlaufanlagen oder Bandanlagen bekannt. Die elektrolytische Zelle wird im Elektrolyten von mindestens einer löslichen oder unlöslichen Anode, die sich quer zur Transportrichtung des Gutes über die gesamte Transportbahn erstreckt sowie von der zu galvanisierenden Oberfläche des Gutes gebildet. In Transportrichtung gesehen sind die Anöden in der Regel als Abschnitte angeordnet, wobei jeder Abschnitt mindestens von einer zugeordneten Galvanisierstromquelle, die auch als Gleichrichter bezeichnet wird, mit elektrischem Behandlungsstrom bzw. Galvanisierstrom gespeist wird.
Das plattenförmige oder bandförmige Gut wird mindestens an einem Rand mittels Kontakten elektrisch kontaktiert. Über diese Kontakte wird der zum Galvanisieren erforderliche Galvanisierstrom von mindestens einer Galvanisierstromquelle zur elektrolytisch zu behandelnden Basisschicht des Gutes geleitet. Von diesem Rand oder von den beiden Randbereichen verbreitet sich der Galvanisierstrom über die gesamte Oberfläche des Gutes. In vielen Fällen fließt er dabei in einer mindestens anfänglich hochohmigen Basisschicht. Die Folge ist ein störender elektrischer Spannungsabfall, der an dem elektrischen Widerstand dieser Basisschicht auftritt. Der Spannungsabfall reduziert insbesondere bei Anwendung einer zu bevorzugenden großen globalen Stromdichte die örtlich wirksamen Stromdichten in Abhängigkeit von ihrer Lage auf dem Gut unterschiedlich groß. Entsprechend unterschiedlich ist dann die Dicke der örtlich abgeschiedenen Galvanisierschicht.
Die Druckschrift DE 101 41 056 C2 beschreibt am Stand der Technik u. a. das grundsätzliche Entstehen der Galvanisierschicht als Schiefe Ebene quer zur Transportrichtung auf plattenförmigem Gut mit hochohmigen Basisschichten. Ursache sind die elektrischen Spannungsabfälle in der Basisschicht und die damit verbundenen unterschiedlich großen örtlichen Zellspannungen, die im Elektrolyten von der Anode zur Kathode zu messen sind. Zur Reduzierung der elektrischen Spannungsabfälle in der Basisschicht wird hier eine Teilung der globalen elektrolytischen Zelle quer zur Transportrichtung in mehrere individuelle elektrolytische Zellen mit jeweils zugehörigen Galvanisierstromquellen vorgeschlagen. Durch die damit verbundene Kürzung der stromleitenden Strecken im Gut und damit des jeweils darin fließenden kleineren Stromes wird eine gleichmäßigere Schichtdickenverteilung erzielt.
Grundsätzlich kann das Gut zur Reduzierung der Spannungsabfälle quer zur Transportrichtung auch von den beiden Rändern oder bei Tauchbadanlagen von allen vier Rändern elektrisch kontaktiert werden. Der von diesen Rändern jeweils einzuspeisende Galvanisierstrom beträgt dann bei Durchlaufanlagen nur die Hälfte des Galvanisierstromes gegenüber der einseitigen Einspeisung. Zugleich verringert sich die Strecke des jeweiligen Stromflusses quer zur Transportrichtung auf die Hälfte, d. h. auf den halben elektrischen Widerstand. Der halbe Strom und der halb so große elektrische Widerstand ergibt nach dem Ohmschen Gesetz ein Viertel des Spannungsabfalls im Vergleich zur einseitigen Einspeisung, vorausgesetzt, dass sich die Ströme symmetrisch zu den Einspeisungspunkten verteilen. Entsprechend geringer sind die örtlichen Zellspannungsunterschiede und damit die Unterschiede der Stromdichten quer zur Transportrichtung, die in diesem Falle in der Mitte des Gutes ihr Minimum haben.
Die Druckschrift DE 36 45 319 C2 beschreibt ebenfalls eine Durchlaufanlage für plattenförmiges Gut, z. B. für Leiterplatten mit einer solchen beidseitigen Stromeinspeisung. Obere und untere Anoden sind quer zur Transportrichtung über die gesamte Transportbahn angeordnet. Das Gut kann sowohl an einem Rand als auch, unter Vorraussetzung eines stets gleichbleibenden Formates desselben, an den beiden Rändern elektrisch kontaktiert werden. Die Kontaktierung an den beiden Rändern hat den beschriebenen Vorteil der Viertelung des elektrischen Spannungsabfalls quer zur Transportrichtung, was insbesondere bei dünnen zu galvanisierenden Basisschichten hilfreich ist. Dies erlaubt die Anwendung einer größeren Stromdichte oder bei gegebener Stromdichte wird eine gleichmäßigere Galvanisierschicht abgeschieden. Der Schichtabfall von den Rändern zur Mitte des Gutes wird im Vergleich zur Einspeisung von nur einem Rand deutlich verringert, jedoch lässt sich dieser Schichtabfall auch bei der Kontaktierung von den beiden Rändern nicht völlig vermeiden. Es verbleiben insbesondere bei größeren Abmessungen des Gutes und damit wirtschaftlichen Stromdichten Schiefe Ebenen der Schicht, wobei in der Mitte des Gutes das Minimum auftritt. Das Maximum befindet sich an den kontaktierenden Rändern.
Bei den Anforderungen an die Qualität der elektrolytischen Abscheidung für die zunehmend zu produzierende Feinleitertechnik mit ihren dünnen bis sehr dünnen und damit hochohmigen Basisschichten muss zur Erzielung der nötigen Gleichmäßigkeit der zu galvanisierenden Schicht meist mit einer kleineren Stromdichte unter Verlust an Produktionskapazität galvanisiert werden. Für die in der Leiterplattentechnik dominierende Abscheidung von Kupfer werden unter einer großen Stromdichte 10 A/dm² bis 18 A/dm² verstanden und unter einer kleinen Stromdichte 2 A/dm² bis 5 A/dm². Dünne Basisschichten aus Kupfer sind z. B. 2 μm bis 3 μm dick. Chemisch abgeschiedene Basisschichten sind etwa 0,3 μm dick und gesputterte Basisschichten sind weniger als 0,2 μm dick. Die Druckschrift DE 10 2004 025 827 B3 beschreibt eine weitere Durchlaufanlage mit einer elektrischen Kontaktierung von den beiden Rändern, um den Schichtdickenfehler klein zu halten. Dennoch müssen Kompromisse bezüglich der anwendbaren Stromdichte und der Qualität der Abscheidung bzw. der Schichtdickenverteilung bei gegebenen Parametern des Gutes, insbesondere dessen Abmessungen quer zur Transportrichtung eingegangen werden.
Die beidseitige Kontaktierung erfordert zur theoretisch exakten Viertelung der verbleibenden Unterschiede der Spannungsabfälle gleich große Ströme an beiden Seiten. Der Galvanisierstrom fließt von einem einzigen Gleichrichter über die daran angeschlossene Anode in der elektrolytischen Zelle zum Gut. Diese Anode ist quer zur Transportrichtung des Gutes angeordnet. Gleich große Galvanisierströme an den beiden Rändern treten nur bei beidseitig, gleichen Kontaktierungsbedingungen auf, z. B. bei gleich großen Auflagekräften oder Klemmkräften der Kontakte auf dem Gut, die Voraussetzung für gleich große elektrische Kontaktwiderstände sind. Hierzu müsste z. B. der Schwerpunkt jeder Kontaktwalze genau in der Mitte zwischen den beiden mit der Kontaktwalze rotierenden Kontakten liegen. Dies ist konstruktiv selten der Fall. Hinzu kommt eine dynamische Asymmetrie, der rotierenden Kontaktmittel. Diese Kontaktierung kann sporadisch nahezu bis zur wiederholten Unterbrechung des einen oder anderen Kontaktes an der einen oder anderen Seite führen. Weil in der Praxis keine Symmetrie der Galvanisierströme der beiden Seiten besteht und die beidseitige Stromaufteilung mittels des Gleichrichters auch nicht zu beeinflussen ist, werden auch die Schichtdickenunterschiede vom theoretischen Verlauf abweichen und unkalkulierbar größer sein als der theoretische Wert der Viertelung.
Unter diesen praktischen Bedingungen ist es nicht zu vermeiden, dass ein Schichtdickenabfall im mittleren Bereich des Gutes in unzulässiger Größe auftritt. Um dieses örtlich nicht genau vorhersehbare Schichtdickental auszugleichen, sind verschiedene konstruktive Maßnahmen bekannt, die jedoch von der nur theoretisch exakt erreichbaren Symmetrie des Schichtdickentales ausgehen. Von daher können die konstruktiven Maßnahmen nicht vollkommen sein. Es bleiben mehr oder weniger große Fehler der Schichtdickenverteilung bestehen. Als konstruktive Maßnahmen sind z. B. eine bestimmte Anzahl von kleineren bzw. kürzeren Anoden quer zur Transportrichtung, die nur den Mittenbereich der Transportbahn abdecken, bekannt. Ferner sind veränderliche oder konstant kleinere Anoden-/Kathodenabstände im Mittenbereich, d. h. schräggestellte Anoden sowie im Randbereich des Gutes beidseitige Blenden bekannt. Diese Maßnahmen müssen sehr genau an das zu produzierende Gut und dessen Parameter angepasst werden. Außerdem verursachen sie einen Verlust an aktiver Anodenfläche in der Durchlaufanlage. Ein breites Spektrum an Parametern des Gutes erfordert stets individuelle Anpassungen dieser Korrekturmaßnahmen. Ein hierfür erforderlicher Umbau der Durchlaufanlage ist jedoch bei einem Produktwechsel in der Praxis unerwünscht.
Hierzu zwei Beispiele aus der Praxis für eine Kupfergalvanisierung in einer Durchlaufanlage mit einem schwefelsauren Elektrolyten und einer aktiven Länge in Transportrichtung von 6 Metern.
Einmal soll eine Basisschicht aus Kupfer mit einer Dicke von 2 μm mit einer Stromdichte von 10 A/dm² um 4 μm verstärkt werden. Das andere Mal soll die Verstärkung bei einem anderen Produkt 25 μm betragen.
Im ersten Falle ergibt sich eine Transportgeschwindigkeit von 3 m/Minute. Nach dem Durchfahren der Durchlaufanlage beträgt die Dicke der Gesamtschicht nur 6 μm, was die konstruktiven Korrekturmaßnahmen zum Ausgleich des Schichtdickentales in der Mitte des Gutes bis zum Ende der Durchlaufanlage erforderlich macht.
Im zweiten Falle beträgt die Transportgeschwindigkeit 0,5 m/Minute. Bereits nach einem Sechstel der Aktivlänge ist der Zustand bzw. die Dicke der Abscheidung erreicht, die im ersten Falle erst nach der gesamten Aktivlänge der Durchlaufanlage bestand. Die während des Galvanisierens dicker werdende Schicht erfordert abnehmende Korrekturmaßnahmen. Infolgedessen würden die bekannten konstruktiven Maßnahmen zur Einebnung der Schichtdicke, die im ersten Falle bis an das Ende der Durchlaufanlage erforderlich waren, für den zweiten Fall viel zu stark wirken. Der Mittenbereich würde erheblich dicker werden, als der Randbereich.
Die mechanischen Korrekturen müssen daher an die vom Gut vorgegebenen Parameter bzw. Anforderungen, z. B. auch an die jeweilige Stromdichte angepasst werden. Diese Anpassungen sind mit einem erheblichen Montageaufwand verbunden und daher nicht praktikabel.
Aufgabe der Erfindung ist es, den elektrochemischen Prozess so zu steuern, dass ohne konstruktive Anpassungen der Anlage an das zu behandelnde Gut eine gleichmäßige elektrochemische Behandlung desselben quer zur Transportrichtung und bei Tauchbadanlagen eine allseitig gleichmäßige Behandlung erfolgt. Insbesondere soll bei einer Einspeisung des elektrischen Stromes von den Rändern der Mittenbereich des Gutes kein Schichtdickental beim Galvanisieren oder keinen Schichtdickenberg beim Ätzen aufweisen.
Gelöst wird die Aufgabe durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 und durch die Vorrichtung nach Patentanspruch 11. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Durchlaufanlagen und Anlagen, die das Gut von Rolle zu Rolle produzieren, werden wegen ihrer geringen anlagentechnischen Flexibilität vorzugsweise zur Produktion von Massenprodukten verwendet. Diese Produkte sind meist kleine Leiterplatten oder Leiterfolien für z. B. BGAs (Ball Grid Arrays), RFIDs (Radio Frequency Identification), MP3 Player, Speichersticks, Mobiltelefone, Baugruppen für PCs und dergleichen. Sie werden auf einem großen Nutzen angeordnet, der in dieser Beschreibung als Leiterplatte oder allgemein als Gut bezeichnet wird. Die zunehmende Miniaturisierung der Elektronik erfordert die technisch anspruchsvolle Feinleitertechnik. Diese unterstützt die Erfindung durch das ebene Galvanisieren der dafür erforderlichen dünnen Basisschichten des Gutes.
Das erfindungsgemäß zu behandelnde Gut ist eine globale Platte, Leiterplatte oder Leiterfolie. Diese werden in der Praxis zunehmend größer. Sie weisen einen nutzbaren Bereich für die kleinen Güter und einen nicht nutzbaren Randbereich mit darauf befindlichen Kontaktspuren auf. Der Nutzbereich soll auch bei sehr großen Platten bzw. Flächen mit sehr guter Schichtdickenverteilung elektrochemisch behandelt werden.
Auf jeder der vielen entlang der Transportbahn der Durchlaufanlage angeordneten Kontaktwalzen oder Kontakträder, die zugleich Transportwalzen oder Transporträder sein können, befindet sich beidseitig im Randbereich je ein rotierender elektrischer Kontakt. Beidseitig können auch transportierende und kontaktierende Klammerkontakte oder Gleitkontakte angeordnet sein. Das Gut wird über die beiden Kontaktspuren bzw. Kontaktbereiche an den Rändern mit dem zum Galvanisieren erforderlichen kathodischen Strom gespeist. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Vermeidung eines Tales der Schichtdicke in der Mitte des Gutes sehen quer zur Transportrichtung in zwei Teile geteilte und voneinander elektrisch isolierte Anoden und ihnen jeweils zugeordnete elektrolytische Zellen vor, die von mindestens je einem individuell im Strom einstellbaren Gleichrichter mit Galvanisierstrom gespeist werden. Nachfolgend sollen die quer zur Transportrichtung geteilten Anoden bzw. Elektroden und die zugehörigen elektrolytischen Zellen sowie die Kontakte am Rand des Gutes und die Gleichrichter mit dem Zusatz rechts und links bezeichnet werden. Im Randbereich des Gutes unter der rechten Anode und an der rechten elektrolytischen Zelle befindet sich entsprechend der rechte elektrische Kontakt oder die rechten Kontakte. Unter der linken Anode und an der linken elektrolytischen Zelle befindet sich dementsprechend der linke elektrische Kontakt oder die linken Kontakte. Die rechte Anode wird von mindestens einem rechten Gleichrichter mit Behandlungsstrom gespeist. Der oder die Gleichrichter bilden zusammen mit der rechten Anode und der darunter befindlichen rechten Hälfte des Gutes die rechte elektrolytische Zelle. Die linke Anode wird von mindestens einem linken Gleichrichter mit Behandlungsstrom gespeist. Der oder die Gleichrichter bilden zusammen mit der linken Anode und der darunter befindlichen linken Hälfte des Gutes die linke elektrolytische Zelle. Die Oberfläche des Gutes bildet jeweils die kathodische Gegenelektrode beim Galvanisieren bzw. die anodische Gegenelektrode beim Ätzen.
Gleiches gilt für die Unterseite des Gutes mit den gegebenenfalls dort spiegelbildlich angeordneten elektrolytischen Zellen. Die auch dort geteilten Anoden bzw. Elektroden und die zu galvanisierenden beiden halben Oberflächen des Gutes als Kathode bzw. Gegenelektrode bilden ebenfalls rechte und linke elektrolytische Zellen, die jeweils von mindestens einem Gleichrichter mit Behandlungsstrom gespeist werden.
Erfindungsgemäß wird der elektrische Galvanisierstromkreis des rechten oder der rechten Gleichrichter über die rechte Anode und die rechte elektrolytische Zelle sowie der rechten Hälfte des kathodischen Gutes und von dort durch die Basisschicht der linken Hälfte des Gutes über den linken elektrischen Kontakt geschlossen. Entsprechend wird der elektrische Galvanisierstromkreis des linken oder der linken Gleichrichter über die linke Anode und die linke elektrolytische Zelle sowie der linken Hälfte des kathodischen Gutes und von dort durch die Basisschicht der rechten Hälfte des Gutes über den rechten elektrischen Kontakt geschlossen.
Die linke Hälfte des Gutes mit der darauf befindlichen Basisschicht dient somit als elektrischer Leiter für den kathodischen Galvanisierstrom der rechten elektrolytischen Zelle. Die rechte Hälfte des Gutes mit der darauf befindlichen Basisschicht dient entsprechend als elektrischer Leiter für den kathodischen Galvanisierstrom der linken elektrolytischen Zelle. Wegen des sehr großen Abstandes der Kontaktmittel an den beiden Rändern des Gutes, die jeweils fern der zugehörigen elektrolytischen Zellen sind, die sie mit Galvanisierstrom speisen, werden sie mit vorteilhaftem Nebeneffekt weniger intensiv metallisiert, als bei einer elektrolytischen Zelle nach dem Stand der Technik.
Der oder die Gleichrichter an einer Seite des Gutes im Bereich einer Anlagenposition bzw. Anodenposition bilden mit dem oder den Gleichrichtern an der anderen Seite des Gutes einer Anlagenposition bzw. Anodenposition ein Gleichrichterpaar. Jeder Anode müssen mindestens ein Gleichrichter oder mehrere, entsprechend kleiner dimensionierte Gleichrichter zugeordnet sein. Diese Badstromquellen können z. B. auch jedem einzelnen kathodischen Kontakt der jeweiligen Seite zugeordnet sein. Insbesondere bei Gut, das in Transportrichtung gesehen lang ist, z. B. 610 mm, werden nur wenige Kontakte in dieser Richtung benötigt. In diesem Falle kann jedem Kontakt ein individueller Gleichrichter zugeordnet werden, wodurch der Kontaktstrom und übergeordnet der Anodenstrom exakt regelbar ist. Dabei sind alle einer Anode zugeordneten Gleichrichter über das elektrisch leitfähige kathodische Gut parallel geschaltet. Zur Vereinfachung der nachfolgenden Beschreibung und der Figuren wird überwiegend davon ausgegangen, dass jeder elektrolytischen Zelle nur ein Gleichrichter zugeordnet ist.
Zur Erklärung der Erfindung sollen zunächst zwei Grenzfälle betrachtet werden:
Der erste Grenzfall besteht dann, wenn jeweils nur einer der beiden Gleichrichter für die Zeitdauer t eingeschaltet ist. Entlang der Durchlaufanlage an den üblicherweise mehreren Anodenpositionen erfolgt das Einschalten der Gleichrichter einer Seite bevorzugt abwechselnd mit den Gleichrichtern an der anderen Seite des Gutes. Die Einschaltdauer t1 der Gleichrichter der einen Seite und die Einschaltdauer t2 der Gleichrichter der anderen Seite sind dabei bevorzugt gleich groß.
Der zweite Grenzfall besteht bei gleichzeitig mit gleich großer Stromstärke eingeschalteten Gleichrichtern eines Gleichrichterpaares an einer oder mehreren Anodenpositionen.
Im ersten Grenzfall sei zunächst der linke Gleichrichter für die Zeitdauer t ausgeschaltet. Der rechte Gleichrichter speist die rechte elektrolytische Zelle. Damit erfolgt durch die linke Basisschicht des Gutes die Einspeisung des Galvanisierstromes zur rechten Zelle. Für diese Zelle bedeutet dies, dass die Einspeisung des Stromes in die Basisschicht in der Mitte des Gutes erfolgt. In dieser rechten Zelle nimmt dann der elektrische Spannungsabfall in der Basisschicht von der Mitte in Richtung zum rechten Rand zu. Damit nehmen die örtlich wirksamen Zellspannungen sowie die örtlichen Stromdichten in Richtung zum rechten Rand ab. Dies bedeutet eine Schiefe Ebene auf der rechten Hälfte des Gutes, wobei sich der Berg der abgeschiedenen Schicht, quer zur Transportrichtung gesehen, in der Mitte des Gutes befindet, obwohl das Gut am Rand elektrisch kontaktiert wurde und zwar an dem Rand, der sich nicht an der rechten elektrolytischen Zelle befindet.
Die gleiche Situation gilt anschließend für die linke elektrolytische Zelle, bei der der rechte Gleichrichter für die gleiche Zeitdauer t ausgeschaltet ist. Dies ergibt eine Schiefe Ebene auf der linken Hälfte des Gutes, wobei sich der Berg wieder in der Mitte des Gutes befindet.
Die galvanische Abscheidung auf den zwei Hälften des Gutes erfolgt in diesem Beispiel nacheinander und quer zur Transportrichtung exakt symmetrisch, wobei die Täler an den Rändern auftreten, über die der Strom kreuzweise eingespeist wurde. Nach dem Stand der Technik treten dagegen immer die Berge der Schiefen Ebenen an den Rändern auf.
Werden im zweiten Grenzfall zugleich der rechte und der linke Gleichrichter mit gleich großem Strom eingeschaltet, dann besteht eine völlige Symmetrie der Ströme und Spannungsabfälle. Von beiden Rändern fließt der exakt gleich große Strom zum Gut. In diesem Falle wirkt sich der jeweilige elektrische Leiter in der Basisschicht bzw. der dort auftretende symmetrische Spannungsabfall derart aus, dass ein Tal der abgeschiedenen Schicht exakt in der Mitte des Gutes auftritt.
Das erfindungsgemäß steuerbare elektrochemische Behandeln des Gutes erfolgt innerhalb dieser beiden Grenzfälle. Durch Steuerung bzw. Regelung der rechten und linken Galvanisierströme abwechselnd und in unterschiedlicher Größe lässt sich die Schichtdickenverteilung sehr genau einstellen, d. h. einebnen. Mit der Differenz der abwechselnd an der rechten und linken Seite unterschiedlich großen Galvanisierströme kann der Mittenbereich des Gutes eben oder sogar überhöht galvanisiert werden, obwohl sich dort keine Kontakte befinden.
Damit kann ohne Umbau der Anlage auf die unterschiedlichen Parameter der zu galvanisierenden Produkte mittels der Gleichrichter steuerungstechnisch reagiert werden, insbesondere auf unterschiedlich dünne Basisschichten, auf die Transportgeschwindigkeit, die Dicke der zu galvanisierenden Schicht und auf die Größe der mittleren Stromdichte. Die Abmessungen des Gutes in Transportrichtung gesehen können, von einer Mindestlänge abgesehen, beliebig lang sein. Bei unterschiedlichen Abmessungen des Gutes, quer zur Transportrichtung gesehen, sind entsprechend angepasste Kontaktmittel zu verwenden. An den Kontaktmitteln sind auch im Abstand der Spuren verstellbar angeordnete Kontakte anwendbar.
Beim Galvanisieren in der Durchlaufanlage nimmt die Schichtdicke der ursprünglichen Basisschicht fortlaufend zu. Damit nimmt auch die elektrische Leitfähigkeit zu. Dies erfordert gegebenenfalls die Anpassung, d. h. die Reduzierung der erfindungsgemäßen Maßnahmen entlang der Durchlaufanlage. Beim Ätzen ist dies umgekehrt der Fall. Im Laufe dieser Behandlung wird die dünner werdende Basisschicht hochohmiger. Dies erfordert besonders gegen Ende des Ätzens die erfindungsgemäßen Maßnahmen.
Bei einem Ätzprozess ist mindestens an der Oberseite des Gutes der bekannte Pfützeneffekt zu beachten. Durch diesen wird der Mittenbereich des Gutes weniger geätzt als die Randbereiche. Hierfür erweist sich die Erfindung ebenfalls als sehr vorteilhaft, besonders dann, wenn eine Kombination von chemischer und elektrochemischer Ätzung angewendet wird. Dies kann in der Durchlaufanlage gleichzeitig oder nacheinander erfolgen. Damit wird über die gesamte Oberfläche des Gutes eine gleichmäßige Ätzung erzielt.
Manche verwendeten Elektrolyte haben bezüglich der Basisschicht bzw. Startschicht ätzende Eigenschaften. Bei besonders dünnen Basisschichten wie z. B. Sputterschichten kann dann eine Anschlaggalvanisierung zu deren Schutz auch mit beidseitig an den Rändern gleich großen Strömen beginnen. Nach dieser Schutzbehandlung in kurzer Zeit, z. B. in 20 Sekunden, kann die Galvanisierung des Gutes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren fortgesetzt werden.
Die Beschreibung der Erfindung erfolgt an Beispielen des Galvanisierens. Beim elektrochemischen Ätzen kehren sich die beschriebenen Polaritäten der Elektroden und der Gleichrichter um.
Die Betriebsmittel der rechten und quer über das Gut gegenüberliegenden linken Seite werden nachfolgend auch als Einspeisungspaar bezeichnet. In Tauchbadanlagen kann ebenso wie bei Durchlaufanlagen ein erfindungsgemäßes Einspeisungspaar angeordnet sein. Bevorzugt wird bei Tauchbadanlagen ein zweites Einspeisungspaar verwendet, dessen quer über das Gut verlaufende Achse um 90° zur Achse des ersten Einspeisungspaares versetzt ist.
Das erfindungsgemäße elektrochemische Behandeln des Gutes in einer Tauchbadanlage ist besonders geeignet, wenn es sich bei diesem Gut um eine großformatige Platte, wie z. B. ein Flat Panel Display oder eine Folie mit bevorzugt gleichen Abmessungen eines großen Produktionsloses handelt. Eine zweiseitige Kontaktierung an den gegenüber liegenden Rändern des Gutes entspricht der beschriebenen Situation in einer Durchlaufanlage. Entsprechend sind bevorzugt in der Mitte der Transportbahn geteilte Anoden mit individuellen Gleichrichtern zu verwenden. Wenn an allen vier Rändern elektrisch kontaktiert werden kann, dann sind vorteilhaft auch vier Anoden mit jeweils individuellen Gleichrichtern zu verwenden. Damit können auch sehr große Platten mit einer z. B. sehr dünnen Sputterschicht als Basisschicht über die gesamte Oberfläche mit einer sehr gleichmäßigen Schichtdickenverteilung in einem Tauchbad galvanisiert werden. Zur Vermeidung der direkten Abscheidungsabbildung der geteilten Anoden auf dem Gut kann eine, in der Ebene des Gutes verlaufende Warenbewegung angewendet werden. In beiden Einspeisungsfällen erfolgt die Einebnung der abgeschiedenen Schicht mittels Stromsteuerung der Gleichrichter so, wie es am Beispiel der Durchlaufanlage ausführlich beschrieben ist.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der schematischen und nicht maßstäblichen 1 bis 5 weiter beschrieben.
1 zeigt im Querschnitt einer Durchlaufanlage die grundsätzliche Anordnung der Baugruppen bzw. Konstruktionselemente gemäß der Erfindung.
2 zeigt in der Draufsicht die grundsätzliche Anordnung mehrerer Baugruppen bzw. Konstruktionselemente gemäß der Erfindung.
3 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung.
4 zeigt Messergebnisse, die an einem Widerstandsmodell einer elektrolytischen Zelle ermittelt wurden und eine Zellspannungs/Stromdichtekennlinie eines Kupferbades auf Basis von Schwefelsäure.
5 zeigt in vereinfachter Darstellung quer zur Transportrichtung die Verläufe der elektrolytisch abgeschiedenen Schichten bzw. Schichtdickenverteilungen auf dem Gut bei abwechselnd großen Galvanisierströmen in den elektrolytischen Zellen.
In 1 befindet sich das elektrolytisch zu behandelnde flache Gut 1 zwischen rotierend angetriebenen Kontaktmitteln 2. Es ist sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite zu galvanisieren. Das Gut 1, z. B. Platten, werden entlang der Transportbahn durch die dort angeordneten elektrolytischen Zellen transportiert. Dies erfolgt hier senkrecht in die Zeichnungsebene hinein. Die Kontaktmittel 2, die hier als Walze dargestellt sind, können zugleich Transportmittel für das Gut sein. Bei den Kontaktmitteln 2 kann es sich auch um rotierende Wellen mit Kontakträdchen und dergleichen sowie um nicht rotierende Wellen mit Gleitkontakten handeln. An den beiden Seiten der Transportbahn sind auf den Kontaktmitteln 2 elektrisch leitfähige Kontakte 3 als z. B. Scheiben, Ringe, segmentierte Scheiben, Rädchen oder Bürsten, jeweils mindestens teilweise aus Metall, angeordnet.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist quer zur Transportrichtung bevorzugt symmetrisch in eine rechte Seite R und in eine linke Seite L geteilt. In dieser Beschreibung der Erfindung werden die Bezugszeichen der rechten Seiten bzw. der rechts angeordneten Konstruktionselemente mit einem einfachen Hochstrich, z. B. 3', bezeichnet und der links angeordneten Konstruktionselemente mit doppelten Hochstrichen, z. B. 3'', bezeichnet.
Der axiale Abstand der beiden Kontakte 3' und 3'' auf dem Kontaktmittel 2 bestimmt die Breite des zu produzierenden Gutes 1 quer zur Transportrichtung. Der Nutzbereich ist um die Breite der Kontaktspuren am rechten und linken Rand des Gutes kleiner. Die Zuführung des Galvanisierstromes zu den Kontakten 3', 3'', die sich in dem nicht dargestellten Arbeitsbehälter der Durchlaufanlage und im Elektrolyten 14 befinden, erfolgt über elektrisch leitfähige Wellenstummel 4', 4''. Zur Übertragung des Stromes auf die rotierend angetriebenen Kontaktmittel 2 und damit zu den Wellenstummeln dienen Schleifkontakte 5', 5'' oder Drehkontakte, die außerhalb des Elektrolyten angeordnet sind. Drehkontakte können vorteilhaft hermetisch dicht ausgeführt werden. Die Schleifkontakte oder Drehkontakte sind mittels elektrischer Leiter mit den negativen Polen der Galvanisierstromquellen 6', 6'' verbunden. Die positiven Pole der Galvanisierstromquellen sind mit löslichen oder unlöslichen Anoden 7', 7'' verbunden. Erfindungsgemäß befinden sich quer zur Transportrichtung zwei Anoden 7' und 7'', die sich bevorzugt jeweils bis zur Mitte der Transportbahn erstrecken. In Transportrichtung können sich diese individuellen Anoden 7', 7'' über eine Länge von z. B. einem Meter oder mehr erstrecken. Bei individuellen Gleichrichtern je Kontakt 3', 3'' können sich diese Anoden auch über die gesamte Länge der Durchlaufanlage erstrecken. Insbesondere bei einer kurzen Anlage in Transportrichtung kann es auch ausreichend sein, nur einen Gleichrichter je Seite zu installieren. Die Ausdehnungen der Anoden und die Anzahl der Gleichrichter werden von konstruktiven Gesichtspunkten bestimmt. Die Gleichrichter bzw. Galvanisierstromquellen 6', 6'' können sowohl Gleichstromquellen als auch unipolare oder bipolare Pulsstromquellen sein. In dieser Beschreibung ist bei bipolaren Pulsstromquellen mit der angegebenen Polarität die überwiegend wirkende Polarität gemeint.
Die Anoden 7' und 7'' bzw. Elektroden bilden zusammen mit der korrespondierenden kathodischen Oberfläche des Gutes 1 elektrolytische Zellen 8' und 8''. Diese Oberfläche ist die zu galvanisierende kathodische Basisschicht 9 oder die Gegenelektrode, die sich in der Regel an der Oberseite und an der Unterseite des Gutes 1 befindet. Entsprechend müssen sich auch an der Oberseite und an der Unterseite der Transportbahn elektrolytische Zellen 8', 8'' befinden. Diese sind in der 1 dargestellt, wodurch sich eine spiegelbildliche Anordnung ergibt. Nachfolgend wird die Erfindung nur am Beispiel des Galvanisierens der Oberseite beschrieben. Die Beschreibungen gelten ebenso für die Unterseite des Gutes 1, wenn sich auch dort eine Basisschicht 9 befindet, die galvanisiert bzw. elektrochemisch geätzt werden soll. Die Erfindung eignet sich auch zur elektrolytischen Verstärkung von Großflächen und Durchkontaktierungen.
Der Galvanisierstrom der rechten elektrolytischen Zelle 8', der von der rechten Galvanisierstromquelle 6' generiert wird, gelangt über den linken Schleifkontakt 5'', den linken Wellenstummel 4'', den linken Kontakt 3'' und durch die linke Hälfte der Basisschicht 9 des Gutes zur rechten elektrolytischen Zelle 8'. Damit wird bei ausgeschalteter linker Galvanisierstromquelle(n) 6'' die rechte elektrolytische Zelle 8' von der linken Seite, d. h. von der Mitte der Transportbahn mit dem Galvanisierstrom gespeist. Dies bedeutet, dass infolge des elektrischen Spannungsabfalls in der Basisschicht 9 der rechten Seite ein Schichtdickenverlauf entsteht, der das Maximum quer zur Transportrichtung in der Mitte des Gutes hat. Das Minimum tritt am rechten Rand des Gutes 1 in der Nähe der dortigen Kontaktbahn auf. Der elektrische Spannungsabfall, der in der links befindlichen Basisschicht 9 auftritt, hat bei ausgeschalteter linker Galvanisierstromquelle 6'' keinen Einfluss auf die rechte elektrolytische Zelle 8' und den dort auftretenden Spannungsabfall in der Basisschicht 9. Die linke Hälfte der Basisschicht 9 wirkt jedoch als elektrischer Leiter für den Galvanisierstrom, der zur rechten Zelle 8' fließt. Um diesen Spannungsabfall stellt sich lediglich die Klemmenspannung der bevorzugt stromgeregelten rechten Galvanisierstromquelle(n) 6' größer ein, z. B. um 0,6 Volt. Dieser Spannungsabfall wirkt in der linken elektrolytischen Zelle 8'' als Zellspannung. Sie ist so klein, dass eine Metallabscheidung auf der Oberfläche des Gutes in diesem Bereich nicht erfolgt.
Bei anschließend ausgeschalteter rechter Galvanisierstromquelle(n) 6' und bevorzugt mit gleicher Zeitdauer eingeschalteter linker Galvanisierstromquelle(n) 6'' wird die linke Hälfte des Gutes wie beschrieben galvanisiert. Auch hierbei tritt in der Mitte des Gutes das Maximum der Abscheidung auf. Das Minimum tritt am linken Rand auf.
Bei diesem sequentiellen Galvanisieren der beiden Hälften tritt in der Summe wieder eine an sich ungewollte ungleichmäßige Abscheidung auf. Diese Ungleichmäßigkeit ist bereits etwas kleiner als bei der Einspeisung des Galvanisierstromes von den beiden Rändern nach dem Stand der Technik. Jedoch tritt bei der erfindungsgemäßen Anordnung das Maximum sehr vorteilhaft in der Mitte des Gutes 1 auf, obwohl sich hier keine Kontakte befinden. Die Korrektur dieser unebenen Schichtdickenverteilung kann auf einfache Art und Weise mit den drei nachfolgend beschriebenen Methoden erfolgen:
Die Schiefen Ebenen der Schichtdicken mit dem Maximum bzw. Berg in der Mitte des Gutes lassen sich in der Durchlaufanlage mit weiteren, in Transportrichtung angeordneten elektrolytischen Zellen nach dem Stand der Technik mit ungeteilten Anoden ausgleichen. Bei diesen Zellen verlaufen die Schiefen Ebenen auf dem Gut 1 in umgekehrter Richtung, d. h. der Berg tritt an den Rändern auf, wodurch die erfindungsgemäßen Überhöhungen in der Mitte kompensiert werden können. Allerdings eignet sich dieser Ausgleich nur für ein kleines Produktspektrum. Darauf muss die Anzahl der elektrolytischen Zellen entlang der Transportbahn in der jeweiligen Ausführung abgestimmt sein. In der Praxis kommen jedoch die unterschiedlichsten Güter vor, die zu galvanisieren sind. So sind z. B. dünnste Basisschichten mit einer dünnen oder mit einer sehr dicken Galvanisierschicht zu versehen. Auch eine dickere Basisschicht kann mit einer dünnen oder mit einer sehr dicken Galvanisierschicht zu galvanisieren sein. In diesen Fällen sind unterschiedlichste konstruktive Korrekturmaßnahmen erforderlich. In einem Falle ist viel zu korrigieren und besonders bei einer dickeren Basisschicht ist wenig zu korrigieren, weil hier die Schiefen Ebenen wegen der geringeren Spannungsabfälle in der Basisschicht kleine Neigungen aufweisen. Eine Durchlaufanlage, ausgerüstet mit dieser unveränderlichen Maßnahme zur Korrektur der Schiefen Ebenen, kann daher nur ein begrenztes Spektrum an Parametern der Güter abdecken.
Die Flexibilität der erfindungsgemäßen Durchlaufanlage bezüglich der Parameter des Gutes erhöht sich, wenn die obige Grenze der Korrektur in Transportrichtung bedarfsweise einstellbar ist. Dies erfolgt erfindungsgemäß z. B. mittels elektrischer Schaltmittel 13, die die rechten und linken Anoden 7', 7'' in jeder Anodenposition AP der Durchlaufanlage entlang der Transportbahn bedarfsweise miteinander verbinden können. In diesem Falle kann in Transportrichtung gesehen die Grenze des Verlaufes der Schiefen Ebenen von der Mitte des Gutes zum Rand und umgekehrt ohne Anlagenumbau, allein durch eine Steuerung der Schaltmittel 13 verändert und damit an den vom Gut gegebenen Bedarf angepasst werden. So werden von den z. B. 12 Anodenpositionen AP einer Durchlaufanlage in Transportrichtung an den letzten 5 Anodenpositionen die rechten und linken Anoden mittels eines Schaltgerätes, z. B. als Schütz außerhalb des Elektrolyten, elektrisch miteinander verbunden. In diesem Falle sind die jeweils rechten und linken Galvanisierstromquellen 6', 6'' parallel geschaltet, weil das elektrisch leitfähige Gut auch die kathodischen Kontakte elektrisch miteinander verbindet. Damit lassen sich die Richtungen der Verläufe der Schiefe Ebenen in jeder Anodenposition steuern. Es handelt sich praktisch um eine stufenweise Steuerung. Die Wirkung bzw. Verringerung der Stufe kann dadurch erzielt werden, dass an Stelle des niederohmigen Schaltkontaktes 13 die elektrische Verbindung mittels eines Widerstandes in Serie zu den Schaltkontakten 13 erfolgt.
Jede Anodenposition stellt eine Behandlungsstufe dar. Gleiches gilt für die ersten Anodenpositionen AP einer Durchlaufanlage, die mittels der gesteuerten Schaltung bedarfsweise elektrisch miteinander verbunden werden können.
Die erfindungsgemäßen Einspeisungen des Galvanisierstromes zur Erzielung von Schiefen Ebenen mit dem Berg in der Mitte einerseits können zur Schichtdickenkorrektur auch mit Einspeisungen bei elektrisch verbundenen Anoden zur Erzielung von Schiefen Ebenen mit dem Tal in der Mitte andererseits entlang der Transportbahn fortlaufend abwechselnd angeordnet sein.
Bei der geschalteten elektrischen Verbindung der Anoden 7' und 7'' durch das Schaltmittel 13 werden die individuellen Galvanisierstromquellen 6', 6'' über die am rechten und linken Rand des Gutes befindlichen Kontakte 3', 3'' und über die Basisschicht 9 des Gutes miteinander elektrisch parallel geschaltet. Durch die individuellen Galvanisierstromquellen 6', 6'' werden die Ströme an den beiden Seiten infolge der stromgeregelten Galvanisierstromquellen 6', 6'' entsprechend ihrer Sollwerte exakt eingehalten. Auch hierbei erweisen sich die mindestens zwei Gleichrichter 6', 6'' je Anodenposition als Vorteil. Dagegen verteilen sich die Ströme bei einer ungeteilten Anode nach dem Stand der Technik und einer einzigen Galvanisierstromquelle, die das Gut rechts und links mit Strom speist, unterschiedlich groß. Ursache sind dort u. a. die nicht gleich großen elektrischen Kontaktwiderstände auf beiden Seiten des Gutes.
Die Erfindung ermöglicht jedoch auch eine stufenlose und sehr flexible Ausführung zur gesteuerten Erzielung einer ebenen Schichtdickenverteilung über das gesamte Gut, das beliebige Parameter bezüglich der zu erfolgenden Galvanisierung aufweisen kann. Bei diesem Verfahren zur elektrochemischen Behandlung werden in den Teilzellen vorteilhaft nicht die beiden Grenzfälle nacheinander entlang der Transportbahn in der Durchlaufanlage eingestellt, sondern Mittelwerte zwischen den Grenzfällen. Abwechselnd je Anodenposition in Transportrichtung des Gutes gesehen oder auch abwechselnd innerhalb der Anodenpositionen, bzw. innerhalb einer Anzahl von Kontakten mit individuellen Gleichrichtern, werden die Stromstärken der rechten und linken Galvanisierstromquellen unterschiedlich groß eingestellt. Damit ist es möglich, in der elektrolytischen Teilzelle mit dem größeren Strom eine nahezu ebene Schicht abzuscheiden. Mit zunehmendem Unterschied dieser Ströme entsteht eine Schiefe Ebene mit dem Berg in der Mitte des Gutes in der elektrolytischen Teilzelle, die den größeren Strom führt. Gleiches geschieht anschließend an der anderen Seite des Gutes in der dortigen elektrolytischen Teilzelle des selben Einspeisungspaares.
Umgekehrt wird eine zunehmende Schiefe Ebene mit einem Berg am Rand des Gutes abgeschieden, wenn die elektrolytischen Ströme der beiden Seiten bzw. Teilzellen angenähert werden. Bei Stromgleichheit in den elektrolytischen Teilzellen, d. h. in der linken Teilzelle und in der rechten Teilzelle treten wieder gleich große Berge der Schicht an den beiden Rändern des Gutes auf.
Diese erfindungsgemäßen Steuerungsmöglichkeiten ergeben in der Summe eine ebene Schicht quer über das Gut, was das Ziel beim Galvanisieren von technisch anspruchsvollen Gütern ist. Weil alle Galvanisierstromquellen individuell in der Stromstärke einstellbar sind, kann das gesamte Galvanisieren bzw. elektrochemische Behandeln an alle vorkommenden Parameter des Gutes zur ebenen Abscheidung individuell sehr genau angepasst werden.
In allen Fällen ist eine ebene Schichtdickenverteilung allein durch Steuerung bzw. Regelung der abwechselnd unterschiedlichen Galvanisierströme der rechten und linken Gleichrichter 6', 6'' erreichbar. Unter den Bezeichnungen 6' und 6'' sind jeweils ein Gleichrichter oder mehrere entsprechend kleiner dimensionierte Gleichrichter zu verstehen. Diese kleineren Gleichrichter sind über das Gut und über die zugeordnete Anode elektrisch parallel geschaltet.
Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung in der Draufsicht. Dargestellt sind 5 Anodenpositionen AP1 bis AP5 jeweils mit rechten und linken Anoden 7', 7''. Die Länge der Anoden in Transportrichtung kann konstruktionsbedingt bis zu einem Meter und mehr betragen. Insbesondere bei kurzen Durchlaufanlagen können sich die Anoden 7', 7'' auch über die gesamte Länge der Anlage erstrecken. Im Bereich der Anoden 7', 7'' sind in der 2 jeweils nur ein Kontaktmittel 2 und ein Gleichrichter dargestellt. Bei besonders langen Anoden, in Transportrichtung gesehen, sind in der Praxis entsprechend viele Kontaktmittel 2 je Anodenposition und ein oder mehrere Gleichrichter angeordnet. Bei mehreren Kontaktmitteln 2 im Bereich einer Anodenposition in Transportrichtung gesehen und nur einer Galvanisierstromquelle je Seite und Anodenposition sind die Kontakte 3', 3'' dieser Kontaktmittel 2 elektrisch je Seite miteinander mindestens über die Basisschicht des Gutes und/oder über elektrische Leiter verbunden. Die Anzahl der Gleichrichter 6 kann auch soweit erhöht werden, dass jedem Kontaktmittel 2 ein individueller Gleichrichter zugeordnet ist. In diesem Falle kann jeder unterschiedlich große Kontaktübergangswiderstand durch den stromgeregelten Gleichrichter ausgeglichen werden.
Befinden sich, wie in der 2 dargestellt, zwei Kontakte 3', 3'' auf den rotierenden Kontaktmitteln 2, dann sind zur Stromübertragung auch zwei Schleifkontakte oder Drehkontakte 5', 5'' erforderlich. Aus konstruktiven Gründen und/oder aus Kostengründen kann je Kontaktmittel 2 auch nur ein Kontakt 3', 3'' angeordnet werden. Entlang der Transportbahn sind in diesem Falle die rechten und linken Kontakte 3', 3'' auf den Kontaktmitteln 2 abwechselnd verteilt. Weil stets mehrere Kontaktmittel 2 auf einem Gut als Abschnitt abrollen und dieses elektrisch kontaktieren, besteht dabei kein nachteiliger Einfluss auf das erfindungsgemäße Verfahren. Lediglich die Größe des von einem Kontakt zu übertragenden Stromes verdoppelt sich.
Die Grenzen zwischen den rechten und linken Anoden können schräg geschnitten sein, um in der abgeschiedenen Schicht auf dem Gut den Übergang vom rechten zum linken Bereich stufenlos zu erreichen. Zwischen den beiden Anoden 7', 7'' kann eine elektrische Isolierwand 12 angeordnet sein, um eine fortwährende gegenseitige Metallisierung und Entmetallisierung der Anoden zu unterbinden.
Das erfindungsgemäß abwechselnd intensive Galvanisieren an den beiden Seiten kann von Anodenposition zu Anodenposition erfolgen. Es kann aber auch in jeder Anodenposition abwechselnd erfolgen. Zur Erreichung einer Symmetrie der Abscheidung ist bevorzugt die Behandlungszeit t1 der einen Seite gleich der Behandlungszeit t2 der anderen Seite. Gleiches gilt für die Größe der momentanen Ströme der Gleichrichter 6', 6'', die ebenso abwechselnd mit gleich großen Unterschieden einzustellen sind.
In der 2 verdecken die Anoden 7 eigentlich die Kontaktmittel 2. Aus Gründen der besseren Übersicht sind die Kontaktmittel in 2 unverdeckt dargestellt.
Die 3 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Einspeisungspaares an einer Anodenposition. Die verteilten elektrischen Basiswiderstände 10', 10'' in der Basisschicht erstrecken sich ebenso wie das Gut vom rechten Kontakt 3' zum linken Kontakt 3''. In den elektrolytischen Zellen sind verteilte Badwiderstände 11', 11'' angeordnet, die vom Elektrolyten gebildet werden.
Im ersten Grenzfall hat bei einer gedanklich ausgeschalteten Galvanisierstromquelle, z. B. der rechten Galvanisierstromquelle 6', die noch aktive elektrolytische Zelle 8'' ihre Einspeisung des kathodischen Galvanisierstromes von der Galvanisierstromquelle 6'' in der Mitte der Anordnung, d. h. der Transportbahn und damit auch in der Mitte des Gutes. Die Anode 7', die an der ausgeschalteten Galvanisierstromquelle 6' angeschlossen ist, ist in diesem Falle inaktiv. Im Bereich dieser inaktiven Anode 7' wird nicht galvanisiert. Von daher ist auch der elektrische Spannungsabfall in der Basisschicht unter dieser Anode 7' ohne Einfluss auf das momentane Galvanisieren in der elektrolytischen Zelle 8''. Das Tal der Schicht befindet sich am Rand des Gutes, an dem kein Strom eingespeist wurde.
Zu erkennen ist auch die Situation im zweiten Grenzfall, bei dem beide Galvanisierstromquellen 6' und 6'' mit gleich großer Stromstärke eingestellt sind. In diesem Falle fließen gleich große Ströme von dem rechten und linken Kontakt 3', 3'' in die Basisschicht des Gutes. Alle Spannungsabfälle sind symmetrisch. Entsprechend symmetrisch zur Mitte nehmen infolge der Spannungsabfälle in der Basisschicht, bzw. in den Basiswiderständen 10', 10'' die örtlichen Zellspannungen zwischen den Kathoden, d. h. der Basisschicht Land den Anoden ab. Dies hat eine abnehmende Stromdichte von den Rändern zur Mitte hin zur Folge mit dort entsprechend kleinerer Abscheidung. Das Tal der Schicht befindet sich hierbei in der Mitte des Gutes.
In der geometrischen Mitte ist die Basisschicht ebenso stromlos wie bei einer beidseitigen Einspeisung des Gutes und mit ungeteilter Anode nach dem Stand der Technik. Diese Symmetrie verschiebt sich, wenn die Stromstärken der beiden Galvanisierströme unterschiedlich groß eingestellt werden.
Die 4 zeigt die quantitativen Auswirkungen der Stromunterschiede ΔI in den linken L und rechten R elektrolytischen Zellen 8', 8'' auf die Anoden-/Kathodenspannung, die der Zellspannung einer elektrolytischen Zelle entspricht. Weil eine mit Elektrolyt gefüllte elektrolytische Zelle und eine darin befindliche Leiterplatte messtechnisch nahezu nicht zugänglich ist, wurden die Daten mittels eines Widerstandsmodells ermittelt. Dieses Modell bildete eine typische Leiterplatte und eine elektrolytische Zelle annähernd realitätsnah nach. Der Aufbau des Widerstandsmodells entspricht dem Ersatzschaltbild der 3. Es war jedoch doppelt so umfangreich. In das Diagramm mit den Kurvenscharen für die Messpunkte quer über das Gut auf der X2 Achse und die zugehörigen Anoden-/Kathodenspannungen auf der Y2 Achse ist eine Zellspannungs/Stromdichtekennlinie einer realen elektrolytischen Zelle eines schwefelsauren Kupferbades eingezeichnet. Die Zellspannung Uz ist auf der Y1 Achse und die zugehörigen Stromdichten i sind auf der X1 Achse aufgetragen. Diese Uz/i-Kennlinie ermöglicht die Ermittlung der realen Stromdichten i für die im Widerstandsmodell gemessenen Anoden/Kathodenspannungen, bzw. der Zellspannung Uz.
Die Stromdichte ist in A/dm² und die Zellspannungen sind in Volt aufgetragen. Der typische Verlauf dieser Uz/i-Kennlinie zeigt, dass bei Zellspannungen Uz unter 1,5 V nahezu keine Metallabscheidung erfolgen kann. Die kathodische Stromdichte i ist hier kleiner als 0,2 A/dm². Sie trägt jedoch dazu bei, dass eine Rücklösung von Metall von der Oberfläche des Gutes verhindert wird. Im Bereich der Zellspannungen Uz von 1,5 V bis 2,5 V steigt die Stromdichte von 0,2 A/dm² auf 7,6 A/dm² an. Die Kurvenschar der Anoden/Kathodenspannungen zeigt, dass bei Strömen in der linken elektrolytischen Zelle, die nur bis zu 50% der Ströme in der rechten elektrolytischen Zelle betragen, Anoden/Kathodenspannungen im Bereich von 1,5 V oder kleiner auftreten. Bei diesen kleinen Anoden/Kathodenspannungen bzw. Zellspannungen findet praktisch keine Abscheidung statt. Damit wird nur in der rechten elektrolytischen Zelle galvanisiert. Der Verlauf der Anoden/Kathodenspannungen bzw. Zellspannungen kann so eingestellt werden, dass ein Berg oder Tal der abgeschiedenen Schicht in der Mitte des Gutes auftritt. Der größte Berg entsteht bei links 0% und rechts 100% des Galvanisierstromes. Ein Tal entsteht in der Mitte des Gutes bei z. B. 70% links und 100% rechts des Galvanisierstromes.
Bei 100% Galvanisierstrom in beiden elektrolytischen Teilzellen verlaufen die Anoden/Kathodenspannungen völlig symmetrisch. Hierbei tritt genau in der Mitte des Gutes das größte Tal auf. Aus dem Diagramm ist zu entnehmen, dass dabei das Tal mit einer Stromdichte i von 4,6 A/dm² und die Berge mit Stromdichten von 7,6 A/dm² galvanisiert werden. Die Stromdichteunterschiede Δ1 betragen somit in diesem gewählten Beispiel 3 A/dm². Dies entspricht dem Stand der Technik mit einer beiseitigen Stromeinspeisung.
Die Anoden/Kathodenspannungskurve links 30% rechts 100% zeigt einen nahezu ebenen Verlauf in der rechten Teilzelle. Der Unterschied Δ2 der Anoden/Kathodenspannungen beträgt ca. 0,1 V entsprechend beträgt der Stromdichteunterschied in der rechten elektrolytischen Zelle ca. 0,6 A/dm². Dies bedeutet eine praktisch ebene Metallisierung auf dieser Hälfte des Gutes. Anschließend wird der Strom gespiegelt, d. h. an der linken Seite werden 100% und auf der rechten Seite der reduzierte Strom, z. B. 30%, eingestellt. Das Ergebnis ist dann eine nahezu vollständig ebene Abscheidung des Metalls auf dem Gut quer zur Transportrichtung.
Auch der in diesem Beispiel verbliebene kleine Stromdichteunterschied, der symmetrisch an den beiden Seiten auftritt, lässt sich erfindungsgemäß einebnen. Hierzu ist z. B. entlang der Transportbahn mindestens ein Anodenpaar zu verwenden, das etwa in der Mitte der einen Hälfte die Anodenteilung aufweist. Entsprechend wird mindestens ein Anodenpaar angeordnet, das in der Mitte der anderen Hälfte geteilt ist. Mit angepassten Stromunterschieden ΔI der jeweils beiden Seiten dieser unsymmetrischen Anodenpaare können dann auch noch diese Bereiche in der Beschichtung bevorzugt, d. h. erhöht und somit eingeebnet werden. Auch hierfür können die erfindungsgemäßen Steuerungen zur Abscheidung verwendet werden.
Das Diagramm der 4 zeigt die Situation einer Durchlaufanlage quer zur Transportrichtung. Es gilt grundsätzlich auch für ein Tauchbad mit stationär angeordnetem Gut. In diesem Tauchbad kann je Oberflächenseite ein weiteres um 90° versetztes Anodenpaar mit entsprechenden Gleichrichtern angeordnet werden. Damit wird eine erweiterte Steuerungsmöglichkeit zur Abscheidung von ebenen Schichten auf großem plattenförmigem Gut geschaffen. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn ein einziges Gut das gesamte Galvanofenster ausfüllt.
Die 5 zeigt die qualitativen Verläufe der Schiefen Ebenen quer zur Transportrichtung im rechten und linken Bereich der Transportbahn. Dargestellt sind die Situationen bei verschiedenen Stromstärken I und zwar symbolisch in Prozent, jeweils nach dem Galvanisieren, d. h. nach dem Durchfahren des Gutes durch die entsprechenden Anodenpositionen.
Die Summe der Abscheidungen im Bereich der beiden elektrolytischen Zellen 8' und 8'', die nacheinander in den bevorzugt gleich langen Zeiten t1 und t2 erfolgten, zeigt der Verlauf, der in den Figuren unten dargestellt ist. Dies sind die Ergebnisse nach dem Durchfahren des Gutes durch die elektrolytischen Zellen der beteiligten Anodenpositionen.
5a zeigt den Grenzfall mit den rechten und linken Galvanisierströmen, die mit gleich großer Stromstärke I eingestellt und zugleich eingeschaltet wurden. Als Ergebnis befinden sich die Täler der Schiefen Ebenen im Mittenbereich des Gutes. Die Schichtdickenunterschiede sind mit Delta bezeichnet, das hier maximal ist.
5b zeigt den anderen Grenzfall, bei dem in der ersten Anodenposition bzw. für die erste Zeit t1 nur die rechte Galvanisierstromquelle eingeschaltet und in der darauf folgenden Anodenposition oder für die zweite Zeit t2 nur die linke Galvanisierstromquelle eingeschaltet ist. In der Summe ergeben sich die Berge der Schiefe Ebenen in der Mitte des Gutes. Auch hier ist das Delta maximal. Insgesamt wurde jedoch bei gleicher Expositionszeit weniger Metall abgeschieden als bei dem Grenzfall nach 5a.
Die 5c zeigt die Situation zwischen den beiden Grenzfällen mit zugleich eingeschalteten Galvanisierstromquellen an der rechten und linken Seite zur gleichzeitigen Speisung der rechten und linken elektrolytischen Zellen, jedoch abwechselnd mit unterschiedlichen Stromstärken I. Die Unterschiede der Stromstärken I, zu erkennen an der Stromnulllinie, sind so eingestellt, dass die Summe der Abscheidungen eine ebene Schicht ergibt. Das Delta ist hier null, was gemäß der Aufgabenstellung zu erreichen ist.
Die Einebnung ist hier nach zwei Zeitabschnitten, nämlich t1 und t2 dargestellt. Diese Zeitabschnitte können auch die Behandlungszeiten entsprechend der Transportgeschwindigkeit des Gutes in einer Anodenposition für t1 und in der folgenden Anodenposition für t2 sein. Die Zeiten für t1 und t2 sowie die zugehörigen Stromstärken I können auch über mehrere Anodenpositionen mit den jeweiligen Anodenlängen und der Transportgeschwindigkeit gebildet und eingestellt werden, wodurch die Einebnung über mehrere Anodenpositionen mit den entsprechend unterschiedlichen Stromstärken I der rechten und linken Galvanisierstromquellen erfolgt.
Die 5d zeigt eine unvollkommene Korrektur der Schichtdicken in beiden Hälften des Gutes. Dieses Beispiel zeigt jedoch, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren allein durch. Steuerung der Galvanisierströme I individuelle Verläufe der Schichtdickenverteilung erreichbar sind.
Die angegebenen Stromstärken I in Prozent stellen nur Richtwerte dar. In der Praxis gibt es nach einem anfänglichen Versuch Erfahrungswerte für die einzustellenden Stromstärken der Galvanisierstromquellen.

1: Gut, Platte, Leiterplatte, Folie, Band
2: Kontaktmittel
3: Kontakt
4: Wellenstummel
5: Schleifkontakt, Drehkontakt
6: Gleichrichter, Badstromquelle, Galvanisierstromquelle, Ätzstromquelle
7: Elektrode, Anode
8: elektrolytische Zelle, Teilzelle
9: Basisschicht, Gegenelektrode
10: Basiswiderstand
11: Radwiderstand
12: Isolierwand
13: Schaltkontakt, Schaltmittel
14: Elektrolyt
15: Transportrichtungspfeil
AP: Anodenposition, Elektrodenposition
R: rechts
L: links

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10141056 C2 [0004]
- DE 3645319 C2 [0006]
- DE 102004025827 B3 [0007]

Claims

Verfahren zum elektrochemischen Behandeln von Gut (1) in Durchlaufanlagen, Tauchbadanlagen oder Bandanlagen von Rolle zu Rolle mit elektrolytischen Zellen (8), gebildet aus löslichen oder unlöslichen Elektroden (7) und der zu behandelnden Oberfläche des Gutes als Gegenelektrode (9) mit einer elektrischen Kontaktierung (3) des Gutes (1), quer über das Gut gesehen, an gegenüber liegenden Rändern desselben mittels rechter und linker oder allseitiger Kontakte (3', 3''), insbesondere zum Galvanisieren oder Ätzen von Substraten wie z. B. Leiterplatten, Leiterfolien, metallisierte Kunststofffolien, Metallfolien oder metallisierte Glasscheiben, dadurch gekennzeichnet, dass quer zur Transportrichtung bzw. quer über das Gut jeweils mindestens zwei elektrolytische Zellen als rechte und linke Zellen (8', 8'') mit rechten und linken Elektroden (7', 7'') und mit mindestens einem einstellbaren rechten Gleichrichter (6') und mit mindestens einem einstellbaren linken Gleichrichter (6'') als Einspeisungspaar gebildet werden, wobei die rechte elektrolytische Zelle (8') über den oder die linken Kontakte (3'') mit Behandlungsstrom gespeist wird und die linke elektrolytische Zelle (8'') über den oder die rechten Kontakte (3') mit Behandlungsstrom gespeist wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rechten und linken elektrolytischen Zellen (8', 8'') durch die Gleichrichter (6', 6'') mit unterschiedlich großen Behandlungsströmen rechts und links abwechselnd in jeweils gleichen oder nahezu gleichen Zeitdauern (t1, t2) gespeist werden.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abwechselnden Stromstärken der Gleichrichter (6', 6'') so unterschiedlich groß gewählt werden, dass als Ergebnis bezüglich der Schicht des Gutes, quer zur Transportrichtung bzw. quer über das Gut gesehen, eine gleichmäßige elektrochemische Behandlung erzielt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die temporäre elektrochemische Behandlung mit einem Maximum der Intensität in der Mitte oder in einem anderen Bereich des Gutes in Kombination mit einer temporären elektrochemischen Behandlung mit einem Minimum der Intensität in der Mitte oder in dem anderen Bereich des Gutes derart kompensiert wird, dass in der Summe, quer zur Transportrichtung gesehen, eine gleichmäßige Behandlung erfolgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit quer zur Transportrichtung des Gutes (1) angeordneten durchgehenden Elektroden oder mit rechten und linken Elektroden (7', 7''), die elektrisch miteinander verbunden sind, eine elektrochemische Behandlung erfolgt, die ein Minimum in der Mitte des Gutes aufweist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit quer zur Transportrichtung angeordneten rechten und linken Elektroden (7', 7''), die elektrisch nicht miteinander verbunden sind, eine elektrochemische Behandlung erfolgt, die ein Maximum in der Mitte des Gutes aufweist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Vorauswahl der Grenze oder durch Steuerung der Grenze der beiden Abscheidungsmethoden, entlang der Transportbahn gesehen, mit geteilten und ungeteilten Elektroden in einer Durchlaufanlage mittels Schaltkontakten (13), mit oder ohne Serienwiderstand, der Ausgleich der elektrochemischen Behandlung an die gegebenen Parameter des Gutes angepasst wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das abwechselnde elektrochemische Behandeln mit unterschiedlichen Stromstärken in den rechten und linken elektrolytischen Zellen (8', 8'') sowohl innerhalb einer Elektrodenposition (AP) als auch nach einer Elektrodenposition oder nach mehreren Elektrodenpositionen, entlang der Transportbahn gesehen, erfolgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen des Gutes durch elektrochemisches und chemisches Ätzen erfolgt, wobei diese beiden Prozesse gleichzeitig oder nacheinander ablaufen.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Tauchbadanlagen zusätzlich ein Einspeisungspaar als oberes und unteres Paar den Behandlungsstrom in das Gut einspeist, wobei die erfindungsgemäßen Abläufe sinngemäß so erfolgen, wie sie für das rechte und linke Einspeisungspaar beschrieben sind.
Vorrichtung zum elektrochemischen Behandeln von Gut (1) in Durchlaufanlagen, Tauchbadanlagen oder Bandanlagen von Rolle zu Rolle mit elektrolytischen Zellen (8), gebildet aus löslichen oder unlöslichen Elektroden (7) und der zu behandelnden Oberfläche des Gutes als Gegenelektrode (9) mit einer elektrischen Kontaktierung (3) des Gutes (1), quer über das Gut gesehen, an gegenüber liegenden Rändern desselben mittels rechter und linker oder allseitiger Kontakte (3', 3''), insbesondere zum Galvanisieren oder Ätzen von Substraten wie z. B. Leiterplatten, Leiterfolien, metallisierte Kunststofffolien, Metallfolien oder metallisierte Glasscheiben, unter Anwendung des Verfahrens nach den Patentansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass quer zur Transportrichtung als Einspeisungspaar zwei Elektroden (7) als rechte und linke Elektroden (7', 7'') angeordnet sind, die voneinander elektrisch isoliert sind und mindestens von einem rechten einstellbaren Gleichrichter (6') und mindestens von einem linken einstellbaren Gleichrichter (6'') mit Behandlungsstrom gespeist werden, wobei beim Galvanisieren der positive Pol der rechten Galvanisierstromquelle(n) (6') an der rechten Anode (7') und der negative Pol der rechten Galvanisierstromquelle(n) (6') am entfernten linken Rand des Gutes (1) über den mindestens einen dort befindlichen Kontakt (3'') elektrisch angeschlossen ist und dass der positive Pol der linken Galvanisierstromquelle(n) (6'') an der linken Anode (7'') und der negative Pol der linken Galvanisierstromquelle(n) (6'') am entfernten rechten Rand des Gutes (1) über den mindestens einen dort befindlichen Kontakt (3') elektrisch angeschlossen ist oder sind und dass beim elektrochemischen Ätzen die Gleichrichter (6) und Elektroden (7) mit umgekehrter Polarität angeschlossen sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Durchlaufanlage in Transportrichtung gesehen nacheinander einige oder abwechselnd mehrere Elektrodenpositionen mit rechten und linken Elektroden (7', 7'') sowie mit, quer zur Transportrichtung gesehen, durchgehenden Elektroden angeordnet sind.
Vorrichtung nach den Patentansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel (13) mit oder ohne Serienwiderstand vorgesehen sind, mittels der nach Bedarf die rechten und linken Elektroden (7', 7'') elektrisch miteinander verbindbar sind.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den rechten und linken Elektroden (7', 7'') eine elektrische Isolierwand (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die rechten und linken Elektroden (7', 7'') im Bereich der Mitte quer zur Transportrichtung schräg geschnitten sind.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrischen Kontaktieren des Gutes (1) rotierende, gleitende oder klammernde Kontakte vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichrichter (6) an mehrere Kontakte (3) einer Seite oder an einen einzigen Kontakt (3) elektrisch angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der Durchlaufanlage eine Steuerung vorgesehen ist zur zeitlichen Steuerung der Gleichrichter (6', 6'') sowie zu deren Sollwertvorgaben und zur Steuerung der Schaltmittel (13) in jeder der individuellen Elektrodenpositionen (AP).
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden 7' und 7'' quer zur Transportrichtung gleich groß oder unterschiedlich groß ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei Tauchbadanlagen ein zweites Einspeisungspaar den Behandlungsstrom in das Gut einspeist, dessen dem Gut gegenüberliegende Einspeisungspunkte um etwa 90° zu den Einspeisungspunkten des anderen Einspeisungspaares angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 11 bis 20, gekennzeichnet durch Kontaktmittel (2) mit einstellbarem Abstand der Kontaktspuren.