WO2001012880A2 - Verfahren zur herstellung einer selbsttragenden kupferfolie - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a self-supporting copper foil which, due to its structure, has a low shear strength and can be embossed with sharp edges, the rotating cathode roller being immersed in a copper electrolyte bath and surrounded by an anode basket
  • Copper foil is galvanically deposited and detached from the cathode roller.
  • a copper foil that has a low shear strength due to its structure and can be structured with sharp edges, i.e. is embossable is known from EP 0 063 347. How this structure of the copper foil resulting in a low shear strength is realized is not given in more detail in this publication.
  • the applicant's earlier patent application 198 57 157 describes a process for producing a self-supporting copper foil which, owing to its structure, has a low shear strength and consequently can be structured with sharp edges, i.e. can be shaped.
  • the copper foil is deposited on a rotating roller cathode.
  • An anode basket is provided at a distance from the roller cathode.
  • a defined DC voltage is applied between the roller cathode and the anode basket during the rotation of the roller cathode in order to deposit the copper foil on the roller cathode.
  • At least one additional anode is also provided between the roller cathode and the anode basket, a defined second DC voltage being applied between this and the roller cathode in order to firmly adhere a copper cauliflower structure to the outside of the copper foil facing away from the roller cathode.
  • the copper foil formed with the cauliflower structure is provided with a black oxide coating, whereby a comparatively large roughness depth of the copper foil is realized. This large surface roughness results in a correspondingly high pull-off strength of the copper foil imprinted on a substrate, without the need for an adhesive to fix the copper foil to the substrate.
  • This older patent application does not make any more detailed statements on the structure of the copper foil.
  • a method and a device for producing a metal foil is known from US Pat. No. 4,692,221, a roller cathode being surrounded by an anode basket.
  • the anode basket is designed such that there is between it and the Roll cathode results in a first zone with a first gap distance and a second zone with a small gap distance compared to the first gap distance.
  • the formation of dendrites is achieved on the relatively smooth surface of the metal foil produced.
  • the invention has for its object to provide a method for producing a self-supporting copper foil of the type mentioned, which is excellent for sharp-edged embossing, in particular hot stamping, the method being simple and inexpensive to carry out.
  • the self-supporting copper foil produced with the method according to the invention has an increased hardness compared to known copper foils, which is accompanied by a correspondingly increased brittleness.
  • This increased brittleness results in the advantageous, increased contour sharpness of the copper foil produced according to the invention when embossed on a substrate.
  • known copper foils have a hardness of 169 HV 0.025
  • copper foils produced according to the invention have a hardness of 225 HV 0.025.
  • the dendritic growth or the lamellar structure of the copper foil produced according to the invention can be further improved in that the rotating cathode roller is specifically flowed against with the standard copper electrolyte provided with the additives. It serves the same purpose if the standard copper electrolyte bath with the additives is heated to a temperature of 30 to 45 ° C.
  • FIG. 1 shows a cross section through a self-supporting copper foil produced according to the invention before an etching treatment. From this figure is It can be seen that the copper foil produced according to the invention and having a thickness of 30 ⁇ m has a so-called unoriented type of dispersion of the structure.
  • FIG. 2 shows the copper foil according to FIG. 1 produced according to the invention after a corresponding etching treatment. This figure illustrates the characteristic lamellar microstructure of the copper foil produced according to the invention.
  • FIG. 3 shows in a micrograph representation similar to Figure 1 a known copper foil of the same wall thickness, i.e. with a thickness of 30 ⁇ m.
  • This copper foil which is galvanically produced by a known method, has a structure with a pronounced field-oriented texture.
  • FIG. 3 shows the known copper foil in a micrograph - similar to the micrograph according to FIG. 1 - while FIG. 4 shows the copper foil according to FIG. 3 after a corresponding one
  • Etching treatment clarified in order to further improve the pronounced field orientation of the structure texture.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer selbsttragenden Kupferfolie beschrieben, die aufgrund ihres Gefüges eine kleine Scherfestigkeit besitzt und scharfrandig prägbar ist, wobei auf einer in ein Kupferelektrolytbad eintauchenden und von einem Anodenkorb umgebenen rotierenden Kathodenwalze die Kupferfolie galvanisch abgeschieden und von der Kathodenwalze abgelöst wird. Dabei wird ein Standard-Kupferelektrolytbad mit solchen Zusätzen verwendet, daß sich ein dentritisches Wachstum der Kupferfolie mit einer lamellaren Gefüge-Struktur ergibt. Aus dieser lamellaren Gefüge-Struktur resultiert eine vergrößerte Härte der erfindungsgemäß hergestellten Kupferfolie. Diese vergrößerte Härte geht mit einer erhöhten Sprödigkeit einher, durch welche die Konturschärfe beim Prägen der Kupferfolie wesentlich verbessert wird.

Description

Verfahren zur Herstellung einer selbsttragenden Kupferfolie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hersteilung einer selbsttragenden Kupferfolie, die aufgrund ihres Gefüges eine kleine Scherfestigkeit besitzt und scharfrandig prägbar ist, wobei auf einer in ein Kupferelektrolytbad eintauchenden und von einem Anodenkorb umgebenen rotierenden Kathodenwalze die
Kupferfolie galvanisch abgeschieden und von der Kathodenwalze abgelöst wird.
Eine Kupferfolie, die aufgrund ihres Gefüges eine kleine Scherfestigkeit besitzt und scharfrandig strukturierbar, d.h. prägbar ist, ist aus der EP 0 063 347 bekannt. Wie dieses in einer kleinen Scherfestigkeit resultierende Gefüge der Kupferfolie realisiert wird, dazu macht diese Druckschrift keine detaillierteren Angaben.
Aus der US-A 5 019 221 ist eine Vorrichtung zur galvanischen Herstellung einer Kupferfolie auf einer Walzenkathode bekannt, die in ein Kupferelektrolytbad eintaucht. Die Walzenkathode ist von einem Anodenkorb umgeben. Die mit dieser bekannten Vorrichtung hergestellte Kupferfolie weist eine relativ geringe Oberflächenrauhigkeit von maximal 5 bis 6 μm auf. Über das Gefüge der mit dieser Vorrichtung hergestellten Kupferfolie werden dort keine Ausführungen gemacht.
Die ältere Patentanmeldung 198 57 157 der Anmelderin beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer selbsttragenden Kupferfolie, die aufgrund ihres Gefüges eine kleine Scherfestigkeit besitzt und demzufolge scharfrandig strukturierbar, d.h. prägbar ist. Die Kupferfolie wird auf einer rotierenden Walzenkathode abgeschieden. Von der Walzenkathode beabstandet ist ein Anodenkorb vorgesehen. Zwischen der Walzenkathode und dem Anodenkorb wird während der Drehung der Walzenkathode eine definierte Gleichspannung angelegt, um auf der Walzenkathode die Kupferfolie abzuscheiden. Zwischen der Walzenkathode und dem Anodenkorb ist außerdem mindestens eine Zusatzanode vorgesehen, wobei zwischen dieser und der Walzenkathode eine definierte zweite Gleichspannung angelegt wird, um auf der von der Walzenkathode abgewandten Außenseite der Kupferfolie eine Blumenkohlstruktur aus Kupfer festhaftend abzuscheiden. Die mit der Blumenkohlstruktur ausgebildete Kupferfolie wird mit einer Blackoxide- Beschichtung versehen, wodurch eine vergleichsweise große Rauhtiefe der Kupferfolie realisiert wird. Aus dieser großen Rauhtiefe resultiert eine entsprechend große Abzugfestig keit der auf ein Substrat aufgeprägten Kupferfolie, ohne daß zur Fixierung der Kupferfolie am Substrat ein Kleber erforderlich wäre. Zur Gefügestruktur der Kupferfolie macht auch diese ältere Patentanmeldung keine detaillierteren Ausführungen.
Aus der US 4 692 221 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Metallfolie bekannt, wobei eine Walzenkathode von einem Anodenkorb umgeben ist. Der Anodenkorb ist derartig ausgebildet, daß sich zwischen ihm und der Walzenkathode eine erste Zone mit einem ersten Spaltabstand und eine zweite Zone mit einem im Vergleich zum ersten Spaltabstand kleinen Spaltabstand ergibt. Hierdurch wird auf der relativ glatten Oberfläche der hergestellten Metallfolie die Ausbildung von Dendriten erzielt.
Das „HANDBUCH DER GALVANOTECHNIK", Band I, Dettner und Elze, Carl Hanser Verlag, München 1963, beschreibt auf den Seiten 92 ff. die Struktur elektrolytischer Metallniederschläge, wobei die folgenden Wachstumstypen erwähnt werden:
a) Feldorientierter Isolationstyp b) Basisorientierter Reproduktionstyp c) Zwillings-Übergangstyp d) Feldorientierter Texturtyp e) Unorientierter Dispersionstyp.
Dort wird auf Seite 100 ausgeführt, daß insbesondere bei Glanzniederschlägen lamellare Strukturen auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer selbsttragenden Kupferfolie der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich ausgezeichnet zum scharfrandigen Prägen, insbesondere Heißprägen, eignet, wobei das Verfahren einfach und kostengünstig durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Standard-Kupferelektrolytbad mit solchen Zusätzen verwendet wird, daß sich ein dendritisches Wachstum der Kupferfolie mit einer lamellaren Gefügestruktur ergibt, wobei als Zusätze für das Standard-Kupferelektrolytbad
50 - 100 g/l natürliche Kolloide
2 - 5 mg/l Zitronensäure
- 10 mg/l Polyolefine mit einem Molgewicht von ca. 400
- 10 mg/l Polyethylenglykol oder Polypropylenglykol - 10 mg/l Tiosulfate - 10 mg/l Melamin-Verbindung - 10 mg/l Phenolsulfonsäure
verwendet werden. Durch die Mischung des Standard-Kupferelektrolybades, das beispielsweise die folgende Zusammensetzung aufweist:
200-250 g/l Kupfersulfat Cu S04 x 5 H2O
50 - 80 g/l Schwefelsäure
10 - 50 Mg/l CI" (zugesetzt in Form von Natriumchlorid)
mit den obengenannten Zusätzen ist es erfindungsgemäß einfach und reproduzierbar möglich, eine selbsttragende Kupferfolie im Dickenbereich zwischen 10 und 100 μm, vorzugsweise zwischen 18 und 100 μm, mit einer lamellaren Gefügestruktur zu realisieren, wobei aus dieser lamellaren Gefügestruktur die bereits weiter oben erwähnte vergrößerte Härte der Kupferfolie mit der daraus resultierenden erhöhten Sprödigkeit und der hieraus sich ergebenden verbesserten Konturierungsschärfe resultiert. Während bekanntermaßen hergestellte Kupferfoiien eine ausgeprägte feldorientierte Gefüge-Textur besitzen, weist die erfindungsgemäß hergestellte selbsttragende Kupferfolie eine unorientierte Dispersions-Struktur, d.h. eine charakteristische lamellare Gefuge-Struktur auf. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte selbsttragende Kupferfolie weist im Vergleich zu bekannten Kupferfolien eine vergrößerte Härte auf, mit welcher eine entsprechend vergrößerte Sprödigkeit einhergeht. Aus dieser vergrößerten Sprödigkeit resultiert die vorteilhafte, vergrößerte Konturierschärfe der erfindungsgemäß hergestellten Kupferfolie beim Prägen auf ein Substrat. Während bekannte Kupferfolien beispielsweise eine Härte von 169 HV 0,025 besitzen, weisen erfindungsgemäß hergestellte Kupferfolien eine Härte von 225 HV 0,025 auf.
Das dendritische Wachstum bzw. die lamellare Struktur der erfindungsgemäß hergestellten Kupferfolie kann noch dadurch weiter verbessert werden, daß die rotierende Kathodenwalze mit dem mit den Zusätzen versehenen Standard- Kupferelektrolyt gezielt angeströmt wird. Dem selben Zweck ist es dienlich, wenn das mit den Zusätzen versehene Standard-Kupferelektrolytbad auf eine Temperatur von 30 bis 45°C erwärmt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß hergestellten selbsttragenden Kupferfolie im Vergleich mit einer bekannten Kupferfolie wird nachfolgend anhand von stark vergrößerten Schliffbildern verdeutlicht.
Figur 1 zeigt einen Querschliff durch eine erfindungsgemäß hergestellte selbsttragende Kupferfolie vor einer Ätzbehandlung. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß die eine Dicke von 30 μm aufweisende, erfindungsgemäß hergestellte Kupferfolie einen sogenannten unorientierten Dispersionstypus des Gefüges aufweist.
Figur 2 zeigt die erfindungsgemäß hergestellte Kupferfolie gemäß Figur 1 nach einer entsprechenden Ätzbehandlung. Diese Figur verdeutlicht die charakteristische lamellare Gefuge-Struktur der erfindungsgemäß hergestellten Kupferfolie.
Figur 3 zeigt in einer der Figur 1 ähnlichen Schliffbild-Darstellung eine bekannte Kupferfolie der gleichen Wanddicke, d.h. mit einer Dicke von 30 μm. Diese nach einem bekannten Verfahren galvanisch hergestellte Kupferfolie weist ein Gefüge mit einer ausgeprägten feldorientierten Textur auf. Die Figur 3 zeigt die besagte bekannte Kupferfolie in einem Schliffbild - ähnlich dem Schliffbild gemäß Figur 1 - während die Figur 4 die Kupferfolie gemäß Figur 3 nach einer entsprechenden
Ätzbehandlung verdeutlicht, um die ausgeprägte Feldorientierung der Gefügetextur weiter verbessert zu verdeutlichen.

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer selbsttragenden Kupferfolie, die aufgrund ihres Gefüges eine kleine Scherfestigkeit besitzt und scharfrandig prägbar ist, wobei auf einer in ein Kupferelektrolytbad eintauchenden und von einem Anodenkorb umgebenen rotierenden Kathodenwalze die Kupferfolie galvanisch abgeschieden und von der Kathodenwalze abgelöst wird, dadurch gekennzeic net, daß ein Standard-Kupferelektrolytbad mit solchen Zusätzen verwendet wird, daß sich ein dentritisches Wachstum der Kupferfolie mit einer lamellaren Gefuge-Struktur ergibt, wobei als Zusätze für das Standard- Kupferelektrolytbad
50-100 g/l natürliche Kolloide
2-5 mg/l Zitronensäure
1-10 mg/l Polyolefine mit einem Molgewicht von ca.400, 1-10 mg/l Polyethylenglykol oder Polypropylenglykol
1-10 mg/l Tiosulfate 1-10 mg/l Melamin-Verbindung 1-10 mg/l Phenolsulfonsäure
verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Kathodenwalze mit dem mit den Zusätzen versehenen Standard-Kupferelektrolyt angeströmt wird, wodurch das dentritische Wachstum der Kupferfolie mit der lamellaren Gefuge-Struktur verbessert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit den Zusätzen versehene Standard-Kupferelektrolytbad auf eine
Temperatur von 30 - 45 °C erwärmt wird.
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