DE102011113976A1 - Elektronische Formanode zur galvanischen Metallabscheidung - Google Patents

Abstract

Bei der galvanischen Abscheidung von Metallen aus Elektrolyten fließt der Strom zur Abscheidung von Metall zwischen einer Anode und dem zu beschichtenden Werkstück als Kathode. In der Regel werden als Anode plane Metallplatten, mit löslichen Metallkörbern unterschiedlicher Form gefüllte Metallkörbe oder plane Metallgitter aus Titan (so genanntes Streckmetall) verwendet. Werden rechteckige plane Werkstücke beschichtet, so kommt es an den Randbereichen von Anode und Kathode (Werkstück) zur lokalen Erhöhung der Stromdichte. In der Folge davon steigt die abgeschiedene Metallmenge von der Mitte der planen Werkstücke zum Rand hin an. Mit einem neuen Aufbau einer Anode in Verbindung mit einer elektronischen Steuerung des lokalen Anodenstromes kann die Stromdichte an Anode und Kathode so angepasst werden, dass die Schichtdicke auf dem gesamten zu beschichtenden Werkstück annähernd gleich wird. Dazu wird die Stromdichte an der Anode lokal so verändert, dass die Bereiche mit zuvor höherer Schichtdicke durch eine niedrigere lokale Stromdichte eine geringere lokale Abscheidung des Metalls erfahren. Die Anpassung der lokalen Stromdichten richtet sich nach der tatsächlichen Schichtdickenverteilung ohne Stromsteuerung. In der Folge wird die Schichtdickenverteilung stark vergleichmäßigt. Dies erhöht die Qualität der Beschichtung und führt zur erheblichen Einsparung von Beschichtungsmetall.

Description

• Stand der Technik
• Bei der galvanischen Metallabscheidung aus galvanischen Elektrolyten werden in der Regel dem zu beschichtenden Bauteil Anoden aus dem abzuscheidenden Metall oder unlösliche Anoden gegenüber positioniert [1–3]. Vor allem für die Abscheidung der Edelmetalle Gold, Platin, Palladium oder Rhodium, aber auch für die Abscheidung von Chrom werden unlösliche Anoden verwendet. Hierbei handelt es sich in den meisten Fällen um plane Ausführungen aus Titanstreckmetall, und zum geringeren Teil (z. B. im Falle von Chrom) um Blei. Die Größe der Anoden richtet sich in der Regel nach der Größe des zu beschichtenden Werkstückes sowie nach der Stromdichte an der Anodenoberfläche. Meist sind die verwendeten Anoden flächenmäßig größer als die zu beschichtenden Werkstücke, vor allem um die Anodenstromdichten gering zu halten. Je höher die Anodenstromdichten sind, um so größer ist die Gefahr, dass unerwünschte elektrochemische Reaktionen (z. B. die Zersetzung von gelösten Bestandteilen des Elektrolyten). ablaufen.
• Um den auftretenden ohmschen Widerstand zwischen Anode und Kathode und damit die zur Abscheidung erforderliche elektrische Leistung (P = I²·R) gering zu halten, wird der Abstand zwischen Anode und Kathode so gering als möglich gehalten. Bei planen Elektroden in einem Elektrolyten tritt nun der Effekt auf, dass die Feldliniendichte an den Ränder der planen Elektroden deutlich höher ist, als in der Mitte der planren Elektroden. Diese höhere Feldliniendichte wirkt sich als lokal höhere Stromdichte, sowohl an der Oberfläche der planaren Anode als auch an der Oberfläche der planaren Kathode, aus. Die höhere lokale Stromdichte hat eine höhere Abscheidegeschwindigkeit für das abzuscheidende Metall zur Folge. Aus diesem Grund ist vor allem bei plattenförmigen Bauteilen die Schichtdicke an den Rändern höher als in der Mitte der Bauteile.
• Dieser Effekt der unterschiedlichen lokalen Stromdichten und damit der Dicken der abgeschiedenen Metallschichten auf den Bauteilen ein Grundproblem der galvanischen Metallabscheidung. Eine Lösung besteht darin, die planaren Anoden an den Rändern von den zu beschichtenden Bauteilen wegzubiegen und so den Widerstand zwischen Anode und Kathode lokal zu erhöhen. Dadurch sinkt die Stromdichte an den Rändern. Allerdings ist dies nur bedingt möglich und auch nur pauschal und für alle in einer derartig gestalteten Beschichtungszelle zu beschichtenden Bauteilen wirksam. Eine solche Beschichtungszelle liefert nur eine geringfügig bessere Verteilung der galvanisch abgeschiedenen Metallschichten.
• Bei runden zu beschichtenden Bauteilen ist der Effekt umgekehrt. Wird einem runden Körper einen plane Anode gegenüber positioniert, so ist die lokale Stromdichte dort am höchsten, wo der Abstand zwischen planarer Anode und rundem Bauteil am geringsten ist, am höchsten. Mit zunehmendem Abstand der kathodischen Bauteiloberfläche zur Anode sinkt die Stromdichte und damit die abscheidbare Dicke der Metallschicht. Aus diesem Grund wird bei runden Bauteilen oftmals mit runden Anoden, so genannten Formanoden gearbeitet. Umhüllt eine solche Formanode das Bauteil in überall gleichem Abstand, so kann eine sehr gleichmäßige Dicke der Metallschicht in hoher Präzision abgeschieden werden. Nachteil ist allerdings, dass eine solche Anode nur für wenige Bauteildurchmesser und nur bei runden Bauteilen zuverlässig funktioniert. Die Anoden sind in der Regel für einen bestimmten Typ eines runden Bauteils optimiert.
• Lösung des Problems
• Die nachteilige Verteilung der Stromdichte über die Anodenfläche einer planen Anode, die lediglich über die ein bis zwei der üblichen Kontakte mit Strom versorgt wird, kann durch die Anwendung einer segmentierten Anode mit einer entsprechenden Steuerung der lokalen Stromdichten nahezu vollständig beseitigt werden. Zu diesem Zweck wird die Anode in nahezu beliebig viele Einzelsegmente aufgeteilt. Jedes dieser Einzelsegmente kann mit einem im Prinzip beliebigen hohen Strom, beginnend bei 0 Ampere beaufschlagt werden. Dadurch lassen sich die bei den konventionellen Anoden auftretenden hohen Stromdichten an den Anodenrändern von Anoden aus einem Stück bei gleicher Fläche deutlich absenken. In der Folge werden die lokalen Stromdichten auf den zu beschichtenden, weitgehend ebenen Bauteilen im Randbereich absenken. Dadurch können die sich bildenden Metallschichten beispielsweise über ein flächiges, ebenes Bauteil nahezu gleichmäßig über das gesamte Bauteil ausgeführt werden.
• Zur Steuerung des lokalen Stromes und damit der lokalen Stromdichte an der Anode wird der Zusammenhang zwischen Stromdichte und Schichtdicke in Versuchen ermittelt – dieser Zusammenhang verläuft häufig in bestimmten Grenzen linear. Mit diesen Werten lässt sich der lokale Strom und damit die lokale Stromdichte an der Anode auf die auf der Bauteiloberfläche geforderte Schichtdicke einstellen.
• Beispiele
• Bei der Beschichtung von ebenen Metallplatten durch galvanische Abscheidung von Gold mit einer Mindestdicke von 3 Mikrometer steigen die gemessenen Schichtdicken von Oben-Mitte (Bild 1, Tabelle 1) nach Unten und Außen auf Werte von bis zu etwa 8 Mikrometer an. Dies bedeutete für die gesamte Metallplatte zur Erreichung der Mindestdicke eine Überbeschichtung zwischen 0 Mikrometer und bis zu 4,8 Mikrometer. Im Mittel ergibt sich im vorliegenden Beispiel ein Mittelwert der Überbeschichtung von etwa 2,3 Mikrometer.
• Bei einer Fläche von 100 cm² (1 dm²) sollten zur Erreichung der Mindestschichtdicke von 3 Mikrometer insgesamt etwa 580 mg Gold abgeschieden werden (100·3·10^–4·19,3 g) (Dichte von Gold 19,3 g/cm³). Aufgrund der nachteiligen lokalen Stromdichteverteilung und der daraus resultierenden örtlich höheren Schichtdicken werden jedoch mit etwa 1030 mg Gold fast doppelt so viel abgeschieden wie erforderlich wäre. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung können die lokalen Stromdichten zum Rand des ebenen Bauteils auf Werte von bis zu 50% gegenüber Oben-Mitte abgesenkt werden. In der Folge sinken am Rande des ebenen Bauteils die Schichtdicken. Im Falle der hier beispielhaften Abscheidung von Gold lassen sich also bis zu 50% Gold einsparen.
• Bei der Beschichtung beispielsweise mit galvanisch abgeschiedenem Nickel auf einem planen Körper sind die Verhältnisse vergleichbar. Soll beispielsweise eine Mindestschichtdicke von 50 Mikrometer über die gesamte Fläche erreicht werden, so muss an den Rändern mit Schichtdicken von bis zu 140 Mikrometer gerechnet werden. Handelt es sich bei dem beschichteten Bauteil um ein Maßbauteil, so ist entweder eine mechanische Nacharbeit erforderlich (soweit diese technisch überhaupt machbar ist) oder es muss mit dem wesentlich teureren chemisch arbeitenden Nickelverfahren beschichtet werden. Im Falle einer galvanischen Chrombeschichtung ist bei planen Flächen eine derartige Beschichtung nur mechanisch nacharbeitbar, da es kein chemisch abscheidendes Chromverfahren gibt.
• Anwendung
• Die neue Technologie der segmentierten und regelbaren Anode zur galvanischen Metallabscheidung ist bei allen galvanischen Verfahren einsetzbar, bevorzugt bei solchen Anforderungen, bei denen annähernd ebene Objekte in beliebigen Abmessungen und mit beliebigen geforderten Dicken mit Metall beschichtet werden. Das Verfahren ist unabhängig von der Größe der Objekte, von der Anzahl der zu beschichtenden Objekte (Serie oder Kleinmengen), von der Art des galvanischen Verfahrens oder von der Dicke der abzuscheidenden Schicht.
• Literatur
• [1] W. Machu: Metallische Überzüge; 3. Auflage 1948, Akademische Verlagsgesellschaft, Leipzig; Seite 155ff.
• [2] Dettner/Elze: Handbuch der Galvanotechnik, Band I; 1. Auflage 1963, Hanser Verlag, München; S. 497ff.
• [3] T. W. Jelinek: Praktische Galvanotechnik; 6. Auflage, 2005; E. G. Leuze Verlag; S. 130ff.
• Patente zum Thema Anoden
• DE 2443040
• DE 68915043
• DE 69015113
• Bilder – Tabellen Tabelle 1: Wertetabelle zu den Dicken einer Goldschicht (x und y bezeichnet willkürliche Entfernungen auf einer ebenen Platte; Felder ohne Wert = kein Messwert)

  
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 2443040 [0012]
• DE 68915043 [0012]
• DE 69015113 [0012]

Claims (1)

1. Anode zur Verwendung für die galvanische Abscheidung von Metallen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1) Lösliche oder unlösliche Anode in ebener Ausführung 2 Anode in löslicher oder unlöslicher Ausführung und ebener Gestalt, die aus mindestens zwei Einzelteilen besteht, die keinen direkten metallischen Kontakt miteinander haben und von außen mit Strom versorgt werden 3) Anode der unter 1) und 2) beschriebenen Art, die beispielsweise in einem Rahmen aus Kunststoff angebracht sind und damit eine ebene, aber unterteilte Fläche aus elektrisch getrennten Einzelanodensegmenten darstellt 4) Anode der unter 1) bis 3) beschriebenen Art, bei der jedes Segment von außen mit Strom versorgt wird 5) Anode der unter 1) bis 4) beschriebenen Art, bei der die Stromhöhe über ein Steuergerät vorgegeben wird und das Steuergerät die Stromstärke anhand eines Verhältnisses von Wertepaaren des Zusammenhanges von Stromstärke und Schichtdicke für jedes Segment der Anode ermittelt; die Wertepaare aus Stromstärke und Schichtdicke werden elektrolytspezifisch und metallspezifisch ermittelt 6) Steuergerät für eine Anode nach der unter 1) bis 5) beschriebenen Art, das einen verfahrens- und produktgemäßen Gesamtstrom in beliebig vielen Einzelströme nach der in 5) genannten Art aufteilt und an die Einzelsegmente der Anode in der unter 1) bis 4) beschriebenen Art abgibt 7) Steuerung und Regelung der Stromstärken nach einem geeigneten Muster mit einem unter 6) genannten Steuergerät, das mit einer unter 1) bis 5) beschriebenen Anode zu einer gleichmäßigen Schichtdickenverteilung einer galvanisch abgeschiedenen Metallschicht auf der Kathode (Bauteil) einer galvanischen Beschichtungszelle führt

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