DE20301606U1 - Measuring device, used for measuring current densities during galvanizing of circuit boards, comprises an electrically conducting measuring surface and an electrically conducting contact on the rear side, and an electrical connection - Google Patents
Measuring device, used for measuring current densities during galvanizing of circuit boards, comprises an electrically conducting measuring surface and an electrically conducting contact on the rear side, and an electrical connectionInfo
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Abstract
Description
Meßeinrichtung zur Bestimmung von Stromdichten in elektrolytischen BädernMeasuring device for determining current densities in electrolytic baths
Beim elektrolytischen Behandeln von Gut ist es wesentlich, dass an allen zu behandelnden Stellen die gleich große Stromdichte wirksam ist. Nur so werden z.B. beim Galvanisieren gleich dicke Schichten abgeschieden Dies ist in der Regel das Ziel der Behandlung.When treating goods electrolytically, it is essential that the same current density is applied to all areas to be treated. This is the only way to deposit layers of the same thickness, for example during electroplating. This is usually the aim of the treatment.
In der Praxis gibt es unterschiedliche Einflüsse, die örtlich ungleichmäßige Stromdichten an der Oberfläche des Gutes zur Folge haben. Hilfreich ist es daher, wenn die Stromdichte während der Behandlung des Gutes zerstörungsfrei gemessen werden kann, denn während des Galvanisierens verändern sich relevante Prozeßparameter unterschiedlich schnell. Dies erfordert laufende Qualitätskontrollen, ohne dabei die Produktion in einer Galvanisieranlage zu stören. Zu diesen Prozeßparametern zählen die sich unterschiedlich schnell verbrauchenden löslichen Anoden. In Anodenkörben bilden sich unerkannt Brücken, weil die Anodenkugeln nicht nach unten rutschen. Bei unlöslichen Anoden bilden sich partielle isolierende Beläge. In allen Fällen wird das Gut, das den ungleichmäßigen Anoden gegenüber steht, ungleichmäßig behandelt. Gleiches gilt bei ungleichmäßigen Bewegungen des Elektrolyten durch Strömung oder Lufteinblasung.In practice, there are various influences that result in locally uneven current densities on the surface of the material. It is therefore helpful if the current density can be measured non-destructively during the treatment of the material, because during galvanization, relevant process parameters change at different rates. This requires ongoing quality controls without disrupting production in a galvanization plant. These process parameters include the soluble anodes, which are consumed at different rates. Bridges form undetected in anode baskets because the anode balls do not slide down. Insoluble anodes form partial insulating deposits. In all cases, the material that is opposite the uneven anodes is treated unevenly. The same applies to uneven movements of the electrolyte due to flow or air injection.
Eine Anlage besteht aus mehreren elektrolytischen Bädern, in die jeweils zur Behandlung mehrere Teile von Gut eingebracht werden. Nach dem Galvanisierprozeß kann dann in der Qualitätskontrolle zwar festgestellt werden, dass es in der Galvanisieranlage an einigen Teilen zu unzulässigen AbscheidungenA plant consists of several electrolytic baths, into each of which several parts of the material are placed for treatment. After the galvanization process, it can be determined during quality control that there have been unacceptable deposits on some parts of the galvanization plant.
gekommen ist, eine Zuordnung zur Anodenposition und zu den Bädern ist dann meist nicht mehr möglich.an assignment to the anode position and to the baths is then usually no longer possible.
Deshalb wird ein Sensor zur Messung der örtlich wirksamen Stromdichte während des Galvanisierprozeßes benötigt. Ein derartiger Sensor eignet sich auch zur Prozeßoptimierung vor Produktionsbeginn. Hierzu zählt auch das Optimieren der elektrolytischen Zelle. Dabei muß an jedem Ort des Galvanofensters einer Tauchbadanlage während eines Galvanisiervorganges die Stromdichte gemessen werden. Damit kann auch der Einfluß der Bewegungen des Gutes und/oder des Elektrolyten erkannt werden. Zu den Bewegungen des Gutes zählen Warenbewegung, Vibrationen und eine Lufteinblasung. Der Elektrolyt wird durch Lufteinblasung und/oder durch Elektrolytströmung bewegt. Hilfreich ist auch das Messen der Stromdichte beim Optimieren von Blenden und Schwimmblenden. Ohne den langwierigen und kostenintensiven Umweg über Schichtdickenmessungen können Einflußgrößen auf das Galvanisierergebnis an allen Orten des Galvanofensters ermittelt und Fehler gefunden werden.A sensor is therefore required to measure the locally effective current density during the electroplating process. Such a sensor is also suitable for process optimization before production begins. This also includes optimizing the electrolytic cell. The current density must be measured at every location in the electroplating window of an immersion bath system during an electroplating process. This also makes it possible to recognize the influence of the movements of the goods and/or the electrolyte. The movements of the goods include movement of the goods, vibrations and air injection. The electrolyte is moved by air injection and/or electrolyte flow. Measuring the current density is also helpful when optimizing screens and floating screens. Without the lengthy and costly detour of layer thickness measurements, factors influencing the electroplating result can be determined and errors found at all locations in the electroplating window.
In der Druckschrift DE 34 10 875 C2 wird eine Anordnung beschrieben, die zur Messung der örtlichen Stromdichte, insbesondere auf Leiterplatten, in elektrolytischen Zellen geeignet ist. Zu diesem Zweck werden spezielle Leiterplatten hergestellt, die mit so genannten Meßmetallinseln versehen sind, die jeweils von der Oberfläche des zu galvanisierenden Gutes isoliert sind. An den zu messenden Stellen des Galvanofensters eines elektrolytischen Tauchbades werden isolierte Meßmetallinseln auf der Ware, insbesondere in Form einer Leiterplatte, gebildet. Diese Inseln sind mit der umgebenden Oberfläche der Leiterplatte über einen isolierten Metalldraht leitend verbunden. An dem Metalldraht tritt ein minimaler Spannungsabfall auf, der den Galvanisierstrom abbildet, der zur Meßmetallinsel fließt. Der Spannungsabfall wird gemessen und ausgewertet. Die Meßvorrichtung kann vor Verfahrensbeginn geeicht werden.
Diese Anordnung zur Messung der Stromdichteverteilung hat den Nachteil, dass während der laufenden Produktion nicht gemessen werden kann. Es muß ein spezielles Testgut angefertigt werden. Darauf müssen die Meßmetallinseln gebildet, beziehungsweise aus der Oberfläche des Gutes herausgearbeitet werden und die isolierten Metalldrähte müssen mit der Oberfläche des GutesThe publication DE 34 10 875 C2 describes an arrangement that is suitable for measuring the local current density, particularly on circuit boards, in electrolytic cells. For this purpose, special circuit boards are produced that are provided with so-called measuring metal islands, each of which is insulated from the surface of the goods to be electroplated. Insulated measuring metal islands are formed on the goods, particularly in the form of a circuit board, at the points to be measured in the electroplating window of an electrolytic immersion bath. These islands are conductively connected to the surrounding surface of the circuit board via an insulated metal wire. A minimal voltage drop occurs on the metal wire, which represents the electroplating current that flows to the measuring metal island. The voltage drop is measured and evaluated. The measuring device can be calibrated before the process begins.
This arrangement for measuring the current density distribution has the disadvantage that it cannot be measured during ongoing production. A special test material must be prepared. The measuring metal islands must be formed on it, or rather, machined out of the surface of the material, and the insulated metal wires must be connected to the surface of the material.
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verbunden werden. Dies erfordert Änderungen des Gutes, was bei Produktionsgut unzulässig ist. Die Änderungen würden das Produktionsgut beschädigen. Deshalb muß an Stelle von Produktionsgut ein Testgut verwendet werden. Der Ort der Meßmetallinseln ist im voraus zu bestimmen. Das Testgut wird außerhalb der elektrolytischen Zelle für die Stromdichtemessungen individuell angefertigt und in die zu untersuchende Zelle eingebracht. Damit eignet sich diese Meßvorrichtung nur zur Optimierung von elektrolytischen Zellen, nicht jedoch zu Qualitätskontrollen während der laufenden Produktion. Außerdem ist das Anfertigen von derartigem Testgut sehr aufwendig und mit hohen Kosten verbunden, nicht zuletzt, weil eine Wiederverwendbarkeit des Testgutes nicht gegeben ist.This requires changes to the goods, which is not permitted for production goods. The changes would damage the production goods. Therefore, a test item must be used instead of production goods. The location of the measuring metal islands must be determined in advance. The test item is individually manufactured outside the electrolytic cell for the current density measurements and inserted into the cell to be examined. This means that this measuring device is only suitable for optimizing electrolytic cells, but not for quality control during ongoing production. In addition, the manufacture of such test items is very complex and expensive, not least because the test items cannot be reused.
Gemäß der Druckschrift DE 34 10 875 C2 ist ein minimaler Spannungsabfall zu messen. Praktisch muß bei Stromdichten im Bereich von 1A/dm2 bis 10A/dm2 mit einem Meßsignal in Höhe von 1OmV bis 10OmV gerechnet werden. Beim Galvanisieren mit Gleichstrom aus nicht getakteten Galvanogleichrichtern sind derart kleine Meßsignale sicher zu erfassen und über längere elektrische Leitungen aus der Tauchbadanlage heraus mit akzeptablem Störabstand zu übertragen. Werden jedoch getaktete Gleichrichter oder Pulsgleichrichter verwendet, so treten Probleme mit dem Störabstand auf. In den elektrischen Leitungen vom Meßwiderstand zu dem Datenaufzeichnungsgerät werden hohe Störspannungen induziert. Diese können ein Mehrfaches des Nutzsignales betragen. Im Falle von Pulsstrommessungen verursachen die Induktivitäten der langen elektrischen Leitungen zusätzliche Fehler. Die Abbildung des Pulsbildes entspricht nicht mehr der Realität. Ein zuverlässiges Meßergebnis ist in diesen Fällen nicht möglich.According to the publication DE 34 10 875 C2, a minimal voltage drop must be measured. In practice, for current densities in the range of 1A/dm 2 to 10A/dm 2 , a measurement signal of 10mV to 100mV must be expected. When electroplating with direct current from non-clocked galvanic rectifiers, such small measurement signals can be reliably recorded and transmitted over long electrical cables from the immersion bath system with an acceptable signal-to-noise ratio. However, if clocked rectifiers or pulse rectifiers are used, problems arise with the signal-to-noise ratio. High interference voltages are induced in the electrical cables from the measuring resistor to the data recording device. These can be several times the useful signal. In the case of pulse current measurements, the inductances of the long electrical cables cause additional errors. The image of the pulse pattern no longer corresponds to reality. A reliable measurement result is not possible in these cases.
Als Ausweg bietet es sich an, den Widerstand des Metalldrahtes wesentlich zu erhöhen. Damit wird das Meßsignal entsprechend größer. Dies hat jedoch den Nachteil, dass dann die Meßmetallinsel ein deutlich anderes Potential gegenüber der Oberfläche des umgebenden Gutes annimmt. Die Insel wird anodisch gegenüber dem kathodischen Gut. Die Zellspannung zwischen der Anode und der Meßmetallinsel innerhalb der zu messenden elektrolytischen Zelle reduziert sich um die Spannung des Meßsignales. Die Meßinsel nimmt von daher einen zu kleinen Strom auf. Mit zunehmender Größe des Meßsignales wird deshalbOne solution is to increase the resistance of the metal wire considerably. This increases the measuring signal accordingly. However, this has the disadvantage that the measuring metal island then assumes a significantly different potential compared to the surface of the surrounding material. The island becomes anodic compared to the cathodic material. The cell voltage between the anode and the measuring metal island within the electrolytic cell to be measured is reduced by the voltage of the measuring signal. The measuring island therefore absorbs too small a current. As the size of the measuring signal increases,
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der Meßfehler größer. Zum Ermitteln der Stromdichten beim Pulsgalvanisieren muß von daher beim bekannten Verfahren ein Kompromiß zwischen Meßfehler und Störabstand gewählt werden.the measurement error is greater. To determine the current density during pulse electroplating, a compromise between measurement error and signal-to-noise ratio must therefore be chosen in the known method.
In der Druckschrift DE 33 17 132 A1 wird ein Verfahren zur Messung der elektrischen Stromdichteverteilung beschrieben. Auch hier wird ein speziell vorbereitetes Testgut verwendet. Durch Aufkleben von Metallfolien werden elektrisch isolierte Meßflächen gebildet. Diese haben jeweils eine einadrige Zuleitung, die außerhalb des Bades mit einem Operationsverstärker verbunden ist. Der im Vergleich zu einem Meßsignal große Galvanisierstrom, der zur Meßfläche fließt, wird demnach von der Meßstelle abgeleitet und nicht mehr an diesen Ort zurückgeführt. Die Zuleitung hat eine Induktivität und damit einen induktiven Widerstand, sowie einen ohmschen Widerstand. Dies verändert die Pulsform und die Amplituden des Pulsstromes, sowie die Stromverteilung innerhalb des Galvanofensters. Das Verfahren eignet sich nicht zur Stromdichtemessung während der laufenden Produktion und durch die langen Zuleitungen ist ein zuverlässiges Meßergebnis auch beim Galvanisieren mit Gleichstrom nicht zu erwarten.The publication DE 33 17 132 A1 describes a method for measuring the electrical current density distribution. Here, too, a specially prepared test material is used. Electrically insulated measuring surfaces are formed by gluing metal foils. Each of these has a single-core supply line that is connected to an operational amplifier outside the bath. The electroplating current that flows to the measuring surface, which is large compared to a measuring signal, is therefore diverted from the measuring point and is no longer fed back to this location. The supply line has an inductance and thus an inductive resistance, as well as an ohmic resistance. This changes the pulse shape and the amplitudes of the pulse current, as well as the current distribution within the electroplating window. The method is not suitable for measuring current density during ongoing production and, due to the long supply lines, a reliable measurement result cannot be expected even when electroplating with direct current.
In der Druckschrift GB 832,182 wird eine weitere Meßeinrichtung zur Bestimmung von örtlichen Stromdichten mittels einer Testelektrode beschrieben. Diese ortsveränderliche Elektrode hat an der einen Seite eine elektrisch leitende Fläche und an der anderen Seite eine Isolierfläche. Der große Galvanisierstrom, der auf die Meßfläche auftrifft, wird außerhalb des Elektrolyten mittels eines Amperemeters gemessen und zum Kathodenanschluss des Bades zurückgeführt. Auch bei diesem Meßverfahren muss der zu messende Galvanisierstrom über längere Leitungen geführt werden und der Ort des Stromrückflusses ist nicht dort, wo er von der Oberfläche des Galvanisiergutes abgeleitet wurde. Ein zuverlässiges Meßergebnis ist auch bei diesem Verfahren nicht zu erwarten.In the publication GB 832,182, another measuring device is described for determining local current densities using a test electrode. This portable electrode has an electrically conductive surface on one side and an insulating surface on the other. The large electroplating current that hits the measuring surface is measured outside the electrolyte using an ammeter and fed back to the cathode connection of the bath. With this measuring method, the electroplating current to be measured must also be fed over longer lines and the location of the current return flow is not where it was derived from the surface of the electroplating material. A reliable measuring result cannot be expected with this method either.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Meßvorrichtung anzugeben, die zur Messung der örtlich wirkenden Stromdichten beim Galvanisieren mit Gleichstrom oder mit Pulsstrom geeignet sind und die die Nachteile der bekannten Verfahren vermeiden.The object of the present invention is to provide a measuring device which is suitable for measuring the locally acting current densities during electroplating with direct current or with pulsed current and which avoids the disadvantages of the known methods.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Meßeinrichtung gemäß Schutzanspruch 1.The problem is solved by the measuring device according to claim 1.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der schematischen und meistens nicht maßstäblich dargestellten Figuren 1 bis 5 näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the schematic and mostly not to scale figures 1 to 5.
Figur 1 zeigt das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung mit einer Stromdichtesonde in einer elektrolytischen Zelle.Figure 1 shows the basic principle of the present invention with a current density probe in an electrolytic cell.
Figur 2a zeigt ein elektrisches Grundschaltbild der Erfindung mit einem Shunt, der eine Meßfläche und einen rückseitigen Kontakt in Form einer Kontaktfläche elektrisch miteinander verbindet.Figure 2a shows a basic electrical circuit diagram of the invention with a shunt that electrically connects a measuring surface and a rear contact in the form of a contact surface.
Figur 2b zeigt ein weiteres Grundschaltbild der Erfindung mit einem vor Ort-Verstärker. Figure 2b shows another basic circuit diagram of the invention with an on-site amplifier.
Figur 2c zeigt ein weiteres Grundschaltbild der Erfindung mit einem Verstärker, der außerhalb des Elektrolyten angeordnet ist.Figure 2c shows another basic circuit diagram of the invention with an amplifier arranged outside the electrolyte.
Figur 2d zeigt ein weiteres Grundschaltbild der Erfindung mit oder ohne vor (&Mgr;&Igr; 5 Verstärker und mit einem Sender außerhalb des Elektrolyten zur drahtlosen Übertragung des Meßsignales.Figure 2d shows another basic circuit diagram of the invention with or without pre-amplifiers and with a transmitter outside the electrolyte for wireless transmission of the measuring signal.
Figur 3a zeigt in der Seitenansicht eine mobile Stromdichtesonde, die an einem Stiel befestigt ist.Figure 3a shows a side view of a mobile current density probe attached to a stem.
Figur 3b zeigt in der Seitenansicht eine stationäre Stromdichtesonde, die mittels eines Magneten am Gut befestigt ist.Figure 3b shows a side view of a stationary current density probe which is attached to the material by means of a magnet.
Figur 3c zeigt in der Seitenansicht eine mobile Stromdichtesonde mit einem vor Ort-Verstärker, die an einem Stiel befestigt ist.Figure 3c shows a side view of a mobile current density probe with an on-site amplifier attached to a pole.
Figur 3d zeigt in der Seitenansicht eine stationäre Stromdichtesonde mit einem vor Ort-Verstärker, die mittels eines Gewindezapfens und einer Mutter am Gut befestigt ist.Figure 3d shows a side view of a stationary current density probe with an on-site amplifier, which is attached to the material by means of a threaded pin and a nut.
Figur 4 zeigt annähernd im Maßstab 1:1 eine mobile Stromdichtesonde in der Draufsicht und in der Seitenansicht.Figure 4 shows a mobile current density probe in plan view and side view, approximately at a scale of 1:1.
In Figur 1 ist das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung dargestellt. In einer elektrolytischen Zelle 15, bestehend aus einer Badstromquelle 5, dem Elektrolyten 2, der Kathode 3, und der Anode 4, befindet sich die Stromdichtesonde 1. Die Badstromquelle 5 treibt den gesamten Zellstrom Iz. Die Oberfläche der Figure 1 shows the basic principle of the present invention. The current density probe 1 is located in an electrolytic cell 15, consisting of a bath current source 5, the electrolyte 2, the cathode 3, and the anode 4. The bath current source 5 drives the entire cell current Iz. The surface of the
Kathode 3 ist die zu behandelnde Oberfläche 8 des Gutes 7. Die Stromdichtesonde 1 besteht aus einer Meßfläche 6, einem bevorzugt planparallelen Isolator 11 und einem rückseitige Kontakt. Der rückseitige Kontakt ist bevorzugt als eine Kontaktfläche 12 ausgebildet. Die Meßfläche 6 hat einen bekannten Flächeninhalt. Dieser Flächeninhalt kann vom Flächeninhalt der Kontaktfläche 12 abweichen.Cathode 3 is the surface 8 of the material 7 to be treated. The current density probe 1 consists of a measuring surface 6, a preferably plane-parallel insulator 11 and a rear contact. The rear contact is preferably designed as a contact surface 12. The measuring surface 6 has a known surface area. This surface area can differ from the surface area of the contact surface 12.
Die Meßfläche 6 und die Kontaktfläche 12 sind mittels elektrischer Leiter und eines in Serie geschalteten Shunts 10 elektrisch auf kürzestem Wege miteinander verbunden. Der Galvanisierstrom Is, der auf die Meßfläche 6 auftrifft, fließt durch den Shunt 10 und verursacht an ihm einen Spannungsabfall Us. Der Spannungsabfall Us am Shunt ist proportional zum auftreffenden Galvanisierstrom Is auf die Meßfläche 6. Der Spannungsabfall Us ist das außerhalb des Elektrolyten 2 auszuwertende Meßsignal. Der auf die Meßfläche 6 auftreffende Galvanisierstrom wird über den Shunt 10 und den rückseitigen Kontakt in die Oberfläche 8 des Gutes 7 eingeleitet, das heißt, in den Bereich des Gutes, aus dem der Strom entnommen wurde. Der Stromfluß innerhalb des Galvanofensters wird dadurch nicht verändert, d.h. nicht gestört.The measuring surface 6 and the contact surface 12 are electrically connected to one another by means of electrical conductors and a series-connected shunt 10. The galvanizing current Is, which strikes the measuring surface 6, flows through the shunt 10 and causes a voltage drop Us at it. The voltage drop Us at the shunt is proportional to the galvanizing current Is striking the measuring surface 6. The voltage drop Us is the measurement signal to be evaluated outside the electrolyte 2. The galvanizing current striking the measuring surface 6 is introduced via the shunt 10 and the rear contact into the surface 8 of the material 7, i.e. into the area of the material from which the current was taken. The current flow within the galvanizing window is not changed, i.e. not disturbed.
Zur Vermeidung von Meßfehlern muß auch der Verlauf der elektrischen Feldlinien 13 in der elektrolytischen Zelle 15 weitgehend unbeeinflusst bleiben.In order to avoid measurement errors, the course of the electric field lines 13 in the electrolytic cell 15 must also remain largely unaffected.
Dies wird durch zwei Maßnahmen erreicht: Zum einen wird der Abstand 9 der Meßfläche 6 von Oberfläche 8 möglichst klein gewählt. Dieser Abstand 9 sollte 10 Prozent des Abstandes der Kathode 3 von der Anode 4 elektrolytischen Zelle 15 nicht überschreiten. Zum anderen wird der Widerstandswert des Shunts 10 sehr klein gewählt, um auch das Meßsignal klein zu halten, das die Zellspannung im Bereich der Stromdichtesonde beeinflusst. Die Spannung des Meßsignales sollte bei einer Stromdichte von 1A/dm2 15 Prozent der Zellspannung elektrolytischen Zelle 15 nicht überschreiten.This is achieved by two measures: Firstly, the distance 9 of the measuring surface 6 from the surface 8 is chosen to be as small as possible. This distance 9 should not exceed 10 percent of the distance between the cathode 3 and the anode 4 of the electrolytic cell 15. Secondly, the resistance value of the shunt 10 is chosen to be very small in order to keep the measuring signal small, which influences the cell voltage in the area of the current density probe. The voltage of the measuring signal should not exceed 15 percent of the cell voltage of the electrolytic cell 15 at a current density of 1A/dm 2 .
Zur Herstellung der mehrlagigen Stromdichtesonde eignet sich besonders die Multilayertechnik, wie sie zur Herstellung von Leiterplatten bekannt ist. Der Shunt 10 kann als vergrabener Widerstand ausgeführt sein und die Meßfläche 6, die Isolierlage 11 und die Kontaktfläche 12 sind Lagen des Multilayers. Durch diesen Aufbau und durch die Berührungskontaktierung der Kontaktfläche 12 mit der Oberfläche 8 unter der Meßfläche 6, ist der Weg des auf die Meßfläche 6The multilayer technology, as is known for the manufacture of printed circuit boards, is particularly suitable for the production of the multilayer current density probe. The shunt 10 can be designed as a buried resistor and the measuring surface 6, the insulating layer 11 and the contact surface 12 are layers of the multilayer. Due to this structure and the contacting of the contact surface 12 with the surface 8 under the measuring surface 6, the path of the current applied to the measuring surface 6 is
auftreffenden und zu messenden Stromes in der Meßeinrichtung extrem kurz. Dieser kurze Weg ist besonders zur Messung der Stromdichte(n) beim Pulsgalvanisieren unerlässlich. Würde man versuchen, den Strom, der auf die Meßfläche auftritt, über elektrische Leitungen aus dem Elektrolyten auszuleiten und dem Gleichrichter zurückzuführen, so ergäbe sich ein völlig fehlerhaftes Meßergebnis.The path of the current to be measured in the measuring device is extremely short. This short path is particularly essential for measuring the current density(s) during pulse electroplating. If one were to try to lead the current that occurs on the measuring surface out of the electrolyte via electrical lines and return it to the rectifier, the measurement result would be completely incorrect.
Die flächenartige Stromdichtesonde lässt sich, wie es nachfolgend noch detailliert beschreiben wird, sehr flach und kompakt aufbauen. Die Mobilität ermöglicht das Platzieren an allen zu messenden Stellen des Galvanofensters.The flat current density probe can be constructed very flat and compactly, as will be described in detail below. Its mobility allows it to be placed at all points on the galvanic window that are to be measured.
Die Meßfläche 6 der Stromdichtesonde 1 stellt praktisch die Fortsetzung der Oberfläche 8 des Gutes 7 dar. Speziell präpariertes Testgut ist bei einer mobilen Stromdichtesonde nicht erforderlich. Mit der erfindungsgemäßen Stromdichtesonde kann zu Quälitätskontrollzwecken auch während der Produktion gemessen werden.The measuring surface 6 of the current density probe 1 practically represents the continuation of the surface 8 of the material 7. Specially prepared test material is not required for a mobile current density probe. The current density probe according to the invention can also be used for quality control purposes during production.
Die Herstellung der Stromdichtesonde erfolgt im Wesentlichen mit den Verfahren und Methoden der Leiterplattentechnik. Die Meßfläche 6 und die Kontaktfläche 12 der Stromdichtesonde 1 bestehen besonders vorteilhaft aus den Kaschierungen von Leiterplatten mit einem Basiswerkstoff aus Epoxidglashartgewebe. Auch die erforderliche Isolierlage 11 läßt sich in vorteilhafter Weise dünn ausführen. Zur Integration des Shunts 10 und gegebenenfalls eines vor Ort-Verstärkers kann die Multilayertechnik zusammen mit der SMD-Technik als Herstellungsverfahren der Stromdichtesonde dienen.The current density probe is essentially manufactured using the processes and methods of printed circuit board technology. The measuring surface 6 and the contact surface 12 of the current density probe 1 are particularly advantageously made from laminations of printed circuit boards with a base material made of epoxy glass fabric. The required insulating layer 11 can also be made thin in an advantageous manner. To integrate the shunt 10 and, if necessary, an on-site amplifier, multilayer technology can be used together with SMD technology as a manufacturing process for the current density probe.
Der Strom, der auf die Meßfläche 6 auftritt, bildet sich am Shunt 10 proportional als Meßsignal ab. Es ist eine Spannung Us, die mittels eines Spannungsmeßgerätes 14 gemessen und ausgewertet wird. Die Auswertung erfolgt unter Berücksichtigung der Größen für die Meßfläche A und für den Widerstandswert Rs des Shunts. Die Stromdichte i berechnet sich nach der FormelThe current that occurs on the measuring surface 6 is proportionally represented as a measuring signal on the shunt 10. It is a voltage Us that is measured and evaluated by means of a voltmeter 14. The evaluation is carried out taking into account the sizes for the measuring surface A and for the resistance value Rs of the shunt. The current density i is calculated according to the formula
i = Us / Rs * A
30i = Us / Rs * A
30
Die rückseitige Kontaktfläche 12 der Stromdichtesonde dient zur Ableitung des Galvanisierstromes von der Meßfläche 6 zur Oberfläche 8. Handelt es sich bei dieser Oberfläche 8 um eine sehr dünne elektrisch leitfähige Schicht, wie z.B.The rear contact surface 12 of the current density probe serves to conduct the electroplating current from the measuring surface 6 to the surface 8. If this surface 8 is a very thin electrically conductive layer, e.g.
-•&bgr;-·"-•&bgr;-·"
um eine Sputterschicht oder um chemisch aufgebrachte Metallisierungen auf elektrisch nicht leitenden Basiswerkstoffen, dann ist es vorteilhaft, wenn die Stromableitung nicht punktförmig, sondern über eine Fläche erfolgt. Bei einer punktförmigen Ableitung des Stromes können in der dünnen und damit elektrisch gering leitfähigen Schicht Spannungsabfälle auftreten, die eine Feldlinienverschiebung zur Folge haben. Es können auch Beschädigungen durch zu große örtliche Stromdichten in dieser Schicht auftreten. Aus diesem Grunde wird der rückseitige Kontakt der Stromdichtesonde 1 bevorzugt in Form einer Fläche ausgeführt. Zum Messen der Stromdichte wird die Kontaktfläche 12 der Stromdichtesonde durch manuelles Andrücken oder durch mechanische Befestigung mit der Oberfläche 8 des Gutes 7 in elektrischen Kontakt gebracht. Beim Galvanisieren fließt dann der Strom Is durch die Stromdichtesonde zum Gut. Wie bereits oben gezeigt, lässt sich daraus die örtlich wirkende Stromdichte ermitteln.a sputter layer or chemically applied metallization on electrically non-conductive base materials, then it is advantageous if the current is not discharged at a point but over a surface. If the current is discharged at a point, voltage drops can occur in the thin and thus electrically poorly conductive layer, which result in a shift in the field lines. Damage can also occur due to excessive local current densities in this layer. For this reason, the rear contact of the current density probe 1 is preferably designed in the form of a surface. To measure the current density, the contact surface 12 of the current density probe is brought into electrical contact with the surface 8 of the material 7 by manual pressing or by mechanical fastening. During galvanization, the current Is then flows through the current density probe to the material. As already shown above, the locally acting current density can be determined from this.
Während der Messung deckt die Stromdichtesonde das Gut 7 partiell ab. Eine Messung mit einer mobilen Stromdichtesonde dauert jedoch nur wenige Sekunden. Dagegen beträgt die elektrolytische Behandlungszeit in der Praxis z.B. eine Stunde. Damit ist der Verlust an Behandlungszeit durch das Abblenden beim Messen der Stromdichte mit einer mobilen Stromdichtesonde zu vernachlässigen. Dies erlaubt den Einsatz der Stromdichtesonde während der Produktion von Gut, z.B. zur regelmäßigen Qualitätskontrolle.During the measurement, the current density probe partially covers the product 7. However, a measurement with a mobile current density probe only takes a few seconds. In contrast, the electrolytic treatment time in practice is, for example, one hour. This means that the loss of treatment time due to the dimming when measuring the current density with a mobile current density probe is negligible. This allows the current density probe to be used during the production of products, e.g. for regular quality control.
Die Figuren 2a bis 2d zeigen elektrische Grundschaltbilder der Stromdichtesonde. In den Figuren sind zwei elektrisch leitfähige Flächen dargestellt, die mittels eines Shunts 10 elektrisch miteinander verbunden sind. Es handelt sich um die Meßfläche 6, die als Elektrode in der elektrolytischen Zelle wirkt und um die rückseitige Kontaktfläche 12, die als Berührungskontaktfläche dient. Zweckmäßigerweise werden die Meßfläche 6 und die Kontaktfläche 12 in der Praxis in Lagen übereinander und vom Shunt abgesehen, elektrisch voneinander isoliert angeordnet. Grundsätzlich sind die Meßfläche 6 und die Kontaktfläche 12 gleichwertig. Das heißt, die Meßfläche kann als rückseitiger Kontakt und Figures 2a to 2d show basic electrical circuit diagrams of the current density probe. The figures show two electrically conductive surfaces that are electrically connected to one another by means of a shunt 10. This is the measuring surface 6, which acts as an electrode in the electrolytic cell, and the rear contact surface 12, which serves as a contact surface. In practice, the measuring surface 6 and the contact surface 12 are expediently arranged in layers one above the other and, apart from the shunt, electrically insulated from one another. Basically, the measuring surface 6 and the contact surface 12 are equivalent. This means that the measuring surface can be used as a rear contact and
die Kontaktfläche 12 kann als Meßfläche verwendet werden. In diesem Falle kehrt sich lediglich die Polarität der Spannung Us am Shunt 10 um.
Der Galvanisierstrom fließt im Elektrolyten der elektrolytischen Zelle von der Anode kommend zur Kathode, die von dem zu behandelnden Gut gebildet wird. Ein Teil der Oberfläche des Gutes bildet die Meßfläche 6. Der Strom, der anteilig auf die Meßfläche 6 trifft, ist mit Is bezeichnet. Der Strom Is, ist ein Teil des gesamten Zellstromes Iz. Am Shunt 10 bewirkt der Strom Is einen Spannungsabfall, der mit Us bezeichnet ist und das Meßsignal darstellt, das aus dem Elektrolyten über elektrische Leitungen 19 heraus geführt und mittels eines Meßgerätes 14 gemessen wird. Über die Kontaktfläche 12 fließt der Strom Is auf die Oberfläche des sich partiell darunter befindlichen Gutes.the contact surface 12 can be used as a measuring surface. In this case, only the polarity of the voltage Us at the shunt 10 is reversed.
The galvanizing current flows in the electrolyte of the electrolytic cell from the anode to the cathode, which is formed by the material to be treated. Part of the surface of the material forms the measuring surface 6. The current that partially hits the measuring surface 6 is designated Is. The current Is is a part of the total cell current Iz. At the shunt 10, the current Is causes a voltage drop that is designated Us and represents the measuring signal that is led out of the electrolyte via electrical lines 19 and measured by means of a measuring device 14. The current Is flows via the contact surface 12 to the surface of the material partially located underneath.
In Figur 2a werden die Meßfläche 6 und der Widerstandswert Rs des Shunts 10 zweckmäßiger Weise so aufeinander abgestimmt, dass die gemessene Stromdichte i dekadische Spannungswerte Us ergibt.
Beispiel: Rs = 30 mOhm
Us = 10 mV
i = 1 A/dm2
Dies erfordert eine Meßfläche 6 der Größe AIn Figure 2a, the measuring surface 6 and the resistance value Rs of the shunt 10 are expediently matched to one another such that the measured current density i results in decimal voltage values Us.
Example: Rs = 30 mOhm
Us = 10 mV
i = 1 A/dm 2
This requires a measuring surface 6 of size A
A = Us/i*RsA = Us/i*Rs
A = 10 mV /1 (A/dm2 ) * 30 mOhm = 0,33 dm2
Weil die Stromdichtesonde an der Oberfläche des Gutes plaziert werden muss und weil elektrische Leiter 19 anzuschließen sind, ist es in der Praxis zweckmäßig, die Meßfläche 6 und Kontaktfläche 12 verschieden groß auszuführen. Die Meßfläche 6 hat die vorbestimmte Größe, die Kontaktfläche kann eine von der Meßfläche abweichende Größe haben. Sie kann auch größer sein als die Meßfläche, insbesondere dann wenn ein vor Ort-Verstärker in der Stromdichtesonde platziert werden soll.
Die Figur 2b zeigt das Grundschaltbild der Stromdichtesonde mit einem elektronischen vor Ort-Verstärker 16 in Miniaturausführung. Damit wird ein größerer Störabstand und letztendlich ein präziseres Messen möglich.
Die Erfindung bietet in sehr vorteilhafter Weise die Möglichkeit zur Verstärkung des Meßsignales Us innerhalb der Stromdichtesonde und dies in kürzesterA = 10 mV /1 (A/dm 2 ) * 30 mOhm = 0.33 dm 2
Because the current density probe must be placed on the surface of the material and because electrical conductors 19 must be connected, it is practical to make the measuring surface 6 and contact surface 12 of different sizes. The measuring surface 6 has the predetermined size, the contact surface can have a The measuring area may have a different size. It may also be larger than the measuring area, especially if an on-site amplifier is to be placed in the current density probe.
Figure 2b shows the basic circuit diagram of the current density probe with an electronic on-site amplifier 16 in miniature design. This enables a larger signal-to-noise ratio and ultimately more precise measurement.
The invention offers in a very advantageous way the possibility of amplifying the measuring signal Us within the current density probe and this in the shortest possible time.
Entfernung vom Shunt 10. Dies ergibt auch dann einen großen Störabstand des Meßsignales, auch wenn es in Folge eines sehr niederohmigen Widerstandswertes Rs des Shunts sehr klein ist. Besonders vorteilhaft ist diese vor Ort-Verstärkung, wenn es sich bei der Badstromquelle um ein getaktetes Netzgerät und/oder um ein Pulsstromgerät handelt. Diese Badstromquellen verursachen hohe Störspannungen, die entsprechende Meßfehler zur Folge haben, wenn die kleinen Shuntspannungen unverstärkt über längere elektrische Leitungen übertragen werden. Ein vor Ort-Verstärker kann mit elektronischen oberflächenmontierten Miniatur-Bauelementen (SMD) sehr klein aufgebaut werden.Distance from the shunt 10. This results in a large signal-to-noise ratio of the measuring signal, even if it is very small due to a very low resistance value Rs of the shunt. This local amplification is particularly advantageous if the bath current source is a clocked power supply and/or a pulse current device. These bath current sources cause high interference voltages, which result in corresponding measurement errors if the small shunt voltages are transmitted unamplified over long electrical lines. A local amplifier can be built very small using electronic surface-mounted miniature components (SMD).
Verwendung findet mindestens ein Operationsverstärker, der z.B. als Differenzverstärker für die Meßsignale der bipolaren Pulsgalvanisierung beschaltet ist. Derartige elektronische Meßverstärker sind Stand der Technik. Sie lassen sich auch in der Grenzfrequenz so beschälten, dass hochfrequente Störsignale unterdrückt werden. Zur Messung der Stromdichte mittels einer Stromdichtesonde eignet sich z.B. ein Verstärker mit der Verstärkung &ngr; = 100 und mit einer oberen Grenzfrequenz von 20 kHz.At least one operational amplifier is used, which is connected, for example, as a differential amplifier for the measurement signals of the bipolar pulse galvanization. Electronic measurement amplifiers of this type are state of the art. They can also be connected in the cutoff frequency so that high-frequency interference signals are suppressed. For example, an amplifier with a gain of ν = 100 and an upper cutoff frequency of 20 kHz is suitable for measuring the current density using a current density probe.
In der Praxis wird darauf geachtet, dass das verstärkte Meßsignal Um mit der gemessenen Stromdichte i in einem leicht teilbaren oder multiplizierbaren Verhältnis steht. So kann das Meßsignal z.B. bei einer Stromdichte von 1 A/dm2 0,1 V betragen und bei 25 A/dm2 sind es 2,5 V. Um dies zu erreichen müssen die Meßfläche 6, die Verstärkung &ngr; und der Widerstandswert Rs aufeinander abgestimmt werden.
Beispiel: Rs = 10mOhm
&ngr; = 100In practice, care is taken to ensure that the amplified measuring signal Um is in a ratio that is easily divisible or multipliable with the measured current density i. For example, the measuring signal can be 0.1 V at a current density of 1 A/dm 2 and 2.5 V at 25 A/dm 2 . To achieve this, the measuring surface 6, the amplification v and the resistance value Rs must be matched to one another.
Example: Rs = 10mOhm
ν = 100
Um = 100 mVUm = 100 mV
i = 1 A/dm2 i = 1 A/dm 2
Dies erfordert eine Meßfläche 6 der Größe A
A = Um / i * V * Rs
A = 100 mV/1 (A/dm2)*100*10mOhm = 0,1 dm2 This requires a measuring surface 6 of size A
A = Um / i * V * Rs
A = 100 mV/1 (A/dm 2 )*100*10mOhm = 0.1 dm 2
Die Größe der Meßfläche lässt sich bei gegebenen handelsüblichen Bauelementen mit den Methoden der Leiterplattentechnik immer so anpassen, dass die Forderung nach dekadischen Meßergebnissen erzielt wird.For given commercially available components, the size of the measuring area can always be adjusted using the methods of printed circuit board technology in such a way that the requirement for decadic measurement results is achieved.
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Im obigen Beispiel beträgt die Shuntspannung Us = 1mV bei einer Stromdichte von 1A/dm2. Wird kein vor Ort-Verstärker verwendet, so ist es insbesondere bei getakteten Badstromquellen erforderlich, diesen Spannungswert Us anzuheben, um den Störabstand zu vergrößern, z.B. auf 1OmV. Dies kann durch Vergrößerung der Meßfläche 6 und/oder durch Erhöhung des Widerstandswertes Rs erreicht werden. In beiden Fällen nimmt dann in nachteiliger Weise die Meßfläche 6 einen entsprechend höheren Spannungsunterschied zur umgebenden Oberfläche 8 an. Nur für vergleichende Messungen ist dies in der Praxis noch akzeptabel.In the above example, the shunt voltage Us = 1mV at a current density of 1A/dm 2 . If no on-site amplifier is used, it is necessary, particularly with clocked bath current sources, to increase this voltage value Us in order to increase the signal-to-noise ratio, e.g. to 10mV. This can be achieved by enlarging the measuring surface 6 and/or by increasing the resistance value Rs. In both cases, the measuring surface 6 then disadvantageously assumes a correspondingly higher voltage difference to the surrounding surface 8. In practice, this is only acceptable for comparative measurements.
Der vor Ort-Verstärker findet ausreichend Platz in der Stromdichtesonde. Die nicht dargestellte Stromversorgung des Verstärkers erfolgt von außerhalb des Elektrolyten mittels elektrischer Leiter. Bei einer mobilen Stromdichtesonde sind Batterien zu bevorzugen, die am Stiel außerhalb des Elektrolyten angeordnet sind. Die Batterien lassen sich in Miniaturausführung grundsätzlich auch vor Ort anordnen.There is enough space for the on-site amplifier in the current density probe. The amplifier's power supply (not shown) is provided from outside the electrolyte using electrical conductors. For a mobile current density probe, batteries that are arranged on the rod outside the electrolyte are preferable. The batteries can also be arranged on-site in miniature versions.
Die Figur 2c zeigt das Grundschaltbild der Stromdichtesonde mit einem Meßverstärker, der außerhalb des Elektrolyten angeordnet ist. Bevorzugt wird der Meßverstärker am Ende eines Stieles der Stromdichtesonde befestigt. Figure 2c shows the basic circuit diagram of the current density probe with a measuring amplifier that is arranged outside the electrolyte. The measuring amplifier is preferably attached to the end of a stem of the current density probe.
Beinhaltet dieser Meßverstärker ein Anzeigegerät, dann entfallen weiterführende Leitungen. Dies bietet eine große Bewegungsfreiheit für den Bediener. Bei Verwendung z.B. eines vorhandenen Oszilloskops oder eines Digitalmultimeters als Meßverstärker stellt diese Anordnung eine sehr kostengünstige Meßeinrichtung dar.If this measuring amplifier includes a display device, then there is no need for additional cables. This offers the operator a great deal of freedom of movement. If, for example, an existing oscilloscope or a digital multimeter is used as a measuring amplifier, this arrangement represents a very cost-effective measuring device.
Eine komfortable Ausführung zeigt die Figur 2d. Das Meßsignal Us des Shunts 10 wird entweder über einen vor Ort-Verstärker 16 oder direkt aus dem Elektrolyten herausgeführt. Dort befindet sich ein Sender 31, der das Meßsignal zunächst verstärkt und dann drahtlos an eine Meßeinrichtung mit Empfangsstation überträgt. Damit wird im Falle einer mobilen Stromdichtesonde die größte Bewegungsfreiheit für den Bediener erreicht. Zur Übertragung eignen sich Funkwellen oder Lichtwellen.A convenient design is shown in Figure 2d. The measuring signal Us of the shunt 10 is fed either via an on-site amplifier 16 or directly from the electrolyte. There is a transmitter 31 which first amplifies the measuring signal and then transmits it wirelessly to a measuring device with a receiving station. In the case of a mobile current density probe, this provides the greatest freedom of movement for the operator. Radio waves or light waves are suitable for transmission.
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Die Stromdichtesonden eignen sich grundsätzlich für den mobilen und stationären Einsatz. Der mobile Einsatz dient z.B. zur laufenden Produktionsüberwachung. Die Stromdichtesonde wird manuell an die Stellen des Galvanofensters gehalten, die bezüglich der örtlich wirkenden Stromdichten von Interesse sind. Der stationäre Einsatz eignet sich zu Stichprobenmessungen und zum Optimieren von elektrolytischen Zellen. Die mobilen und stationären Stromdichtesonden unterscheiden sich in der Art ihrer Platzierung an der Oberfläche 8 des Gutes 7, beziehungsweise in der Art der Befestigung am Gut 7. Die mobile Stromdichtesonde ist bevorzugt an einem Stiel befestigt. Mittels des Stieles kann sie vom Bediener manuell an alle Stellen des Gutes 7, das sich z.B. in einem elektrolytischen Tauchbad befindet, gehalten und mit der Oberfläche 8 berührend in Kontakt gebracht werden. Im oder am Stiel sind die elektrischen Leiter angeordnet. Die Länge des Stieles muss so groß gewählt werden, dass alle Stellen des Galvanofensters mit der Stromdichtesonde erreicht werden können.The current density probes are generally suitable for mobile and stationary use. Mobile use is used, for example, for ongoing production monitoring. The current density probe is manually held to the points on the galvanic window that are of interest with regard to the local current densities. Stationary use is suitable for sample measurements and for optimizing electrolytic cells. The mobile and stationary current density probes differ in the way they are placed on the surface 8 of the material 7, or in the way they are attached to the material 7. The mobile current density probe is preferably attached to a rod. Using the rod, the operator can manually hold it to all points on the material 7, which is, for example, in an electrolytic immersion bath, and bring it into contact with the surface 8. The electrical conductors are arranged in or on the rod. The length of the rod must be large enough that all points on the galvanic window can be reached with the current density probe.
Zur Stromdichtemessung mit stationären Stromdichtesonden werden bevorzugt Testplatten verwendet. Die Stromdichtesonden werden außerhalb der elektrolytischen Zelle an den zu messenden Stellen des Galvanofensters auf den Testplatten platziert und befestigt. Ein mit Testgut derartig vorbereiteter Warenträger wird in die zu messende elektrolytische Zelle eingefahren. Dort werden die Sender 18 aktiviert oder die Meßgeräte 14 an die Stromdichtesonde 1 angeschlossen. Damit ist die elektrolytische Zelle für ihre Optimierung vorbereitet. Alle chemisch oder physikalisch wirkenden Maßnahmen werden zu Testzwecken verändert. Die Reaktionen der örtlichen Stromdichten werden sofort erkannt und gemessen. Somit kann der Einfluß von z.B. unterschiedlichen Blenden, Strömungen, Lufteinblasungen, Anodenabmessungen u.a. während des Prozesses beobachtet werden.Test plates are preferably used for current density measurement with stationary current density probes. The current density probes are placed and attached to the test plates outside the electrolytic cell at the points of the galvanic window to be measured. A product carrier prepared in this way with test material is inserted into the electrolytic cell to be measured. There, the transmitters 18 are activated or the measuring devices 14 are connected to the current density probe 1. The electrolytic cell is thus prepared for optimization. All chemically or physically effective measures are changed for test purposes. The reactions of the local current densities are immediately recognized and measured. In this way, the influence of, for example, different apertures, currents, air injection, anode dimensions, etc. can be observed during the process.
Die Figuren 3a bis 3d zeigen in der Seitenansicht Ausführungsformen der Stromdichtesonde 1, die scheibenförmig und mit runden oder länglichen Meßflächen 6 ausgeführt sind. Figures 3a to 3d show, in side view, embodiments of the current density probe 1, which are disk-shaped and have round or elongated measuring surfaces 6.
Die Figur 3a zeigt eine mobile Stromdichtesonde 1, die an einem Stiel 17 befestigt ist. Mit Hilfe des Stieles 17 wird die Kontaktfläche 12 manuell an die Oberfläche 8 des Gutes 7 angedrückt, das heißt berührend kontaktiert. In der in Figure 3a shows a mobile current density probe 1 which is attached to a rod 17. With the help of the rod 17, the contact surface 12 is manually pressed against the surface 8 of the material 7, i.e. contacted. In the
&ngr; &ngr; wv rvv ^ ^ &ngr; T&ngr;&ngr; wv rvv ^ ^ &ngr; T
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Lagen aufgebauten Stromdichtesonde ist der Shunt integriert. Der Shunt kann als widerstandsbehafteter Leiterzug kostengünstig hergestellt werden. Bei einer Ausführung als vergrabener Widerstand, wie er aus der Leiterplattenfertigung bekannt ist, wird im Vergleich zum Leiterzug ein kleinerer Temperaturkoeffizient erreicht. Die Verwendung eines SMD Bauelementes als Shunt mit kleinem Temperaturkoeffizient und kleiner Widerstandstoleranz ist ebenfalls möglich. Die elektrischen Leitungen 19 zur Übertragung des Meßsignales vom Shunt zum Meßgerät 14 können im oder am Stiel 17 angeordnet sein. Alle Verbindungsstellen der Einzelteile der Stromdichtesonde, die sich im Elektrolyten befinden, sind durch Dichtungen oder mittels einer Dichtmasse oder Vergußmasse gegen das Eindringen von Elektrolyt geschützt. Vorteilhaft ist bei der mobilen Stromdichtesonde, dass der Ort der Stromdichtemessung innerhalb des Galvanofensters nicht vorbestimmt werden muß.
In Figur 3b ist die Stromdichtesonde 1 an einer Testplatte 20, z.B. einer Leiterplatte mittels eines Dauermagneten 21 befestigt. In der Stromdichtesonde, die als Multilayer ausgeführt ist, befindet sich mindestens eine ferromagnetische Lage 22. Zur Befestigung der Stromdichtesonde wird an der anderen Seite der Testplatte 20 ein Dauermagnet 21 angebracht, der die Stromdichtesonde 1 fest an die Testplatte 20 anzieht und mit der rückseitigen Kontaktfläche 12 kontaktiert. Bei ferromagnetischem Gut kann der Magnet in der Stromdichtesonde integriert sein.The shunt is integrated in the current density probe, which is constructed in 3 layers. The shunt can be manufactured inexpensively as a resistive conductor track. In a design as a buried resistor, as is known from circuit board production, a smaller temperature coefficient is achieved compared to the conductor track. The use of an SMD component as a shunt with a small temperature coefficient and small resistance tolerance is also possible. The electrical lines 19 for transmitting the measurement signal from the shunt to the measuring device 14 can be arranged in or on the stem 17. All connection points of the individual parts of the current density probe that are in the electrolyte are protected against the ingress of electrolyte by seals or by means of a sealing compound or potting compound. The advantage of the mobile current density probe is that the location of the current density measurement within the galvanic window does not have to be predetermined.
In Figure 3b, the current density probe 1 is attached to a test plate 20, e.g. a circuit board, by means of a permanent magnet 21. The current density probe, which is designed as a multilayer, contains at least one ferromagnetic layer 22. To attach the current density probe, a permanent magnet 21 is attached to the other side of the test plate 20, which firmly attracts the current density probe 1 to the test plate 20 and contacts the rear contact surface 12. In the case of ferromagnetic material, the magnet can be integrated in the current density probe.
Die Figur 3c zeigt eine mobile Stromdichtesonde 1, die zusammen mit einem vor Ort-Verstärker 16 an einem Stiel 17 befestigt ist. Der Stiel kann ein Rohr aus Metall oder Kunststoff sein. Im Rohr können die elektrischen Leitungen 19 geführt werden. Bei einem massiven Stiel 17 verlaufen die Leitungen 19 außen entlang des Stieles zum Meßgerät 14. Figure 3c shows a mobile current density probe 1 which is attached to a rod 17 together with an on-site amplifier 16. The rod can be a tube made of metal or plastic. The electrical cables 19 can be guided in the tube. In the case of a solid rod 17, the cables 19 run along the outside of the rod to the measuring device 14.
In Figur 3d wird die Stromdichtesonde 1 mittels eines Gewindezapfens 23 an die zu messende Testplatte 20 geschraubt. Der Gewindezapfen 23 befindet sich senkrecht an der Kontaktfläche 12 der Stromdichtesonde 1. Er wird durch ein Loch in der Testplatte 20 geführt und mittels einer Mutter 24 von der anderen Seite der Testplatte angeschraubt. In allen Fällen sind die Verstärker 16 und die elektrischen Anschlüsse 19 durch geeignete Vergußmassen 25 und Werkstoffe vor korrosiver Zerstörung durch den Elektrolyten geschützt.In Figure 3d, the current density probe 1 is screwed to the test plate 20 to be measured by means of a threaded pin 23. The threaded pin 23 is located vertically on the contact surface 12 of the current density probe 1. It is guided through a hole in the test plate 20 and screwed on from the other side of the test plate by means of a nut 24. In all cases, the amplifiers 16 and the electrical connections 19 are protected from corrosive destruction by the electrolyte by suitable casting compounds 25 and materials.
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In der Figur 4 wird als Beispiel eine weitere mobile Stromdichtesonde dargestellt. In der Draufsicht ist die Lage des vor Ort-Verstärkers unter einer Abdekkung 26 zwischen dem gespreizten Stiel 17 zu sehen. Die elektrischen Verbindungen vom und zum vor Ort-Verstärker erfolgen mittels einer mehrpoligen elektrischen Leitung 29. Die Vergußmasse 25 schützt vor dem Eindringen von Elektrolyt in die Stromdichtesonde. Der Stiel wird z.B. mittels Senkschrauben 30 an die Stromdichtesonde angeschraubt. Von der Meßfläche 6 wird der Strom Is in mindestens einer strukturierten Innenlage als elektrischer Leiter und in Serie zu einem Shunt in Miniaturausführung geleitet, der in der Nähe des Verstärkers angeordnet ist. Von dort gelangt der Strom über einen weiteren elektrischen Leiter an die Unterseite der Stromdichtesonde 1, das heißt an die Kontaktfläche 12. Die Oberseite 27 der Stromdichtesonde wird, mit Ausnahme der Meßfläche 6, auch auf das Potential der umgebenden Oberfläche 8 des Gutes gelegt, d.h. diese Oberseite 27 ist mit der Kontaktfläche 12 elektrisch verbunden. Lediglich ein schmaler Isoliersteg 28 trennt die Meßfläche 6 von der übrigen Oberseite 27. Die Meßfläche 6 kann von beliebiger Gestalt sein. Bevorzugt wird jedoch eine runde oder längliche Ausführung. Die dargestellte längliche Form ist bei der mobilen Ausführung vorteilhaft, weil damit das parallele Berühren und Kontaktieren der Oberfläche 8 des Gutes 7 erleichtert wird. Eine eckige Ausführung der Meßfläche 6 soll vermieden werden. Die Ecken könnten durch die Spitzenwirkung Feldlinien ablenken. Figure 4 shows another mobile current density probe as an example. The top view shows the position of the on-site amplifier under a cover 26 between the spread-out stem 17. The electrical connections from and to the on-site amplifier are made by means of a multi-pole electrical cable 29. The casting compound 25 protects against the penetration of electrolyte into the current density probe. The stem is screwed to the current density probe using countersunk screws 30, for example. The current Is is conducted from the measuring surface 6 in at least one structured inner layer as an electrical conductor and in series to a miniature shunt that is arranged near the amplifier. From there, the current passes via another electrical conductor to the underside of the current density probe 1, i.e. to the contact surface 12. The top side 27 of the current density probe is, with the exception of the measuring surface 6, also connected to the potential of the surrounding surface 8 of the material, i.e. this top side 27 is electrically connected to the contact surface 12. Only a narrow insulating bar 28 separates the measuring surface 6 from the rest of the top side 27. The measuring surface 6 can have any shape. However, a round or elongated design is preferred. The elongated shape shown is advantageous in the mobile version because it makes it easier to touch and contact the surface 8 of the material 7 in parallel. A square design of the measuring surface 6 should be avoided. The corners could deflect field lines due to the tip effect.
Der Stiel 17 kann auch aus einem Rohr ausgeführt sein. Das Rohrende, das zur Stromdichtesonde weist, erhält einen angeschweißten Flansch, der mit Löchern versehen ist. Die Löcher dienen zur Schraubverbindung des Flansches und einer Dichtung mit der Stromdichtesonde. Das Rohr ist an diesem Ende so gebogen oder schräg geschnitten, dass es annähernd parallel zur Richtung der Kontaktfläche der Stromdichtesonde verläuft. Im Rohr verlaufen die elektrischen Leitungen. Im Bereich des Rohrendes und des Flansches befindet sich gegebenenfalls der vor Ort-Verstärker. Das Rohr und der Flansch bilden zugleich die Abdeckung 26.The stem 17 can also be made of a tube. The end of the tube facing the current density probe has a welded flange provided with holes. The holes are used to screw the flange and a seal to the current density probe. The tube is bent or cut at an angle at this end so that it runs approximately parallel to the direction of the contact surface of the current density probe. The electrical cables run in the tube. The on-site amplifier, if necessary, is located in the area of the tube end and the flange. The tube and the flange also form the cover 26.
Beim Messen der Stromdichte wird die Meßfläche 6 galvanisiert. Dies geschieht auch dann, wenn die Meßzeit kurz ist. Nach etwa 10 Stunden Meßzeit müssenWhen measuring the current density, the measuring surface 6 is galvanized. This also happens when the measuring time is short. After about 10 hours of measuring time,
die Oberflächen der Stromdichtesonde wieder entmetallisiert werden. Hierzu eignet sich eine chemische Entmetallisierung. Dafür werden die Oberflächen der Stromdichtesonde durch eine Edelmetallschicht z.B. aus Gold geschützt. Dies verhindert eine Zerstörung der Stromdichtesonde auch bei einem zu langen Entmetallisieren.the surfaces of the current density probe are demetallized again. Chemical demetallization is suitable for this. The surfaces of the current density probe are protected by a precious metal layer, e.g. made of gold. This prevents the current density probe from being destroyed even if the demetallization takes too long.
Bei den Stromdichtemessungen ist es ausreichend, wenn die Berührung der rückseitigen Kontaktfläche 12 mit der Oberfläche 8 des Gutes 7 nur punktförmig erfolgt. Bei Produktionsgut besteht dann allerdings die Gefahr, dass die Oberfläche 8 des Gutes 7 durch den Kontaktpunkt beschädigt wird. Deshalb ist das Aufliegen und Kontaktieren einer möglichst großen Kontaktfläche 12 an der Oberfläche 8 zu bevorzugen.When measuring the current density, it is sufficient if the rear contact surface 12 only comes into contact with the surface 8 of the product 7 at a point. However, with production products there is a risk that the surface 8 of the product 7 will be damaged by the contact point. It is therefore preferable to have as large a contact surface 12 as possible resting on and making contact with the surface 8.
Für die Größe der Meßfläche muss ein Kompromiss zwischen der örtlichen Auflösung und dem Störabstand gewählt werden. Bei Meßflächen zwischen 0,0025 dm2 und 2,5 dm2 ist für Stromdichten von 1 A/dm2 bis 50 A/dm2 das Meßsignal für den Störabstand groß genug, bei gleichzeitig ausreichender örtlicher Auflösung der Stromdichte. Wenn ein sehr großer Bereich der Stromdichte zu messen ist, dann empfiehlt es sich, einen Meßverstärker zu verwenden, der in der Verstärkung umschaltbarer ist, beispielsweise um den Faktor 10 oder 100.For the size of the measuring area, a compromise must be chosen between the local resolution and the signal-to-noise ratio. For measuring areas between 0.0025 dm 2 and 2.5 dm 2, the measuring signal is large enough for the signal-to-noise ratio for current densities of 1 A/dm 2 to 50 A/dm 2 , while at the same time providing sufficient local resolution of the current density. If a very large range of current density is to be measured, it is recommended to use a measuring amplifier with switchable gain, for example by a factor of 10 or 100.
Die beschriebenen Stromdichtesonden eignen sich zur Messung der Stromdichte an ebenem Gut wie z.B. Leiterplatten. Prinzipiell können auch geformte Teile wie z.B. Hohlwaren gemessen werden, wenn die Meßfläche annähernd die Form des Gutes an der Stelle annimmt, an der die Stromdichte gemessen werden soll.The current density probes described are suitable for measuring the current density on flat objects such as circuit boards. In principle, shaped parts such as hollow goods can also be measured if the measuring surface approximately takes on the shape of the object at the point where the current density is to be measured.
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2003
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Cited By (2)
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| DE102018004841B3 (en) * | 2018-06-13 | 2019-08-01 | Hooshiar Mahdjour | Method and device for the automated regulation of the flows in a galvanic bath |
| DE102018004841B9 (en) * | 2018-06-13 | 2020-12-03 | Hooshiar Mahdjour | Method and device for the automated regulation of the currents in an electroplating bath |
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