EP0868545B1 - Process and circuitry for generating current pulses for electrolytic metal deposition - Google Patents
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- EP0868545B1 EP0868545B1 EP96934478A EP96934478A EP0868545B1 EP 0868545 B1 EP0868545 B1 EP 0868545B1 EP 96934478 A EP96934478 A EP 96934478A EP 96934478 A EP96934478 A EP 96934478A EP 0868545 B1 EP0868545 B1 EP 0868545B1
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
- C25D5/18—Electroplating using modulated, pulsed or reversing current
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Definitions
- the invention relates to a method for generating short, cyclical repetitive current pulses with a large current and with a steep slope. It also relates to a circuit arrangement for electrolytic Metal deposition, especially to carry out this process. application finds the method in electrolytic metal deposition, preferably for vertical or horizontal electroplating of printed circuit boards. This The type of electroplating is referred to as pulse plating.
- the electronic high-current switches cause large energy losses.
- a voltage drop occurs at the internal non-linear resistor when the current flows. This applies equally to all types of semiconductor elements, but with a different voltage drop.
- This voltage drop also called saturation voltage or forward voltage U F , increases with increasing current.
- the forward voltage U F is about 1 volt for diodes and transistors and about 2 volts for thyristors.
- a galvanizing system consists of several galvanizing cells. They will with large streams of baths. As an example, a horizontal system for Deposition of copper on printed circuit boards from acidic electrolytes considered become.
- the use of pulse technology improves the amount of copper deposition in the fine holes in the circuit boards. As It has proven particularly effective if the polarity of the pulses is cyclical is changed. With cathodic polarity of the material to be treated z. B. worked with current pulses of 10 millisecond pulse duration. This pulse can followed by an anodic pulse lasting one millisecond.
- Pulse-like cathodic metallization is preferably a current density chosen that is greater than or equal to the current density that with this electrolyte is used in direct current electroplating during the short anodic A pulse of metallization takes place with an essential higher current density than during the cathodic pulse phase.
- Advantageous is about the factor 4 of the anodic to cathodic pulse phase.
- the circuit boards are galvanized on both sides, ie on their front and rear sides with separate bath power supplies.
- Five electrolytic baths of a horizontal electroplating system are considered as an example. For example, you have five bath power supply units on each side with a nominal current of 1,000 amperes, ie 10 bath power supply units with a total of 10,000 amperes.
- the bath voltage for electroplating is 1 to 3 volts for acidic copper electrolytes and is dependent on the current density. Because of the high currents, the energy balance for the circuit proposal in DE 40 05 346 A1 is considered as an example (FIG. 7).
- the semiconductor elements 6, 9, 5 in the circuit arrangement shown in FIG. 7 thus carry the full electroplating current for a period of 10 milliseconds.
- the semiconductor elements 7 and 8 then carry four times the current according to the task for a period of 1 millisecond.
- the average high-current switch power loss of an 11 millisecond cycle is 6,000 watts. With 10 bath power supplies, this results in a power loss of 60 kW (kilo watts). To determine the efficiency, this performance must be compared with the performance that is implemented directly on the electrolytic bath for galvanizing and demetallizing.
- the bath voltages are assumed for acidic copper baths with 2 volts for electroplating and with 7 volts for demetallization.
- the mean value of the total bath power for pulse electroplating is approximately 4.5 kW (2 volts x 1,000 amperes for 10 milliseconds and 7 volts x 4,000 amperes for 1 millisecond). With the losses of 6 kW calculated above, the efficiency of the high-current switch alone, based on the total bath output, is clearly below 50%.
- Electromechanical switches have compared to the electronic ones Switches a significantly lower voltage drop when switched. However, switches or contactors are in for the required high pulse frequency 100 Hertz is completely unsuitable. From the described technical Known pulse electroplating is limited to special applications and preferably to low pulse currents in the galvanotechnical sense.
- the present invention is therefore based on the problem of a method and to find a circuit arrangement with which it is possible to cyclically repeating unipolar or bipolar pulsed high currents To produce electroplating without the disadvantages mentioned, especially without being generated with considerable power loss.
- the electronic circuit required for this should also be inexpensive will be realized.
- the invention is that in a galvanizing DC circuit, short Called high current circuit, comprising a bath direct current source, electrical Conductor and an electrolytic cell with the plating material and anode on it inductive way by means of a suitable component, for example one Current transformer, a pulse-shaped current is coupled in such a polarized manner, that the bath direct current is compensated or overcompensated.
- a suitable component for example one Current transformer
- the component is connected in series with the electrolytic electroplating cell.
- the current transformer secondary winding is used for this purpose low number of turns in the bath DC circuit connected in series so that it is flowed through by the bath direct current.
- the current transformer has on the primary side a high number of turns, so that the pulses feeding them accordingly a low current with high Can have tension.
- the induced pulsed low secondary voltage drives the high compensation current.
- a capacitor serves for the pulse-shaped compensation current is connected in parallel to the bath DC power source.
- a positively drawn bath current for the electrolytic Metallization applies, d. H. the material to be treated is negative compared to the anode poled. A negative bath current is said to be used for electrolytic demetallization be valid. In this case, the material to be treated is opposite the Anode with positive polarity.
- FIG. 1a applies to electroplating with direct current.
- the bath flow is briefly interrupted in FIG. 1b. However, it remains unipolar, that is, the direction of the current is not reversed.
- the pulse times are preferably on the order of 0.1 milliseconds to seconds. The break times are correspondingly shorter.
- Figure 1c shows a pulse unipolar current with different amplitudes.
- Figure 1d shows one bipolar, that is, short-term polarity reversed polarized current with a long Electroplating time and with a short demetallization time.
- the demetallization amplitude is a multiple of the metallization amplitude. All in all however flows at a plating time of e.g. B.
- This pulse shape is for double-sided electroplating of printed circuit boards with fine holes preferred. There is a double pulse shape in FIG shown, which can be achieved with the inventive method. Unipolar pulses alternate with bipolar pulses.
- the electroplating cell provides a good approximation for the electroplating current resistive load. Therefore, with a bath power supply according to FIG. 1b Bath current and bath voltage in phase.
- the low parasitic inductances the electrical conductor back to the electrolytic cell and power source are negligible.
- pulse currents contain alternating currents. With The proportion of high frequencies becomes increasingly steep of alternating currents larger. Steep pulse edges have a short pulse rise and waste time.
- the line inductances represent inductive resistors for these alternating currents represent. They delay the pulse edges.
- FIGS. 2a and 2b show the feeding of the pulse-shaped compensation current according to the invention by means of the current transformer 1.
- the bath direct current source 2 is connected by electrical conductors 3 to the electrolytic bath, which is represented here as bath resistance R B with the reference number 4.
- the secondary winding 6 of the current transformer 1 is connected in series with the electrolytic bath.
- the primary side 7 of the transformer is fed by a power pulse electronics 8.
- the power pulse electronics 8 is supplied with energy via the mains voltage connection 9.
- the current and voltage profiles for the pulses according to FIG. 1d also correspond in principle to the pulse shapes of the other diagrams in FIG. 1. They differ only in the instantaneous size of the compensation current. Therefore, the voltages or currents belonging to FIG. 1d are drawn in and considered in the following figures.
- FIG. 2a shows the operating state during the electroplating. Potentials are shown in parentheses as an example.
- the capacitor C is charged to the voltage U C ⁇ U GR .
- the voltage U TS at the current transformer 1 is 0 volts.
- the rectifier voltage U GR is thus present at the bath resistor R B and causes the electroplating current I G.
- This temporary state corresponds to electroplating with direct current. According to the invention, no switches are required in the high-current circuit 5.
- Figure 2b shows the operating state during the demetallization.
- the potentials can no longer be viewed statically. For this reason, the potentials for the temporal end of the demetallization pulse are entered in brackets in FIG. 2b.
- the starting point is the potential of FIG. 2a.
- the power pulse electronics 8 feeds the primary winding 7 of the current transformer 1 with a current that changes in amplitude over time.
- the current flow time corresponds to the duration of the compensation current flow in the main circuit 5.
- the primary voltage U TP at the transformer is so great that a transformer pulse voltage U TS , which is able to drive the required compensation current I K , is secondary to the number of transformer turns.
- the capacitor C with the time constant T R B x C, starting from the voltage U C ⁇ U GR , is further charged with the voltage U TS .
- the charging current is the compensation current I K and at the same time the demetallization current I E.
- an accumulator can also be used instead of the capacitor C.
- the bath direct current source 2 consisting of a rectifier bridge circuit, switches off automatically for the duration of the demetallization time, because the charge makes the voltage U C > U GR .
- the direct current source 2 therefore does not automatically feed any current into the circuit during the period in which the bath current I GR is fed into the circuit by the induced voltage U TS .
- the bath current is again supplied by the direct current source.
- a choke 11 can be inserted into the high-current circuit 5 in order to avoid a brief reverse current at the switch-off torque in the case of inert rectifier elements in the bath direct current source 2.
- the energy for demetallization is applied on the way via the current transformer 1.
- the high, but short-term demetallization current I E in the secondary winding 6 is fed primarily.
- the current is reduced with the current transformer transmission ratio ü.
- the power loss to be used for pulse generation is very low compared to known methods. Even the calculation of the dominant losses shows the difference:
- 8 watts are required for the reverse flow of transformer current to saturate the transformer. With 10 bath power supplies, this results in a total power loss of around 160 watts.
- the current transformer losses must be included in the circuit according to the invention. If a very good coupling of the transformer z.
- the technical outlay for carrying out the method according to the invention is also significantly less than when using conventional circuit arrangements.
- the pulse-shaped current profile at the bath resistor R B (electroplating cell 20) is shown schematically in FIG. Because of the ohmic resistance R B , bath current and bath voltage are in phase here.
- the compensation current flow begins at time t 1 .
- the size and direction is determined by the instantaneous voltages U C and U TS .
- the compensation current flow ends at time t 2 .
- the subsequent electroplating current I G is determined by the rectifier voltage U GR , in each case in connection with the bath resistance R B.
- the time course of the voltages is shown in more detail in the diagrams in FIGS. 4a and 4b.
- the electroplating current I G is practically in phase with the electroplating voltage U G. I G is therefore not shown because of the same course.
- the rectifier voltage U GR the capacitor voltage U C and also the electroplating voltage U G are approximately the same.
- the voltage U TS is 0 volts at this time.
- the voltage pulse U TS1 begins to rise at the secondary winding 6 of the current transformer 1.
- the voltage U TS1 is polarized in such a way that the galvanizing voltage U G1 becomes negative, so that it can be demetallized.
- U G is formed from the sum of the instantaneous voltages U C and U TS .
- the voltage U TS is polarized on the capacitor C in the direction of the existing charge.
- T R B x C.
- the voltage pulse U TS1 begins to drop. Because of the finite inductance of the current transformer secondary circuit, the falling voltage pulse does not end at the zero line.
- a voltage U TS2 with reverse polarity occurs due to voltage induction . This now adds up to the capacitor voltage U C.
- a brief voltage surge U G2 occurs at the bath resistor R B.
- the voltage U TS is therefore 0 volts.
- the bath DC power source U GR again takes over the supply of the bath resistance R B , so that U G ⁇ U GR .
- the voltages U GR , U C and U G are then approximately the same size again.
- the brief voltage increase at the bath resistor R B is undesirable for reasons of electroplating. In practice, this tip and the other tips, unlike shown here, are clearly rounded.
- FIG. 5 shows an example of the primary-side control of the current transformer 1.
- An auxiliary voltage source 12 is supported by a charging capacitor 13 with the capacitance C.
- An electronic switch 14, here an IGBT (isolated gate bipolar transistor), is driven by voltage pulses 15.
- IGBT isolated gate bipolar transistor
- a primary current flows into the partial winding I of the primary winding 7 of the current transformer, and a desaturation current flows in the partial winding II to simplify the circuit.
- a desaturation current flows in the partial winding II
- Electricity dispenses with a possible further electronic switch.
- the number of turns of the partial windings I and II and the series resistor 17, through which a current of small magnitude flows permanently, are matched to one another in such a way that the transformer iron is not saturated.
- the primary current I TP is shown schematically in the current diagram 18 in FIG. 5.
- FIG. 6 shows the application of the pulse current units 19 in a plating bath 20 with a vertically arranged plating material, for which two bath direct current sources 2 for the front and the back of the flat plating material, for example a printed circuit board, are used.
- Each side of the printed circuit board 21 is supplied with galvanizing current separately from one of these current sources 2.
- An anode 22 is arranged opposite each circuit board side. During the short demetallization pulse, these anodes act as cathodes against the material to be treated, which is then anodically poled. Both pulse current units can work asynchronously or synchronously with each other.
- the pulse trains of the same frequency of both pulse current units are synchronized and if there is a phase shift of the pulses at the same time.
- the phase shift must be such that during the electroplating phase on one side of the circuit board the demetallization pulse occurs on the other side and vice versa.
- the metal scattering that is the hole plating, is improved.
- the pulse trains with the same frequency can also run asynchronously to one another in the case of separate electrolytic treatment of the front and back of the items to be treated.
- the invention is suitable for all pulse electroplating processes. It can be vertical or horizontally working electroplating systems, immersion and continuous systems, come into use. In the latter, plate-shaped electroplating material is used kept in horizontal or vertical position during treatment. In the times and amplitudes mentioned in this description can be in practical Use cases can be changed in wide areas.
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Abstract
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.The invention relates to a method for generating short, cyclical repetitive current pulses with a large current and with a steep slope. It also relates to a circuit arrangement for electrolytic Metal deposition, especially to carry out this process. application finds the method in electrolytic metal deposition, preferably for vertical or horizontal electroplating of printed circuit boards. This The type of electroplating is referred to as pulse plating.
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)
- Pulse rate
- Pulse times
- Break times
- Pulse amplitude
- Pulse rise time
- Pulse fall time
- Pulse polarity (galvanize, demetallize)
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.In the publication DE 27 39 427 A1, electroplating with pulsating Badstrom described. The unipolar pulses have a duration of 0.1 millisecond maximum. The pulse time, the pause time and the Pulse amplitude. Semiconductor switches are used to generate these pulses, here in Form of transistors. The disadvantage here is that the use of switching transistors the maximum applicable pulsating bath current technically and is economically limited. The upper limit is around a few hundred Amp.
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.This disadvantage is avoided by the one described in the publication DE 40 05 346 A1 Method. To generate the current impulses can be switched off here Thyristors used as fast switching elements (GTO: Gate tum off thyristor). Technically available GTO's are suitable for currents up to 1,000 amperes and more.
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. In both cases, the technical effort must be reflected, i.e. H. to double when bipolar pulses are needed. In GB-A 2 214 520, the also deals with pulse plating, in one embodiment one second bath power source avoided by reversing the polarity of the fed DC voltage mechanical, electromechanical or semiconductor switches be used. However, the high-current switches required are disadvantageous. In addition, this system is inflexible because it is the same in both polarities Current amplitude must be worked, because with short high current pulses the amplitude cannot be fast in the practically available bath power sources be adjusted enough. Therefore, in another embodiment in this document with two independently adjustable Bath power sources worked. These bath power sources are via a switch with the workpiece in the electrolytic cell and the Electrode connected. Since it is for PCB plating for reasons the required precision (constant layer thickness) is necessary for the Front of the panel and individually adjustable bath DC power sources for the back of the panel to use, the effort required for it is necessary to implement the method according to this embodiment, on a total of four bath power sources.
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 UF genannt, größer. Bei den in der Galvanotechnik im allgemeinen angewandten Strömen, z. B. bei 1.000 Ampere, beträgt die Flußspannung UF bei Dioden und Transistoren etwa 1 Volt und bei Thyristoren etwa 2 Volt. Die Verlustleistung PV an jedem dieser Halbleiterelemente wird nach der Formel PV = UF x IG berechnet, wobei IG der Galvanisierstrom ist. Mit IG = 1.000 A erreicht die Verlustleistung PV 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.In addition to this high technical outlay, in particular for the second bath current source on each side of the printed circuit board, the electronic high-current switches cause large energy losses. At each electronic switch, a voltage drop occurs at the internal non-linear resistor when the current flows. This applies equally to all types of semiconductor elements, but with a different voltage drop. This voltage drop, also called saturation voltage or forward voltage U F , increases with increasing current. For the currents generally used in electroplating, e.g. B. at 1,000 amps, the forward voltage U F is about 1 volt for diodes and transistors and about 2 volts for thyristors. The power loss P V on each of these semiconductor elements is calculated using the formula P V = U F x I G , where I G is the electroplating current. With I G = 1,000 A, the power loss P V reaches 1,000 watts to 2,000 watts. The additional heat generated by the electronic switches must be dissipated by cooling. In the actual bath power source, there is also a power loss of at least the same magnitude, which is inevitable. These losses should not be included in the further considerations. In the following, only the power losses to be generated for pulse generation are considered.
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.A galvanizing system consists of several galvanizing cells. They will with
large streams of baths. As an example, a horizontal system for
Deposition of copper on printed circuit boards from acidic electrolytes considered
become. The use of pulse technology improves the amount of copper deposition
in the fine holes in the circuit boards. As
It has proven particularly effective if the polarity of the pulses is cyclical
is changed. With cathodic polarity of the material to be treated z. B.
worked with current pulses of 10 millisecond pulse duration. This pulse can
followed by an anodic pulse lasting one millisecond. At the
Pulse-like cathodic metallization is preferably a current density
chosen that is greater than or equal to the current density that with this electrolyte
is used in direct current electroplating during the short anodic
A pulse of metallization takes place with an essential
higher current density than during the cathodic pulse phase. Advantageous
is about the
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 UF 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
Pv =(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 %.The circuit boards are galvanized on both sides, ie on their front and rear sides with separate bath power supplies. Five electrolytic baths of a horizontal electroplating system are considered as an example. For example, you have five bath power supply units on each side with a nominal current of 1,000 amperes, ie 10 bath power supply units with a total of 10,000 amperes. The bath voltage for electroplating is 1 to 3 volts for acidic copper electrolytes and is dependent on the current density. Because of the high currents, the energy balance for the circuit proposal in DE 40 05 346 A1 is considered as an example (FIG. 7). A positive pulse generated with this circuit arrangement as a galvanizing pulse with a duration of t = 10 milliseconds and a negative pulse as a demetallization pulse with a substantially larger amplitude with a duration of t = 1 milliseconds are used as the basis for the following consideration. Inaccuracies due to low steepness are neglected. The
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.A galvanizing system equipped in this way with electronic high-current switches works completely uneconomical. In addition, the technical effort for the electronic switches and their cooling very large. This has the consequence that Such pulse current devices also have a large volume, which is spatial stands close to the electrolytic cell. The spatial However, proximity is necessary to ensure the required electrodes in the cell To achieve slope steepness of the bath flow. Long electrical conductors work with their parasitic inductances against a rapid current rise.
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.Electromechanical switches have compared to the electronic ones Switches a significantly lower voltage drop when switched. However, switches or contactors are in for the required high pulse frequency 100 Hertz is completely unsuitable. From the described technical Known pulse electroplating is limited to special applications and preferably to low pulse currents in the galvanotechnical sense.
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.The present invention is therefore based on the problem of a method and to find a circuit arrangement with which it is possible to cyclically repeating unipolar or bipolar pulsed high currents To produce electroplating without the disadvantages mentioned, especially without being generated with considerable power loss. In addition, the electronic circuit required for this should also be inexpensive will be realized.
Gelöst wird das Problem durch die in den Patentansprüchen 1 und 11 angegebene
Erfindung. The problem is solved by the one specified in
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.The invention is that in a galvanizing DC circuit, short Called high current circuit, comprising a bath direct current source, electrical Conductor and an electrolytic cell with the plating material and anode on it inductive way by means of a suitable component, for example one Current transformer, a pulse-shaped current is coupled in such a polarized manner, that the bath direct current is compensated or overcompensated. The component is connected in series with the electrolytic electroplating cell. For example, the current transformer secondary winding is used for this purpose low number of turns in the bath DC circuit connected in series so that it is flowed through by the bath direct current. The current transformer has on the primary side a high number of turns, so that the pulses feeding them accordingly a low current with high Can have tension. The induced pulsed low secondary voltage drives the high compensation current. To close the circuit a capacitor serves for the pulse-shaped compensation current is connected in parallel to the bath DC power source.
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.
- Figures 1a to 1e
- unipolar and bipolar electroplating current curves, as are usually used in practice;
- Figures 2a and 2b
- Circuit arrangement for feeding the compensation current into the high current circuit; FIG. 2a applies during electroplating and FIG. 2b during demetallization;
- Figure 3
- a schematic representation of the current diagram for the bath current when using the circuit arrangement shown in Figure 2;
- Figure 4a
- Voltage curves in the high-current circuit taking into account the rise and fall times;
- Figure 4b
- an electrical circuit diagram with registered potentials;
- Figure 5
- a possible control circuit for the current transformer;
- Figure 6
- 1 shows an overall view of the circuit arrangement for use in the electroplating of printed circuit boards,
- In Figure 7
- is a conventional circuit arrangement, described in DE 40 05 346 A1, shown.
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.In the figures, a positively drawn bath current for the electrolytic Metallization applies, d. H. the material to be treated is negative compared to the anode poled. A negative bath current is said to be used for electrolytic demetallization be valid. In this case, the material to be treated is opposite the Anode with positive polarity.
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.The diagram in FIG. 1a applies to electroplating with direct current. The bath flow is briefly interrupted in FIG. 1b. However, it remains unipolar, that is, the direction of the current is not reversed. The pulse times are preferably on the order of 0.1 milliseconds to seconds. The break times are correspondingly shorter. Figure 1c shows a pulse unipolar current with different amplitudes. Figure 1d shows one bipolar, that is, short-term polarity reversed polarized current with a long Electroplating time and with a short demetallization time. The demetallization amplitude is a multiple of the metallization amplitude. All in all however flows at a plating time of e.g. B. 10 milliseconds and at one Demetallization time of 1 millisecond a clear excess for that Galvanization compared to the amount of charge required for the demetallization. This pulse shape is for double-sided electroplating of printed circuit boards with fine holes preferred. There is a double pulse shape in FIG shown, which can be achieved with the inventive method. Unipolar pulses alternate with bipolar pulses.
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.The electroplating cell provides a good approximation for the electroplating current resistive load. Therefore, with a bath power supply according to FIG. 1b Bath current and bath voltage in phase. The low parasitic inductances the electrical conductor back to the electrolytic cell and power source are negligible. In contrast, pulse currents contain alternating currents. With The proportion of high frequencies becomes increasingly steep of alternating currents larger. Steep pulse edges have a short pulse rise and waste time. The line inductances represent inductive resistors for these alternating currents represent. They delay the pulse edges. These effects will be not considered in the following. They are independent of the type of Pulse generation and therefore always the same if no special measures be taken. The simplest measures are very short electrical cables with very low ohmic and inductive resistances to use. In the figures, to simplify the drawing the electroplating current is always shown in phase with the voltage or accepted.
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 RB 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.FIGS. 2a and 2b show the feeding of the pulse-shaped compensation current according to the invention by means of the
Die Figur 2a zeigt den Betriebszustand während des Galvanisierens. Als ein
Beispiel sind Potentiale in Klammern eingezeichnet. Der Kondensator C ist auf
die Spannung UC ≈ UGR aufgeladen. Die Spannung UTS am Stromtransformator
1 beträgt 0 Volt. Damit liegt, von Spannungsabfällen an den Leitungswiderständen
und am Widerstand der Sekundärwicklung 6 abgesehen, die
Gleichrichterspannung UGR am Badwiderstand RB an und bewirkt den Galvanisierstrom
IG. Dieser temporäre Zustand entspricht dem Galvanisieren mit
Gleichstrom. Im Hochstromkreis 5 werden erfindungsgemäß keine Schalter
benötigt.FIG. 2a shows the operating state during the electroplating. Potentials are shown in parentheses as an example. The capacitor C is charged to the voltage U C ≈ U GR . The voltage U TS at the
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 UTP am Transformator ist so groß, daß entsprechend der
Transformatorwindungszahlen sekundär eine Transformatorpulsspannung UTS
erzielt wird, die in der Lage ist, den geforderten Kompensationsstrom IK zu
treiben. Dabei wird der Kondensator C mit der Zeitkonstante T = RB x C, von der
Spannung UC ≈ UGR ausgehend, weiter mit der Spannung UTS aufgeladen. Der
Ladestrom ist der Kompensationsstrom IK und zugleich der Entmetallisierungsstrom
IE. 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 UC > UGR wird. Ohne
daß zusätzliche Schaltelemente verwendet werden, speist die Gleichstromquelle
2 während der Zeitspanne, in der der Badstrom IGR durch die induzierte
Spannung UTS 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 IE in der Sekundärwicklung 6 wird primär eingespeist.
Mit dem Stromtransformator-Übersetzungsverhältnis ü ist der Strom untersetzt. Figure 2b shows the operating state during the demetallization. The potentials can no longer be viewed statically. For this reason, the potentials for the temporal end of the demetallization pulse are entered in brackets in FIG. 2b. The starting point is the potential of FIG. 2a. The
Hat dieser Transformator ein Untersetzungsverhältnis von z. B. 100 : 1, so sind
für einen Kompensationsstrom IK von 4.000 Ampere primär nur ca. 40 Ampere
einzuspeisen. Für die Sekundärspannung UTS = 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.Has this transformer a reduction ratio of z. B. 100: 1, for a compensation current I K of 4,000 amperes only about 40 amperes should be fed. In this example, approximately 1,000 volts are primarily required for the secondary voltage U TS = 10 volts. The power pulse electronics must therefore be dimensioned for a high voltage and for comparatively low pulse currents. Inexpensive semiconductor components are available for this. Thus, no high-current switch is necessary even for the high demetallization current in the
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 UF = 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. The power loss to be used for pulse generation is very low compared to known methods. Even the calculation of the dominant losses shows the difference: In the power pulse electronics for generating primary-side pulse currents, including an electronic switch with a forward voltage U F = 2 volts, the switch power loss is P = 40 amperes x 2 volts x (approx.) 10% current flow time ≈ 8 watts. Likewise, 8 watts are required for the reverse flow of transformer current to saturate the transformer. With 10 bath power supplies, this results in a total power loss of around 160 watts. To compare the total switch losses of the circuit according to the invention with the losses of the known circuits, the current transformer losses must be included in the circuit according to the invention. If a very good coupling of the transformer z. B. with a cutting ring toroid and with highly permeable thin sheets, a transformer efficiency of η = 90% can be expected. Therefore, with a compensation current of 4,000 amperes and a voltage of 7 volts with a current flow time of approximately 10%, these losses total approximately 560 watts. For 10 bath power supplies according to the invention, this results in a total power loss for generating the pulsed electroplating current of 160 watts for the switches and 5,600 watts for the current transformers. In total, this is about 6 kilo watts for the dominant losses. In the example of the prior art calculated above, this was about 60 kilo watts when using 10 bath power supplies.
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.The technical outlay for carrying out the method according to the invention is also significantly less than when using conventional circuit arrangements. There are only passive components with the high Electroplating currents and burdened with the even higher deplating currents. This significantly increases the reliability of the pulse power supply devices. Electroplating systems equipped in this way therefore have a significantly higher availability. This is also achieved with significantly less investment. At the same time, the ongoing energy consumption is lower. Because of the With less technical effort, the volume of such pulse devices is small, so that their implementation near the bathroom is easier. The line inductors of the main circuit are therefore reduced to a minimum.
In Figur 3 ist der pulsförmige Stromverlauf an dem Badwiderstand RB (Galvanisierzelle 20) schematisch dargestellt. Wegen des ohmschen Widerstandes RB sind hier Badstrom und Badspannung in Phase. Im Zeitpunkt t1 beginnt der Kompensationsstromfluß. Die Größe und Richtung wird von den Momentanspannungen UC und UTS bestimmt. Im Zeitpunkt t2 endet der Kompensationsstromfluß. Der darauf folgende Galvanisierstrom IG wird von der Gleichrichterspannung UGR bestimmt, jeweils in Verbindung mit dem Badwiderstand RB.The pulse-shaped current profile at the bath resistor R B (electroplating cell 20) is shown schematically in FIG. Because of the ohmic resistance R B , bath current and bath voltage are in phase here. The compensation current flow begins at time t 1 . The size and direction is determined by the instantaneous voltages U C and U TS . The compensation current flow ends at time t 2 . The subsequent electroplating current I G is determined by the rectifier voltage U GR , in each case in connection with the bath resistance R B.
Der zeitliche Verlauf der Spannungen ist in den Diagrammen der Figuren 4 a
und 4b genauer dargestellt. Der Galvanisierstrom IG ist mit der Galvanisierspannung
UG praktisch in Phase. IG ist wegen des gleichen Verlaufes deshalb
nicht eingezeichnet. Zum Zeitpunkt t=0 sind die Gleichrichterspannung UGR, die
Kondensatorspannung UC und ferner auch die Galvanisierspannung UG
ungefähr gleich. Die Spannung UTS beträgt zu diesem Zeitpunkt 0 Volt. Im
Zeitpunkt t1 beginnt der Anstieg des Spannungspulses UTS1 an der Sekundärwicklung
6 des Stromtransformators 1. Die Spannung UTS1 ist so gepolt, daß die
Galvanisierspannung UG1 negativ wird, so daß entmetallisert werden kann. UG
wird gebildet aus der Summe der Momentanspannungen UC und UTS. Die
Spannung UTS ist am Kondensator C in Richtung der bestehenden Ladung
gepolt. Der Kondensator C beginnt sich daher auf die Spannung UTS weiter
aufzuladen und zwar mit der Zeitkonstanten T = RB x C. Im Zeitpunkt t2
beginnt der Abfall des Spannungspulses UTS1. Wegen der endlichen Induktivität
des Stromtransformator-Sekundärkreises endet der abfallende Spannungspuls
nicht an der Nullinie. Durch Spannungsinduktion tritt eine umgekehrt gepolte
Spannung UTS2 auf. Diese addiert sich jetzt mit der Kondensatorspannung UC.
Am Badwiderstand RB tritt eine kurzzeitige Spannungsüberhöhung UG2 auf. Der
Kondensator C beginnt sich mit der Zeitkonstanten T = RB x C zu entladen,
wobei er zumindest partiell oder auch vollständig entladen wird. Im Zeitpunkt t3
beträgt die Spannung UTS daher 0 Volt. Die Badgleichstromquelle UGR übernimmt
wieder die Speisung des Badwiderstands RB, so daß UG ≈ UGR ist. Die
Spannungen UGR, UC und UG sind dann wieder ungefähr gleich groß. Die
kurzzeitige Spannungsüberhöhung am Badwiderstand RB 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 RB. 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 ITP zeigt schematisch das Stromdiagramm 18 in der Figur 5.The time course of the voltages is shown in more detail in the diagrams in FIGS. 4a and 4b. The electroplating current I G is practically in phase with the electroplating voltage U G. I G is therefore not shown because of the same course. At time t = 0, the rectifier voltage U GR , the capacitor voltage U C and also the electroplating voltage U G are approximately the same. The voltage U TS is 0 volts at this time. At time t 1 , the voltage pulse U TS1 begins to rise at the secondary winding 6 of the
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.FIG. 6 shows the application of the pulse
Both pulse current units can work asynchronously or synchronously with each other. For hole plating of printed circuit boards, it is advantageous if the pulse trains of the same frequency of both pulse current units are synchronized and if there is a phase shift of the pulses at the same time. The phase shift must be such that during the electroplating phase on one side of the circuit board the demetallization pulse occurs on the other side and vice versa. In this case, the metal scattering, that is the hole plating, is improved. However, the pulse trains with the same frequency can also run asynchronously to one another in the case of separate electrolytic treatment of the front and back of the items to be treated.
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. The invention is suitable for all pulse electroplating processes. It can be vertical or horizontally working electroplating systems, immersion and continuous systems, come into use. In the latter, plate-shaped electroplating material is used kept in horizontal or vertical position during treatment. In the times and amplitudes mentioned in this description can be in practical Use cases can be changed in wide areas.
In der Beschreibung verwendete Begriffe:
- UG
- Galvanisierspannung
- UGR
- Gleichrichterspannung
- UC
- Kondensatorspannung
- UTP
- Primäre Transformatorpulsspannung
- UTS
- Sekundäre Transformatorpulsspannung
- UF
- Flußspannung
- IG
- Galvanisierstrom
- IE
- Entmetallisierstrom
- IK
- Kompensationsstrom
- PV
- Verlustleistung
- ü
- Stromtransformator-Übersetzungsverhältnis
- U G
- Electroplating voltage
- U GR
- Rectifier voltage
- U C
- Capacitor voltage
- U TP
- Primary transformer pulse voltage
- U TS
- Secondary transformer pulse voltage
- U F
- Forward voltage
- I G
- Electroplating current
- I E
- Demetallization stream
- I K
- Compensation current
- P V
- Power dissipation
- ü
- Current transformer ratio
- 11
- StromtransformatorCurrent transformer
- 22nd
- BadgleichstromquelleBath dc power source
- 33rd
- Elektrische LeiterElectrical conductor
- 44th
- Badwiderstand RB Bath resistance R B
- 55
- HochstromkreisHigh current circuit
- 66
- Sekundärwicklung des StromtransformatorsSecondary winding of the current transformer
- 77
- Primärwicklung des StromtransformatorsPrimary winding of the current transformer
- 88th
- Leistungs-PulselektronikPower pulse electronics
- 99
- NetzanschlußMains connection
- 1010th
- Kondensator mit der Kapazität CCapacitor with capacitance C
- 1111
- Drosselthrottle
- 1212th
- HilfsspannungsquelleAuxiliary voltage source
- 1313
- Ladekondensator mit der Kapazität CL Charging capacitor with the capacitance C L
- 1414
- Elektronischer SchalterElectronic switch
- 1515
- SpannungsimpulseVoltage pulses
- 1616
- SpannungsdiagrammVoltage diagram
- 1717th
- Vorwiderstand Series resistor
- 1818th
- StromdiagrammCurrent diagram
- 1919th
- PulsstromeinheitPulse current unit
- 2020th
- GalvanisierzelleElectroplating cell
- 2121
- BehandlungsgutMaterial to be treated
- 2222
- Anodeanode
Claims (13)
- Method of generating short, cyclically repeating, unipolar or bipolar, pulse-shaped electroplating currents IG, IE, characterised in that a pulse-shaped compensation current Ik is introduced inductively into an electroplating direct-current circuit (5), which is formed from a direct-current source (2) and an electroplating cell (20) having a bath resistance RB, by means of a constructional element (1), which is connected in series with the electroplating cell (20), in such a poled manner that the bath current, supplied from the direct-current source (2), is compensated-for or is overcompensated-for.
- Method according to claim 1, characterised in that a transformer is used as the constructional element (1).
- Method according to one of the preceding claims, characterised in that the compensation current Ik is provided for charging a circuit element (10), which acts as capacitance C, preferably a capacitor or an accumulator.
- Method according to one of the preceding claims, characterised in that the circuit element (10), which acts as capacitance C, is partially discharged during the intervals of time in which the bath current is not compensated-for or overcompensated-for.
- Method according to one of the preceding claims, characterised in that, to generate unipolar current pulses, the maximum amplitude of the pulse-shaped compensation current Ik is set to be as high as the amplitude of the bath current supplied from the direct-current source (2).
- Method according to one of the preceding claims 1 to 4, characterised in that, to generate bipolar current pulses, the amplitude of the pulse-shaped compensation current Ik is set to be greater than the level of the bath current supplied from the direct-current source (2).
- Method according to one of the preceding claims, characterised in that the amplitude of the deplating pulse-shaped current IE is set to be greater than the amplitude of the plating pulse-shaped current IG, and in that the pulse duration of the current IE is set to be shorter than the pulse duration of the current IG.
- Method according to one of the preceding claims, characterised in that, when the front and rear sides of an article to be electroplated are separately and electrolytically supplied with pulse-shaped current, the pulse sequences of both sides, having identical frequency, are set synchronously.
- Method according to claim 8, characterised in that a constant phase shift is set between the pulse-shaped currents at the front and rear sides of the article to be electroplated in such a manner that deplating is not effected simultaneously on both sides of the article to be electroplated.
- Method according to one of the preceding claims, characterised in that a toroidal core current transformer is used as the constructional element (1) connected in series with the electroplating cell.
- Circuit arrangement for electroplating purposes, by means of which arrangement short, cyclically repeating, unipolar or bipolar, pulse-shaped currents IG, IE can be generated, more especially for accomplishing the method according to claims 1 to 10, characterised by an electroplating direct-current circuit (5), which is formed from a direct-current source (2) and an electroplating cell (20), and into which circuit a pulse-shaped compensation current Ik can be introduced inductively by means of a constructional element (1), which is connected in series with the electroplating cell (20), in such a poled manner that the bath current, supplied from the direct-current source (2), is compensated-for or is overcompensated-for.
- Circuit arrangement according to claim 11, characterised by a capacitance C which is connected in parallel with the direct-current source (2).
- Circuit arrangement according to one of claims 11 or 12, characterised by a current transformer as a constructional element (1) having a primary winding (7) and a secondary winding (6), the secondary winding being connected in series with the direct-current source (2), and the primary winding having a greater number of windings than the secondary winding.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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