EP0868545B1

EP0868545B1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur erzeugung von strompulsen zur elektrolytischen metallabscheidung

Info

Publication number: EP0868545B1
Application number: EP96934478A
Authority: EP
Inventors: Egon Hübel
Original assignee: Atotech Deutschland GmbH and Co KG
Current assignee: Atotech Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 1999-10-27
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: BR9612163A; DE59603510D1; US6132584A; JP4028892B2; WO1997023665A1; ATE186081T1; JP2000505145A; KR100465545B1; CZ290052B6; CN1093337C; EP0868545A1; ES2139388T3; CZ170098A3; KR19990071793A; CA2241055A1; DE19547948C1; HK1017392A1; CN1205745A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von kurzen, sich zyklisch wiederholenden Strompulsen mit großer Stromstärke und mit großer Flankensteilheit. Ferner betrifft sie eine Schaltungsanordnung zur elektrolytischen Metallabscheidung, insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens. Anwendung findet das Verfahren bei der elektrolytischen Metallabscheidung, vorzugsweise beim vertikalen oder horizontalen Galvanisieren von Leiterplatten. Diese Art des Galvanisierens wird als Pulse-Plating bezeichnet.

Bekannt ist, daß mit Hilfe von pulsartigen Strömen das elektrolytische Abscheiden von Metallen beeinflußt werden kann. Dies betrifft die chemischen und physikalischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten. Es betrifft aber auch die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke der Metalle auf der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes, die sogenannte Streuung. Folgende Parameter des pulsierenden Galvanisierstromes beeinflussen diese Eigenschaften:

Pulsfrequenz
Pulszeiten
Pausenzeiten
Pulsamplitude
Pulsanstiegszeit
Pulsabfallzeit
Pulspolarität (galvanisieren, entmetallisieren)

In der Druckschrift DE 27 39 427 A1 wird das Galvanisieren mit pulsierendem Badstrom beschrieben. Die unipolaren Pulse haben hier eine Dauer von maximal 0,1 Millisekunde. Variabel sind die Pulszeit, die Pausenzeit sowie die Pulsamplitude. Zur Erzeugung dieser Pulse dienen Halbleiterschalter, hier in Form von Transistoren. Nachteilig dabei ist, daß durch den Einsatz von Schalttransistoren der maximal anwendbare pulsierende Badstrom technisch und wirtschaftlich begrenzt ist. Die obere Grenze liegt etwa bei einigen hundert Ampere.

Diesen Nachteil vermeidet das in der Druckschrift DE 40 05 346 A1 beschriebene Verfahren. Zur Erzeugung der Stromimpulse werden hier abschaltbare Thyristoren als schnelle Schaltelemente (GTO: Gate tum off thyristor) verwendet. Technisch verfügbare GTO's eignen sich für Ströme bis zu 1.000 Ampere und mehr.

In beiden Fällen ist der technische Aufwand zu spiegeln, d. h. zu verdoppeln, wenn bipolare Pulse benötigt werden. In der Druckschrift GB-A 2 214 520, die sich ebenfalls mit dem Pulse-Plating befaßt, wird in einer Ausführungsform eine zweite Badstromquelle vermieden, indem zur Umpolung der eingespeisten Gleichspannung mechanische, elektromechanische oder Halbleiterschalter verwendet werden. Die erforderlichen Hochstromschalter sind jedoch nachteilig. Außerdem ist dieses System unflexibel, da in beiden Polaritäten mit gleicher Stromamplitude gearbeitet werden muß, denn bei kurzen Hochstrompulsen kann in den praktisch verfügbaren Badstromquellen die Amplitude nicht schnell genug nachgeregelt werden. Deshalb wird auch in einer weiteren Ausführungsform in dieser Druckschrift mit zwei unabhängig voneinander einstellbaren Badstromquellen gearbeitet. Diese Badstromquellen sind über einen Umschalter mit dem in der elektrolytischen Zelle befindlichen Werkstück und der Elektrode verbunden. Da es bei der Leiterplattengalvanisierung aus Gründen der geforderten Präzision (Schichtdickenkonstanz) notwendig ist, für die Plattenvorderseite und für die Plattenrückseite individuell einstellbare Badgleichstromquellen zu verwenden, verdoppelt sich somit der Aufwand, der für die Realisierung des Verfahrens nach dieser Ausführungsform erforderlich ist, auf insgesamt vier Badstromquellen.

Neben diesem hohen technischen Aufwand, insbesondere für die jeweils zweite Badstromquelle pro Leiterplattenseite, verursachen die elektronischen Hochstromschalter große Energieverluste. An jedem elektronischen Schalter entsteht im eingeschalteten Zustand am inneren nichtlinearen Widerstand bei Stromfluß ein Spannungsabfall. Dies gilt für alle Arten von Halbleiterelementen gleichermaßen, jedoch mit unterschiedlich großem Spannungsabfall. Mit zunehmendem Strom wird dieser Spannungsabfall, auch Sättigungsspannung oder Flußspannung U_F genannt, größer. Bei den in der Galvanotechnik im allgemeinen angewandten Strömen, z. B. bei 1.000 Ampere, beträgt die Flußspannung U_F bei Dioden und Transistoren etwa 1 Volt und bei Thyristoren etwa 2 Volt. Die Verlustleistung P_V an jedem dieser Halbleiterelemente wird nach der Formel P_V = U_F x I_G berechnet, wobei I_G der Galvanisierstrom ist. Mit I_G = 1.000 A erreicht die Verlustleistung P_V 1.000 Watt bis 2.000 Watt. Die durch die elektronischen Schalter zusätzlich entstehende Wärme muß durch Kühlung abgeführt werden. In der eigentlichen Badstromquelle entsteht ebenfalls eine Verlustleistung mindestens in der gleichen Größenordnung, die unvermeidlich ist. Diese Verluste sollen in die weiteren Betrachtungen nicht einbezogen werden. Nachfolgend werden nur die zur Pulserzeugung zusätzlich aufzubringenden Verlustleistungen betrachtet.

Eine Galvanisieranlage besteht aus mehreren Galvanisierzellen. Sie werden mit großen Badströmen gespeist. Als Beispiel soll eine Horizontalanlage zur Abscheidung von Kupfer auf Leiterplatten aus sauren Elektrolyten betrachtet werden. Die Anwendung der Pulstechnik verbessert die Menge der Kupferabscheidung in den feinen Löchern der Leiterplatten ganz wesentlich. Als besonders wirksam hat es sich erwiesen, wenn die Polarität der Pulse zyklisch gewechselt wird. Bei kathodischer Polarität des Behandlungsgutes wird z. B. mit Strompulsen von 10 Millisekunden Pulsdauer gearbeitet. Diesem Puls kann ein anodischer Puls mit einer Dauer von einer Millisekunde folgen. Beim pulsartigen kathodischen Metallisieren wird vorzugsweise eine Stromdichte gewählt, die größer oder gleich der Stromdichte ist, die mit diesem Elektrolyten beim Gleichstromgalvanisieren angewendet wird.Während der kurzen anodischen Strompulse findet ein Entmetallisierungsvorgang mit einer wesentlich höheren Stromdichte als während der kathodischen Pulsphase statt. Vorteilhaft ist etwa der Faktor 4 der anodischen zur kathodischen Pulsphase.

Die Leiterplatten werden beidseitig, d. h. an ihren Vorder- und Rückseiten mit getrennten Badstromversorgungen galvanisiert. Als Beispiel werden fünf elektrolytische Bäder einer horizontalen Galvanisieranlage betrachtet. Sie haben je Seite beispielsweise fünf Badstromversorgungseinheiten mit je 1.000 Ampere Nennstrom, d. h. 10 Badstromversorgungsgeräte mit insgesamt 10.000 Ampere. Die Badspannung zum Galvanisieren liegt bei sauren Kupferelektrolyten bei 1 bis 3 Volt und ist stromdichteabhängig. Wegen der hohen Ströme wird als Beispiel die Energiebilanz für den Schaltungsvorschlag in der Druckschrift DE 40 05 346 A1 betrachtet (Fig.7). Ein mit dieser Schaltungsanordnung erzeugter positiver Puls als Galvanisierpuls mit einer Dauer von t = 10 Millisekunden und ein negativer Puls als Entmetallisierungspuls mit einer wesentlich größeren Amplitude mit einer Dauer von t = 1 Millisekunden werden für die nachfolgende Betrachtung zugrundegelegt. Ungenauigkeiten durch geringe Flankensteilheiten werden hierbei vernachlässigt. Somit führen für die Dauer von 10 Millisekunden die Halbleiterelemente 6, 9, 5 in der in Fig. 7 dargestellten Schaltungsanordnung den vollen Galvanisierstrom. Die Verlustleistung dieser Schaltelemente beträgt je Badstromversorgung mit den oben angegebenen Flußspannungen U_F in Höhe von (2Volt + 1Volt + 2Volt) x 1.000 Ampere = 5.000 Watt. Für die Dauer von 1 Millisekunde führen dann die Halbleiterelemente 7 und 8 gemäß Aufgabenstellung den vierfachen Strom. Diese Verlustleistung beträgt P_v =(2Volt + 2Volt) x 4.000 Ampere = 16.000 Watt. Die mittlere Hochstromschalter-Verlustleistung eines 11 Millisekunden langen Zyklus liegt damit bei 6.000 Watt. Mit 10 Badstromversorgungen ergibt dies eine Verlustleistung von 60 kW (kilo Watt). Zur Wirkungsgradbestimmung ist diese Leistung mit der Leistung zu vergleichen, die zum Galvanisieren und zum Entmetallisieren direkt am elektrolytischen Bad umgesetzt wird. Die Badspannungen werden hierzu für saure Kupferbäder mit 2 Volt zum Galvanisieren und mit 7 Volt zum Entmetallisieren angenommen. Damit beträgt der Mittelwert der Badgesamtleistung zum Pulsgalvanisieren ca. 4,5 kW (für 10 Millisekunden 2 Volt x 1.000 Ampere und für 1 Millisekunden 7 Volt x 4.000 Ampere). Mit den oben berechneten Verlusten in Höhe von 6 kW liegt somit allein der Wirkungsgrad der Hochstromschalter, bezogen auf die Badgesamtleistung, deutlich unter 50 %.

Eine derart mit elektronischen Hochstromschaltern ausgerüstete Galvanisieranlage arbeitet völlig unwirtschaftlich. Zudem ist der technische Aufwand für die elektronischen Schalter und deren Kühlung sehr groß. Dies hat zur Folge, daß derartige Pulsstromgeräte auch ein großes Volumen haben, was einem räumlich nahen Aufstellen an der elektrolytischen Zelle entgegensteht. Die räumliche Nähe ist aber notwendig, um in der Zelle an den Elektroden die geforderte Flankensteilheit des Badstromes zu erzielen. Lange elektrische Leiter wirken mit ihren parasitären Induktivitäten einem schnellen Stromanstieg entgegen.

Elektromechanische Schalter haben im Vergleich zu den elektronischen Schaltern einen deutlich geringeren Spannungsabfall im geschalteten Zustand. Schalter bzw. Schütze sind jedoch für die geforderte hohe Pulsfrequenz in Höhe von 100 Hertz völlig ungeeignet. Aus den beschriebenen technischen Gründen beschränkt sich das bekannte Pulsgalvanisieren auf spezielle Anwendungen und vorzugsweise auf im galvanotechnischen Sinne niedrige Pulsströme.

Der vorliegenden Erfindung liegt von daher das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zu finden, mit denen es möglich ist, kurze, sich zyklisch wiederholende uni- oder bipolare pulsförmige hohe Ströme zum Galvanisieren zu erzeugen, ohne daß die genannten Nachteile auftreten, insbesondere ohne daß diese mit erheblicher Verlustleistung erzeugt werden. Außerdem soll die hierfür erforderliche elektronische Schaltung auch kostengünstig realisiert werden.

Gelöst wird das Problem durch die in den Patentansprüchen 1 und 11 angegebene Erfindung.

Die Erfindung besteht darin, daß in einen Galvanisiergleichstromkreis, kurz Hochstromkreis genannt, umfassend eine Badgleichstromquelle, elektrische Leiter und eine elektrolytische Zelle mit dem Galvanisiergut und Anode auf induktivem Wege mittels eines geeigneten Bauelements, beispielsweise eines Stromtransformators, ein pulsförmiger Strom derart gepolt eingekoppelt wird, daß der Badgleichstrom kompensiert oder überkompensiert wird. Das Bauelement wird mit der elektrolytischen Galvanisierzelle in Reihe geschaltet. Beispielsweise wird hierzu die Stromtransformator-Sekundärwicklung mit niedriger Windungszahl in den Badgleichstromkreis in Serie so geschaltet, daß sie vom Badgleichstrom durchflossen wird. Primärseitig weist der Stromtransformator eine hohe Windungszahl auf, so daß die sie speisenden Pulse entsprechend des Übersetzungsverhältnisses einen niedrigen Strom mit hoher Spannung haben können. Die induzierte pulsförmige niedrige Sekundärspannung treibt den hohen Kompensationsstrom. Zum Schließen des Stromkreises für den pulsförmigen Kompensationsstrom dient ein Kondensator, der parallel zur Badgleichstromquelle geschaltet ist.

Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert. Es zeigen:

Figuren 1a bis 1e: unipolare und bipolare Galvanisierstromverläufe, so wie sie üblicherweise in der Praxis eingesetzt werden;
Figuren 2a und 2b: Schaltungsanordnung zur Einspeisung des Kompensationsstromes in den Hochstromkreis; Figur 2a gilt während des Galvanisierens und Figur 2b während des Entmetallisierens;
Figur 3: eine schematische Darstellung des Stromdiagramms für den Badstrom bei Verwendung der in Figur 2 dargestellten Schaltungsanordnung;
Figur 4a: Spannungsverläufe im Hochstromkreis unter Berücksichtigung der Anstiegs- und Abfallzeiten;
Figur 4b: ein elektrisches Schaltbild mit eingetragenen Potentialen;
Figur 5: eine mögliche Ansteuerungsschaltung für den Stromtransformator;
Figur 6: eine Gesamtansicht der Schaltungsanordnung zur Anwendung zum Galvanisieren von Leiterplatten,
In Figur 7: ist ist eine herkömmliche Schaltungsanordnung, beschrieben in DE 40 05 346 A1, dargestellt.

In den Figuren soll ein positiv gezeichneter Badstrom für das elektrolytische Metallisieren gelten, d. h. das Behandlungsgut ist gegenüber der Anode negativ gepolt. Ein negativ gezeichneter Badstrom soll für das elektrolytische Entmetallisieren gelten. Das Behandlungsgut ist in diesem Fall gegenüber der Anode positiv gepolt.

Das Diagramm in Figur 1a gilt für das Galvanisieren mit Gleichstrom. In Figur 1b wird der Badstrom kurzzeitig unterbrochen. Er bleibt jedoch unipolar, das heißt die Stromrichtung wird nicht umgepolt. Die Pulszeiten liegen vorzugsweise in der Größenordnung von 0,1 Millisekunden bis zu Sekunden. Die Pausenzeiten sind entsprechend kürzer. Figur 1c zeigt einen pulsförmigen unipolaren Strom mit unterschiedlichen Amplituden. Figur 1d zeigt einen bipolaren, das heißt kurzzeitig umgepolten pulsförmigen Strom mit einer langen Galvanisierzeit und mit einer kurzen Entmetallisierzeit. Die Entmetallisierungsamplitude beträgt hier ein Vielfaches der Metallisierungsamplitude. Insgesamt fließt jedoch bei einer Galvanisierzeit von z. B. 10 Millisekunden und bei einer Entmetallisierzeit von 1 Millisekunde ein deutlicher Überschuß der für die Galvanisierung gegenüber der für die Entmetallisierung benötigten Ladungsmenge. Diese Pulsform ist für das beidseitige Galvanisieren von Leiterplatten mit feinen Löchern bevorzugt geeignet. In Figur le ist eine doppelte Pulsform dargestellt, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt werden kann. Unipolare Pulse wechseln hier mit bipolaren Pulsen ab.

Die Galvanisierzelle stellt für den Galvanisierstrom in guter Näherung eine ohmsche Last dar. Bei einer Badstromversorgung gemäß Figur 1b sind deshalb Badstrom und Badspannung in Phase. Die geringen parasitären Induktivitäten der elektrischen Leiter zur elektrolytischen Zelle und zur Stromquelle zurück sind vernachlässigbar. Pulsströme beinhalten dagegen Wechselströme. Mit zunehmender Flankensteilheit der Pulse wird der Anteil der hohen Frequenzen der Wechselströme größer. Steile Pulsflanken haben eine kurze Pulsanstiegs- und -abfallzeit. Die Leitungsinduktivitäten stellen induktive Widerstände für diese Wechselströme dar. Sie verzögern die Pulsflanken. Diese Effekte werden im nachfolgenden jedoch nicht betrachtet. Sie sind unabhängig von der Art der Pulserzeugung und daher immer gleich, wenn keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden. Die einfachsten Maßnahmen bestehen darin, sehr kurze elektrische Leitungen mit sehr niedrigen ohmschen und induktiven Widerständen zu verwenden. In den Figuren wird zur Vereinfachung der Zeichnung der Galvanisierstrom immer in Phase mit der Spannung dargestellt bzw. angenommen.

Die Figuren 2a und 2b zeigen die erfindungsgemäße Einspeisung des pulsförmigen Kompensationsstromes mittels des Stromtransformators 1. Die Badgleichstromquelle 2 ist durch elektrische Leiter 3 mit dem elektrolytischen Bad, das hier als Badwiderstand R_B mit der Bezugszahl 4 dargestellt ist, verbunden. In diesen Hochstromkreis 5 ist die Sekundärwicklung 6 des Stromtransformators 1 in Serie mit dem elektrolytischen Bad geschaltet. Die Primärseite 7 des Trafos wird von einer Leistungs-Pulselektronik 8 gespeist. Die Leistungs-Pulselektronik 8 wird über den Netzspannungsanschluß 9 mit Energie versorgt. Die Strom- und Spannungsverläufe für die Pulse gemäß Figur 1d entsprechen prinzipiell auch den Pulsformen der anderen Diagramme in Figur 1. Sie unterscheiden sich nur in der momentanen Größe des Kompensationsstromes. Deshalb werden die zu Figur 1d gehörenden Spannungen bzw. Ströme in die nachfolgenden Figuren eingezeichnet und betrachtet.

Die Figur 2a zeigt den Betriebszustand während des Galvanisierens. Als ein Beispiel sind Potentiale in Klammern eingezeichnet. Der Kondensator C ist auf die Spannung U_C ≈ U_GR aufgeladen. Die Spannung U_TS am Stromtransformator 1 beträgt 0 Volt. Damit liegt, von Spannungsabfällen an den Leitungswiderständen und am Widerstand der Sekundärwicklung 6 abgesehen, die Gleichrichterspannung U_GR am Badwiderstand R_B an und bewirkt den Galvanisierstrom I_G. Dieser temporäre Zustand entspricht dem Galvanisieren mit Gleichstrom. Im Hochstromkreis 5 werden erfindungsgemäß keine Schalter benötigt.

Figur 2b zeigt den Betriebszustand während des Entmetallisierens. Die Potentiale können nicht mehr statisch betrachtet werden. Deshalb werden in Figur 2b die Potentiale für das zeitliche Ende des Entmetallisierungspulses in Klammern eingetragen. Ausgangspunkt sind die Potentiale der Figur 2a. Die Leistungs-Pulselektronik 8 speist die Primärwicklung 7 des Stromtransformators 1 mit einem sich zeitlich in der Amplitude ändernden Strom. Die Stromflußzeit entspricht der Dauer des Kompensationsstromflusses im Hauptstromkreis 5. Die Primärspannung U_TP am Transformator ist so groß, daß entsprechend der Transformatorwindungszahlen sekundär eine Transformatorpulsspannung U_TS erzielt wird, die in der Lage ist, den geforderten Kompensationsstrom I_K zu treiben. Dabei wird der Kondensator C mit der Zeitkonstante T = R_B x C, von der Spannung U_C ≈ U_GR ausgehend, weiter mit der Spannung U_TS aufgeladen. Der Ladestrom ist der Kompensationsstrom I_K und zugleich der Entmetallisierungsstrom I_E. Bei großer Kapazität des Kondensators C kann die Spannungsanhebung in der kurzen Zeit des Ladestromflusses niedrig gehalten werden. Anstelle des Kondensators C kann grundsätzlich auch ein Akkumulator Verwendung finden. Die Badgleichstromquelle 2, bestehend aus einer Gleichrichterbrückenschaltung schaltet sich für die Dauer der Entmetallisierzeit selbsttätig ab, weil durch die Aufladung die Spannung U_C > U_GR wird. Ohne daß zusätzliche Schaltelemente verwendet werden, speist die Gleichstromquelle 2 während der Zeitspanne, in der der Badstrom I_GR durch die induzierte Spannung U_TS in den Stromkreis eingespeist wird, daher selbsttätig keinen Strom in den Stromkreis ein. Nach der Stromkompensation wird der Badstrom jedoch von der Gleichstromquelle wieder geliefert. Zur Vermeidung eines kurzzeitigen Rückwärtsstromes im Abschaltmoment bei trägen Gleichrichterelementen in der Badgleichstromquelle 2 kann eine Drossel 11 in den Hochstromkreis 5 eingefügt werden. Auf dem Weg über den Stromtransformator 1 wird die Energie zum Entmetallisieren aufgebracht. Der hohe, jedoch zeitlich kurze Entmetallisierstrom I_E in der Sekundärwicklung 6 wird primär eingespeist. Mit dem Stromtransformator-Übersetzungsverhältnis ü ist der Strom untersetzt.

Hat dieser Transformator ein Untersetzungsverhältnis von z. B. 100 : 1, so sind für einen Kompensationsstrom I_K von 4.000 Ampere primär nur ca. 40 Ampere einzuspeisen. Für die Sekundärspannung U_TS = 10 Volt sind in diesem Beispiel primär ca. 1.000 Volt erforderlich. Die Leistungs-Pulselektronik ist also für eine hohe Spannung und für vergleichsweise niedrige pulsförmige Ströme zu dimensionieren. Dafür stehen kostengünstige Halbleiterbauelemente zur Verfügung. Somit ist auch für den hohen Entmetallisierungsstrom im Hauptstromkreis 5 kein Hochstromschalter notwendig.

Die zur Pulserzeugung aufzuwendende Verlustleistung ist im Vergleich zu bekannten Verfahren sehr gering. Schon die Berechnung der dominierenden Verluste zeigt den Unterschied: In der Leistungs-Pulselektronik zur Erzeugung primärseitiger Pulsströme, u. a. bestehend aus einem elektronischen Schalter mit einer Flußspannung U_F = 2 Volt, beträgt die Schalterverlustleistung P = 40 Ampere x 2 Volt x (ca.) 10 % Stromflußzeit ≈ 8 Watt. Desgleichen sind 8 Watt für den umgekehrten Transformatorstromfluß zur Transformatorsättigung nötig. Bei 10 Badstromversorgungen ergibt sich damit eine Verlustleistung von zusammen etwa 160 Watt. Für den Vergleich der gesamten Schalterverluste der erfindungsgemäßen Schaltung mit den Verlusten der bekannten Schaltungen müssen bei der erfindungsgemäßen Schaltung die Stromtransformatorverluste einbezogen werden. Wird eine sehr gute Kopplung des Transformators z. B. mit einem Schnittband-Ringkern und mit hochpermeablen dünnen Blechen verwendet, so ist mit einem Transformator-Wirkungsgrad von η = 90 % zu rechnen. Daher betragen diese Verluste bei einem Kompensationsstrom von 4.000 Ampere und einer Spannung von 7 Volt mit ca. 10 % Stromflußzeit insgesamt etwa 560 Watt. Damit ergibt sich für 10 erfindungsgemäße Badstromversorgungen eine Gesamtverlustleistung zur Erzeugung des pulsförmigen Galvanisierstromes in Höhe von 160 Watt für die Schalter und 5.600 Watt für die Strom-Transformatoren. In der Summe sind dies für die dominierenden Verluste ca. 6 kilo Watt. Im oben berechneten Beispiel nach dem Stand der Technik waren dies bei Verwendung von 10 Badstromversorgungen dagegen etwa 60 kilo Watt.

Der technische Aufwand zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ebenfalls wesentlich geringer als bei Verwendung herkömmlicher Schaltungsanordnungen. Es werden nur passive Bauelemente mit den hohen Galvanisierströmen und mit den noch höheren Entmetallisierströmen belastet. Dies steigert die Zuverlässigkeit der Pulsstromversorgungsgeräte wesentlich. Derart ausgerüstete Galvanoanlagen haben daher eine deutlich höhere Verfügbarkeit. Erreicht wird das zudem mit wesentlich geringerem Investitionsaufwand. Zugleich ist der fortlaufende Energieverbrauch geringer. Wegen des geringeren technischen Aufwandes ist das Volumen derartiger Pulsgeräte klein, so daß deren Realisierung in Badnähe erleichtert ist. Die Leitungsinduktivitäten des Hauptstromkreises reduzieren sich daher auch auf ein Minimum.

In Figur 3 ist der pulsförmige Stromverlauf an dem Badwiderstand R_B (Galvanisierzelle 20) schematisch dargestellt. Wegen des ohmschen Widerstandes R_B sind hier Badstrom und Badspannung in Phase. Im Zeitpunkt t₁ beginnt der Kompensationsstromfluß. Die Größe und Richtung wird von den Momentanspannungen U_C und U_TS bestimmt. Im Zeitpunkt t₂ endet der Kompensationsstromfluß. Der darauf folgende Galvanisierstrom I_G wird von der Gleichrichterspannung U_GR bestimmt, jeweils in Verbindung mit dem Badwiderstand R_B.

Der zeitliche Verlauf der Spannungen ist in den Diagrammen der Figuren 4 a und 4b genauer dargestellt. Der Galvanisierstrom I_G ist mit der Galvanisierspannung U_G praktisch in Phase. I_G ist wegen des gleichen Verlaufes deshalb nicht eingezeichnet. Zum Zeitpunkt t=0 sind die Gleichrichterspannung U_GR, die Kondensatorspannung U_C und ferner auch die Galvanisierspannung U_G ungefähr gleich. Die Spannung U_TS beträgt zu diesem Zeitpunkt 0 Volt. Im Zeitpunkt t₁ beginnt der Anstieg des Spannungspulses U_TS1 an der Sekundärwicklung 6 des Stromtransformators 1. Die Spannung U_TS1 ist so gepolt, daß die Galvanisierspannung U_G1 negativ wird, so daß entmetallisert werden kann. U_G wird gebildet aus der Summe der Momentanspannungen U_C und U_TS. Die Spannung U_TS ist am Kondensator C in Richtung der bestehenden Ladung gepolt. Der Kondensator C beginnt sich daher auf die Spannung U_TS weiter aufzuladen und zwar mit der Zeitkonstanten T = R_B x C. Im Zeitpunkt t₂ beginnt der Abfall des Spannungspulses U_TS1. Wegen der endlichen Induktivität des Stromtransformator-Sekundärkreises endet der abfallende Spannungspuls nicht an der Nullinie. Durch Spannungsinduktion tritt eine umgekehrt gepolte Spannung U_TS2 auf. Diese addiert sich jetzt mit der Kondensatorspannung U_C. Am Badwiderstand R_B tritt eine kurzzeitige Spannungsüberhöhung U_G2 auf. Der Kondensator C beginnt sich mit der Zeitkonstanten T = R_B x C zu entladen, wobei er zumindest partiell oder auch vollständig entladen wird. Im Zeitpunkt t₃ beträgt die Spannung U_TS daher 0 Volt. Die Badgleichstromquelle U_GR übernimmt wieder die Speisung des Badwiderstands R_B, so daß U_G ≈ U_GR ist. Die Spannungen U_GR, U_C und U_G sind dann wieder ungefähr gleich groß. Die kurzzeitige Spannungsüberhöhung am Badwiderstand R_B ist aus galvanotechnischen Gründen unerwünscht. In der Praxis sind diese Spitze und die weiteren Spitzen, anders als hier dargestellt, deutlich abgerundet. Eine Freilaufdiode parallel zur Sekundärwicklung oder parallel zu einer weiteren Wicklung auf dem Kern des Stromtransformators bewirken bedarfsweise eine weitere Abschwächung der Spannungserhöhung am Badwiderstand R_B. Dafür steht die geringere Überspannung dann länger an. Auf diese bekannten Beschaltungen von Induktivitäten soll hier nicht weiter eingegangen werden, desgleichen auch nicht auf die Konstruktion des Stromtransformators, der als Pulstransformator aufzubauen ist. Pulse sind primärseitig in den Transformator so einzuspeisen, daß eine magnetische Sättigung des Transformatoreisens vermieden wird. Zur Entsättigung steht nach jedem Strompuls in den Pulspausen genügend Zeit zur Einspeisung eines Stromes mit umgekehrter Polarität zur Verfügung. Zu diesem Zweck kann eine zusätzliche Wicklung auf den Transformatorkern aufgebracht werden. Ein Beispiel zur primärseitigen Ansteuerung des Stromtransformators 1 zeigt Figur 5. Eine Hilfsspannungsquelle 12 wird von einem Ladekondensator 13 mit der Kapazität C gestützt. Ein elektronischer Schalter 14, hier ein IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor), wird von Spannungspulsen 15 angesteuert. Im durchgeschalteten Zustand des elektronischen Schalters 14 fließt in die Teilwicklung I der Primärwicklung 7 des Stromtransformators ein Primärstrom und zur Vereinfachung der Schaltung ein Entsättigungsstrom in der Teilwicklung II. Im nicht durchgeschalteten Zustand fließt nur ein Entsättigungstrom in der Teilwicklung II. Zur Aufwandreduzierung wird hier für diesen Strom auf einen möglichen weiteren elektronischen Schalter verzichtet. Die Windungszahlen der Teilwicklungen I und II sowie der Vorwiderstand 17, über den permanent ein Strom geringer Größe fließt, sind aufeinander so abgestimmt, daß eine Sättigung des Transformatoreisens nicht erfolgt. Den primären Strom I_TP zeigt schematisch das Stromdiagramm 18 in der Figur 5.

Figur 6 zeigt die Anwendung der Pulsstromeinheiten 19 in einem Galvanisierbad 20 mit vertikal angeordnetem Galvanisiergut, für das zwei Badgleichstromquellen 2 für die Vorderseite und die Rückseite des flachen Galvanisiergutes, zum Beispiel einer Leiterplatte, verwendet werden. Jede Seite der Leiterplatte 21 wird separat von einer dieser Stromquellen 2 mit Galvanisierstrom versorgt. Jeder Leiterplattenseite ist eine Anode 22 gegenüberliegend angeordnet. Während des kurzen Entmetallisierungspulses arbeiten diese Anoden als Kathoden gegenüber dem Behandlungsgut, das dann anodisch gepolt ist.
Beide Pulsstromeinheiten können zueinander asynchron oder synchron arbeiten. Zur Lochgalvanisierung von Leiterplatten ist es vorteilhaft, wenn die gleichfrequenten Pulsfolgen beider Pulsstromeinheiten synchronisiert sind und wenn zugleich eine Phasenverschiebung der Pulse vorliegt. Die Phasenverschiebung muß derart sein, daß während der Galvanisierphase auf der einen Leiterplattenseite der Entmetallisierungspuls auf der anderen Seite auftritt und umgekehrt. In diesem Falle wird die Metallstreuung, daß heißt die Lochgalvanisierung, verbessert. Die gleichfrequenten Pulsfolgen können aber bei getrennter elektrolytischer Behandlung der Vorder- und der Rückseite des Behandlungsgutes auch asynchron zueinander laufen.

Die Erfindung eignet sich für alle Pulsgalvanisierverfahren. Sie kann in vertikal oder horizontal arbeitenden Galvanisieranlagen, Tauch- und Durchlaufanlagen, zur Anwendung kommen. In letzteren wird plattenförmiges Galvanisiergut während des Behandelns in horizontaler oder vertikaler Lage gehalten. Die in dieser Beschreibung genannten Zeiten und Amplituden können in praktischen Anwendungsfällen in weiten Bereichen geändert werden.

In der Beschreibung verwendete Begriffe:

U_G: Galvanisierspannung
U_GR: Gleichrichterspannung
U_C: Kondensatorspannung
U_TP: Primäre Transformatorpulsspannung
U_TS: Sekundäre Transformatorpulsspannung
U_F: Flußspannung
I_G: Galvanisierstrom
I_E: Entmetallisierstrom
I_K: Kompensationsstrom
P_V: Verlustleistung
ü: Stromtransformator-Übersetzungsverhältnis

Bezugszeichenliste

1: Stromtransformator
2: Badgleichstromquelle
3: Elektrische Leiter
4: Badwiderstand R_B
5: Hochstromkreis
6: Sekundärwicklung des Stromtransformators
7: Primärwicklung des Stromtransformators
8: Leistungs-Pulselektronik
9: Netzanschluß
10: Kondensator mit der Kapazität C
11: Drossel
12: Hilfsspannungsquelle
13: Ladekondensator mit der Kapazität C_L
14: Elektronischer Schalter
15: Spannungsimpulse
16: Spannungsdiagramm
17: Vorwiderstand
18: Stromdiagramm
19: Pulsstromeinheit
20: Galvanisierzelle
21: Behandlungsgut
22: Anode

Claims

Verfahren zur Erzeugung von kurzen sich zyklisch wiederholenden unipolaren oder bipolaren pulsförmigen Strömen I_G, I_E zum Galvanisieren, dadurch gekennzeichnet, daß in einen von einer Gleichstromquelle (2) und einer Galvanisierzelle (20) mit einem Badwiderstand R_B gebildeten Galvanisiergleichstromkreis (5) mittels eines in Reihe mit der Galvanisierzelle (20) geschalteten Bauelements (1) auf induktivem Wege ein pulsförmiger Kompensationsstrom I_k derart gepolt eingekoppelt wird, daß der von der Gleichstromquelle (2) gelieferte Badstrom kompensiert oder überkompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bauelement (1) ein Transformator verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsstrom I_k zur Aufladung eines als Kapazität C wirkenden Bauelements (10), vorzugsweise eines Kondensators oder eines Akkumulators, geführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das als Kapazität C wirkende Schaltungselement (10) während der Zeitspannen, in denen der Badstrom nicht kompensiert oder überkompensiert wird, partiell entladen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von unipolaren Strompulsen die Amplitude des pulsförmigen Kompensationsstromes I_k höchstens so groß eingestellt wird wie die Amplitude des von der Gleichstromquelle (2) gelieferten Badstromes.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von bipolaren Strompulsen die Amplitude des pulsförmigen Kompensationsstromes I_k größer eingestellt wird als die Höhe des von der Gleichstromquelle (2) gelieferten Badstromes.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des pulsförmigen Stromes zum Entmetallisieren I_E größer eingestellt wird als die Amplitude des pulsförmigen Stromes zum Metallisieren I_G und daß die Pulsdauer des Stromes I_E kürzer eingestellt wird als die Pulsdauer des Stromes I_G.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei getrennter elektrolytischer Versorgung der Vorder- und Rückseite eines Galvanisiergutes mit pulsförmigem Stromdie gleichfrequenten Pulsfolgen beider Seiten synchron eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den pulsförmigen Strömen an der Vorder- und Rückseite des Galvanisiergutes eine konstante Phasenverschiebung so eingestellt wird, daß auf beiden Seiten des Galvanisiergutes nicht zugleich entmetallisiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als das in Reihe mit der Galvanisierzelle geschaltete Bauelement (1) ein Ringkern-Stromtransformator verwendet wird.
Schaltungsanordnung zum Galvanisieren, mit der kurze sich zyklisch wiederholende unipolare oder bipolare pulsförmige Ströme I_G, I_E erzeugt werden können, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen von einer Gleichstromquelle (2) und einer Galvanisierzelle (20) gebildeten Galvanisiergleichstromkreis (5), in den mittels eines in Reihe mit der Galvanisierzelle (20) geschalteten Bauelements (1) auf induktivem Wege ein pulsförmiger Kompensationsstrom I_k derart gepolt einkoppelbar ist, daß der von der Gleichstromquelle (2) gelieferte Badstrom kompensiert oder überkompensiert wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine zur Gleichstromquelle (2) parallel geschaltete Kapazität C
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, gekennzeichnet durch einen Stromtransformator als Bauelement (1) mit einer Primärwicklung (7) und einer Sekundärwicklung (6), wobei die Sekundärwicklung in Reihe mit der Gleichstromquelle (2) geschaltet ist und die Primärwicklung eine größere Windungszahl aufweist als die Sekundärwicklung.