DE2827699C3 - Einrichtung zur kontinuierlichen elektrolytischen Hochgeschwindigkeits-Abscheidung auf einem Substrat - Google Patents
Einrichtung zur kontinuierlichen elektrolytischen Hochgeschwindigkeits-Abscheidung auf einem SubstratInfo
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Description
Die Erfindarjg bezieht sich auf eine Einrichtung zur
kontinuierlichen elektrolytischen Hochgeschwindigkeits-Abscheidung
auf einem Substrat mit nicht vernaehlässigbarem ohmschen Widerstand, mit einer Mehrzahl von getrennt über Generatoren mit Srrom
versorgten Elektroden, die insbesondere zum Verzinnen von Kupferdraht verwendbar ist.
Der verzinnte Kupferdraht wird allgemein durch Verzinnen eines Drahts von einigen mm Durchmesser
hergestellt, den man auf den Enddurchmesser zieht und anschließend durch Joule-Effekt glüht. Ungünstigerweise
weist uds Glühen zwei Hauptnachteile auf, die besonders spürbar siad, werji die Zinnabschcidungauf
dem auf Enddurchmesser gebrachten Draht eine Dicke in der Größenordnung ~pn 5 bis fi (im aufweisen
muß:
Konzentrizitätsmangcl des Überzugs,
Verschlechterung des Obcrflächenzsustandcs mit daraus folgender schlechter Schweißbarkeit.
Wenn man nach diesem Verfahren verzinnten Draht für Ausgänge von elektronischen Bauelementen
mit einem Zinnüberzug Von 5 μπι herstellen will,
ist dieses Verfahren nicht anwendbar.
Wenn man den vorab auf seinen Enddurchmesser gezogenen Draht verzinnen will, trifft man auf andere
Hindernisse: Damit die Verzinnung durch Elektroabscheidung auf dem Enddurchmesser des Drahtes wirtschaftlich
tragbar ist, benötigt man eine erhöhte Durchlaufgeschwindigkeit des Drahtes, um eine ausreichende
stündliche Produktionsleistung und die höchste Elektrolysestromdichte zu erhalten, die mit
der Güte des Überzugs verträglich ist.
Um diese beiden Anforderungen zu erfüllen, ist man gezwungen, in die Elektrolysewanne das Maximum
an Drahtlänge einzuführen, indem man entweder die Länge der Wannen erhöht oder eine ganze
Anzahl von Drahtschleifen in demselben Becken ausbildet. Jedoch ist diese Schleifenbildung aus Gründen
mechanischer Komplikationen und von Verwirrung^ gefahren des Drahtes beschränkt. Man ist also versucht,
die Länge der Elektrolysewannen und die Durchzugsgcschwindigkcit auf Höchstwerte /u steigern,
wobei eine hohe Geschwindigkeit außerdem infolge der Verringerung von anodischen und kathodischen
Polarisationen höhere Elcktrolyscstromdichtcn ermöglicht.
Man stellt dann jedoch fest, daß die Stromdichte sehr erheblich von einem Punkt zum anderen Punkt
des Drahtes oder der im Elektrolysebad ausgespannten
Drahtschleifen als Funktion ihrer Lage gegenüber den Stromzuführungen zum Draht schwankt, und dieser
Effekt ist um so ausgepräger, je geringer der
. Durchmesser des Drahtes ist und je höher sein elektrischer Widerstand ist. Man versuchte, das Ausmaß dieser
Ungleichheit der Stromverteilung zu messen,
Hierzu arbeitete man statisch in einer Elektrolysevvannc
von Quaderform mit 2,50 m Länge unc! H) cm
ι Breite, wobei der Draht über die gesamte Länge von
2,5 m in der Wanne unter gleichem Abstand zwischen zwei Reihen von fünf Anoden mit 46 cm einheitlicher
Länge ausgespannt war. Die Anoden waren einander zugewandt und untereinander verbunden, und die
ι. Gesamtheit war mit dem Gleichstromgenerator durch
einen Leiter starken Durchmessers verbunden.
Die mittlere Stromdichte war auf 5 A/dm2 Drahtoberfläche
festgelegt, welcher Wert als maximal zulässiger Wert zum Erhalten eines Zinnüberzugs opti-
1M maler Güte bei statischem Arbeiten betrachtet wurde.
Das Elektrolysebad ist ein üblich verwendetes Bad auf Basis von Zinnfluoborat.
Bei dieser Dichte ergibt eine Eleklrolysedauer von zwei Minuten eine Zinnabscheidung von 5 μπι Dicke.
.·. Eine Umlaufpumpe schuf während der gesamten Dauer der Versuche eine gleichmäßige Bewegung des
Elektrolyten von einem Ende zum anderen der Wanne. Man maß dann die Gewichtsänderung des
Zinnüberzugs und folglich die Stromdichteänderung
;n als Funktion der Lage der am Draht entnommenen
Probe gegenüber dam Anschlußpunkt des Drahtes im Elcktrolysebad im Fall, wo der Strom nur an einem
einzigen Ende des Drahtes zugeführt wird.
Man stellte fest, daß bei einer mittleren Stromdichte
S-, von 5 A/dnr man eine Maximalstromdichte (Stromeingangsseite)
und eine Minimalstromdichte (entgegengesetzte Seite) erhielt, die in den folgenden Grenzen
als Funktion des Durchmessers des Diahtes schwankten.
Durchmesser | Maximalstrom | Maximal- |
des Drahtes | dichte in A/dm1 | stromdichtc |
in mm | im A/dm2 | |
0,60 | 12,7 | 2,6 |
0,40 | 14,3 | 2,1 |
0,30 | 17,6 | 1,6 |
0,20 | 25 | 1,1 |
Daraus ergibt sich, daß man, wenn man die Zinnabscheidung nicht »verbrennen«, also an keinem Punkt
die Grenzstromdichte von 5 A/dm2 überschreiten will, die mittlere Stromdichte in den folgenden Anteilen
verringern muß:
Fall des
Drahtes mit
Drahtes mit
Reduktionsverhältnis
d. h. in A/dm2
0,60 mm
0,40 mm
h" 0,30 mm
(UO mm
12V, = 2,56 Male 1,95
14V5 = 2,88 Male 1,75
17 % = 3,57 Male 1.40
i1/, = 5 Male I
Die Produktion der Vcrzinnungsanlagc ist offenbar in den gleichen Anteilen verringert.
Wenn der Strom in den Draht an seinen beiden Enden eingeführt wird, ist dieser Effekt etwas abgeschwächt.
Man kommt unter den gleichen Bedingun-
gen zu ilen folgenden Hrgehnissen:
Purehmesser | Maximalstrom-' | Minimal- |
des Drahtes | dichte in A/dnr | stromdichii |
in mm | in A/dnr | |
0,60 | 7,ft | 3,8 |
0,40 | 3,3 | |
0,30 | y,K | 2,3 |
0,20 | lft,5 | 2,0 |
In diesem Fall müßte man, um an keinem Punkt die Grenzstromdichte von 5 A/dnr zu übersehreiten,
die mittlere Stromdichte in den folgenden Anteilen reduzieren:
Fall des | Reduktions | d. h. in A/dnr |
Drahtes mit | verhältnis | |
0,60 mm | '■"/, = 1,52 | 3,24 |
0,40 mm | *-'/s = 1,61 | 3,10 |
0,30 mm | ""/, = 1,96 | 2,55 |
0,20 mm | "·7, - 3,33 | ! ,50 |
Die Variation der Stromdichte längs dcü Drahtes
kommt daher, daß der ohmschc Widerstand der Drähte geringen Durchmessers und/oder hohen Widerstandes
nicht vernachlässigbar ist und daß es an jedem Punkt des Drahtes eine Verteilung des Stromes
in Richtung der entsprechenden Anode gibt, die insbesondere Funktion des Verhältnisses des r.hmschcn
Widerstandes des zwischen dem Eintrittspunkt in die Wanne und der betrachteten anodischen Zone gelegenen
Drahttcils zum ohmschen Widerstand des Elektrolyten zwischen Draht und Anoden ist.
Zur Verbesserung der Verteilung der Stromdichte über die ganze Länge des Drahtes kann man den in
die aufeinanderfolgenden Anodenpaarc fließenden Strom insbesondere dadurch einstellen, daß man in
den Speisekreis jedes Paares einen zusätzlichen Widerstand regelbaren Wertes einschaltet.
Ungünstigerweise zeigt sich anhand der vorangehenden
Tabellen, daß man den Ausgleich der Stromkreise jedesmal erneut vornehmen müßte, wenn
man den Durchmesser des behandelten Drahtes ändert; es wäre auch möglich, diesen Widerständen einen
ausreichend hohen Wert zu geben, daß die Widerstandsänderungen im Elektrolysekreis vergleichsweise
als vernachlässigbar erscheinen. Jedoch führt diese Anordnung zu einem Energieverlust der Form
P — Rl1, der für die hohen in den industriellen Anlagen
verwendeten Strontstärken unzulässig wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art, wobei das
Substrat draht-, streifen-, band- oder halbflachförmig sein kann, in dem Sinn zu verbessern, daß sie an jedem
Punkt des bewegten Substrats das Erhalten einer homogenen und höchstmöglichen, mit der Güte des
Überzugs verträglichen Stromdichte zuläßt,
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge·
löst, daß jeder Generator einen Gleichrichter auf'
weist, der an die Sekundärwicklung eines Transformators angeschlossen ist, dessen Primärwicklung
in Reihe mit den Primärwicklungen sämtlicher Transformatoren geschaltet ist.
Nach einer besonderen Ausführungsart der Erfindung wird jede Eiektrodengruppc ausgehend von ihrem
eigenen Generator durch einen Leiter gespeist, der mit einem Stromsti* kenfühler ausgerüstet ist, der
ein der Stromstärke proportionales Signal an einen Komparator liefert, der durch Vergleich mit einem
Vorgabesignal einen Korrekturbefehl liefert, der einer Einrichtung zum Steuern der vom Generator gelieferten
Stromstärke zugeführt wird.
Die Einrichtung zum Steuern der Stromstiirke kann ein Magnetverstärker se in, der in bekannter Weise am
Transformator angeschlossen ist, dessen Sekundärwicklung den Gleichstromgenerator speist.
Die Einrichtung zum Steuern der Stromstiirke kann auch ein Thyristor oder vorzugsweise ein Zweirichtungsthyristor
sein, der in bekannter Weise an die Primärwicklung des Transformators angeschlossen ist,
dessen Sekundärwicklung den Gleichstromgenerator speist.
Es hat sich gezeigt, daß die beanspruchte Schaltung eine Einrichtung ergibt, in der eine fast vollkommene
Selbstausgleichung des Stroms in jeder Anodengruppe gesichert ist, so daß die Hochgcschwindigkeits-AbscSieidung
unter optimalen Stromdichteverhältnissen durchgeführt werden k. .«n.
Die Erfindung ist besonders gut für die Abscheidung
eines Metalls auf einem leitenden Substrat verwendbar, indem man das Substrat an den den <'er-
i schicdenen Generatoren gemeinsamen negativen Pol
anschließt und jede Anodengruppe an den positiven Pol jedes unabhängigen Generators anschließt.
Sie ist insbesondere für die Abscheidung von Zinn auf einem Kupferdraht verwendbar, wobei der E-Ick-
i trolyt auf Basis von Zinnfluoborat in wäßriger Lösung
ist und die Anoden aus reinem Zinn sind.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert;
darin zeigt
, Fig. 1 ein Schema einer Einrichtung gemäß der Erfindung, in der der Draht im Verlauf der Verzinnung
an einem einzigen Ende gespeist wird,
Fig. 2 ein Schema einer solchen Einrichtung, in der der Draht an beiden Enden gespeist wird; in 'meiden
> Fällen wird die Speisung durch einen getrennten Generator für jede Anodengruppe gesichert, wodurch
dei Selbstausgleich der Stromstärke gewährleistet ist. und
Fig. 3 ein Schema einer Einrichtung geftiäß der Er-
, findung, in der der Draht im Lauf der Verzinnung an beiden Enden mit Strom gespeist wird, wobei jede
Anodengruppe mit einem Stromstärkefühler verschen ist, der einen an jeden der Generatoren angeschlossenen
Stromstärkeregler steuert.
ι In Fig. 1 ist die Wanne I, die schematisch in Aufsicht
dargestellt ist, mit Elekrolyt gefüllt. Sie mißt 2,5 m in der Länge. Sie weist fünf gleiche Anodenpaare
2 auf, die aus Zinnplatten von 48 x 5 cm gebirdet und gegenüber dem zu verzinnenden Draht 3
symmetrisch angeordnet sind, der von links nach rechts wandert. Jedss Anodenpaar ist an den positiven
Pol 4 eines Gleichstromgenerators 5 angeschlossen, der einen Gleichrichter mit Siliziumdioden in gcschlossenr
Brücke aufweist« der von der Sekundärwicklung 6 eines Transformators gespeist wird, dessen
Primärwicklung 7 in Reihe mit den Primärwicklungen der anderen Stromgeneratoren geschaltet ist.
Die negativen Pole 8 der Gleichrichte r sind untereinander verbunden und an einen Kontakt 9 angeschlossen,
der beispielsweise durch eine Rolle aus leitendem Metall gebildet ist, die den in die Elektrolyscwanne
1 eintretenden Draht 3 mit Strom speist.
Eine völlig herkömmliche, nicht dargestellte Pumpe
Eine völlig herkömmliche, nicht dargestellte Pumpe
sichert einen dauernden Umlauf des Bildes.
F;ig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung, in
der der gemeinsame negative Pol 8 der Generatoren 5 von gleichgerichtetem Elcktrolyscstrom an den zu
verzinnenden Draht 3 sowohl am Eingang als auch üin Ausgang der Wanne 1 angeschlossen ist. Die Vorrichtung
weist IO Anodenpaare 2 von 23 cm Länge Hilf, die untereinander symmetrisch zur Mitte der
Wanne verbunden sind.
Der positive Pol 4 jedes der fünf elementaren Generatoren 5 ist mit jeder symmetrischen Gruppe von
zwei Amidcnpaarcn 2 verbunden. Man kommt so /u
einem fast völligen Ausgleich: Zwischen den untersten
Anoden und den mittleren Anoden mißt man einen Stromstärkeunterschied unter V'/r.
Im Lall der Hg. I und 2 sind die in Reihe geschalteten Primärseiten der Generatoren S an eine Wechselstromquelle
mit der Netzfrequenz angeschlossen, die beispielsweise mittels eines Transformators mit Vielf:u'h:iiK!-hlii<;<;<Mi ;ιηιΙιτ Priniiirwit'kliino 10 ocli-r t-iin-s
eine Spannung zwischen (I und dem Maximum abgeltenden Schieber-Autotransformators Il spnnnungsregelbar
ist.
Die lig. .1 zeigt eine der nach l'ig. 2 gleiche Elek-Irolyseeinrichtung.
in der jeder Anodenkreis einen StroniMärkcfiihler 12 aufweist, der ein Signal abgibt,
daseinein Komparator 13 zugeführt wird, der ebenfalls
von dem Leitwertgeber 14 ein Signal erhält, aufgrund dessen der Komparator einen Korrekturbefehl
abgibt, der einer Steuereinrichtung der durch den Generator 5 abgegebenen Stromstärke zugeführt wird;
die beiden links in der F'igiir liegenden Generatoren 5
werden hinsichtlich der Stromstärke durch einen Magnetverstärker 15 gesteuert, der von jedem bekannten
Tvρ sein kann, während die drei rechts in der Eigur
liegenden Generatoren von einem Zweirichtungsthyristor 16 gesteuert werden, der in der Primärwicklung
7 des Transformators angeordnet und ebenfalls von bekannter Art ist. Obwohl für jeden Generator
ein besonderer Steuerwertgeber dargestellt ist. ist es
klar, daß in der Mehrzahl der lalle ein einziger Geber
erforderlich ist.da der Steuerwert der Stromstärke für
alle Generatoren der gleiche ist.
* /PWiMII ci\v«i>
M>itt|Mt/.K-i lei »UN UiiN »Sei!r»iicfellings« -System durch Reihenschaltung der Primär
Wicklungen 7 der Transformatoren ist diese Regelungsart der Stromstärke genauer und ermöglicht
einen Ausgleich mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von I''/.
Zwecks Abscheidung einer Zinnschichl von 5 |im Dicke auf einem Kupferdraht mit 0,4 mm Durchmesser
haute man eine Elcktrolyseanlage lies im Zusammenhang mit l'ig. 2 beschriebenen Typs mit IO Anodenpaaren,
die symmetrisch mit fünf unabhängigen Generatoren von gleichgerichtetem Strom verbunden
waren, deren Primärseilen in Reihe geschaltet und ar den Sektor mit 220 V. 50 \\/ mittels eines Schieber-Autotransformators
angeschlossen wurden. Jedei Generator lieferte im Mittel 74 A hie 3 V gleichgerichtetem
Strom mit einer Maximahihwcichung vor 2 A zwischen dem höchstbelasteten (demjenigen, ilei
die äußersten Anoden speiste) und dem gcringsthcla
sh-iiMi (demjenigen, der die mittleren Anoden spei
ste).
Der zu verzinnende Draht lief mit der Geschwindigkeit von 300 m min durch und wurde in der Wannt,
in Id aufeinanderfolgenden Schleifen geführt, um
seine Verweilzeil im Elektrolyt zu erhöhen, die 14»
betrug. Der Elektrolyt war eine herkömmliche Zusammensetzung auf Basis von Zinnfhiohonit.
Mar. erhielt so eine sehr gut haftende, eine sein
gleichmütige Dicke und auch nach längerem Lagen ausgezeichnete Sch w-ci Liegenschaften auf w eise nik
Zi nnabschc idung.
Die Verwendung der crfindungsgcmäßcn Einrichtung ist nicht auf die Zinnahscheidung oder Abscheidung
von Blci-Zinn-I egicrungcn auf Kiipferdriihtei
beschränkt. Sie ermöglicht sämtliche Arten von elek trolytischenoder elektrophorctischcn Ahschcidungci
auf Substraten, Drähten. Streifen oder Rändern bc raschem Durchlauf, indem sie eine gleichmäßige Ver
teilung des Stroms an allen Punkten des Substrats si chert. Sie ist besonders gut im lall von Stibstratei
mit einem nicht vernachlässigbaren ohinschen Wider stand verwendbar, der sieh aufgrund ihres geringei
Querschnitts oiler aufgrund ihres spezifischen Wider
\ I »It MI/V . .
Stähle).
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch;Einrichtung zur kontinuierlichen elektrolytischen Hochgeschwindigkeits-Abscheidung auf einem Substrat mit nicht vernaehlässigbarem ohmschen Widerstand, mit einer Mehrzahl von getrennt über Generatoren mit Strom versorgten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Generator (5) einen Gleichrichter aufweist, der an die Sekundärwicklung (6) eines Transformators angeschlossen ist, dessen Primärwicklung(7) in Reihe mit den Primärwicklungen sämtlicher Transformatoren geschaltet ist.
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