DE69210650T2

DE69210650T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Elektroplattieren

Info

Publication number: DE69210650T2
Application number: DE69210650T
Authority: DE
Inventors: Mats A Hallberg; Carl G Langenskioeld; Stefan Olin
Original assignee: Cinram Ltd
Current assignee: Cinram Ltd
Priority date: 1991-02-20
Filing date: 1992-02-12
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2012-02-13
Also published as: SE9100507D0; US5244563A; SE9100507L; SE467976B; US5427674A; DE69210650D1; EP0500513A1; EP0500513B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Elektroplattieren, insbesondere bei der Produktion von Metallmatrizen zum Fertigen von Gegenständen aus Kunststoff, beispielsweise Compact-Disks oder CD-Platten, wobei die Vorrichtung einen Behälter mit einer Umfangswand und einer ersten und einer zweiten einander gegenüberliegenden Endwand, so daß ein Plattierraum darin gebildet wird, der einen Elektrolyt aufnehmen kann, sowie eine Anode, einen die Kathode bildenden Träger mit einer elektrisch leitenden Oberfläche, die zu plattieren ist, und zwischen der Anode und der Kathode vorgesehene Mittel, die für einen Fluß des Elektrolyten von der Kathode zu der Anode sorgen, aufweist.
Aus der EP-A-0 020 008 ist eine Vorrichtung dieser Art zum Elektroplattieren von Metallmatrizen insbesondere mit Nickel bekannt. Diese bekannte Vorrichtung umfaßt einen Plattierbehälter, einen Vorratstank für den Elektrolyt, im Prinzip normalerweise Nickelsulphamat, eine Kathode, eine Anode, eine Filtereinrichtung und eine Pumpeinrichtung. In den Behälter sind ein oder mehrere Anodenkörbe eingetaucht, die das Anodenmaterial beinhalten, vorzugsweise in der Form von Nickelkugeln. Die Kathode mit einer scheibenförmigen Plattieroberfläche ist auf die Anode ausgerichtet montiert und wird in dem Elektrolyt gedreht, damit das niedergeschlagene Metall gleichmäßig wird. Gewöhnlich werden der Anodenkorb und somit die Kathodenoberfläche zu der horizontalen Ebene geneigt angeordnet.
Für ein schnelles Durchführen des Plattiervorgangs ist es wünschenswert, daß die Stromdichte hoch ist, allerdings werden bei hohen Stromdichten leicht Kristalle gebildet, die von der Plattieroberfläche vorstehen, wodurch die Metallmatrix unbrauchbar wird.
Ein anderes Problem beim Elektroplattieren zur Herstellung von Stanzmatrizen aus Nickel besteht darin, daß die Nickelschicht so aufgebaut sein muß, daß sie vollständig frei von mechanischen Spannungen ist.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß die hergestellte Matrix eine sehr exakte Dicke aufweisen muß, beispielsweise 0,300 mm, und vollständig planparallel sein muß.
Desweiteren besteht ein Nachteil der bekannten Vorrichtung darin, daß ein großes Elektrolytvolumen erforderlich ist und normalerweise der Vorratstank ein Volumen von etwa 400 Litern hat. Darüberhinaus muß der Elektrolyt eine Temperatur von etwa 50-60 ºC aufweisen und, da der Plattierbehälter lediglich mit einer losen Abdeckung abgedeckt ist, findet eine umfangreiche Verdampfung von Wasser statt. Da die Kathode in der bekannten Vorrichtung drehbar montiert ist, muß die Kathode mit speziellen Kontaktmitteln versehen sein, die infolge der korodierenden Umgebung und der übertragenen großen Stromintensitäten leicht Kontaktprobleme verursachen. Zudem ist die Kathodenoberfläche mehr oder weniger geneigt und an der Kathodenoberfläche verbleibende Wasserstoffblasen verursachen die Bildung von kleinen Hohlräumen darin, sogenannten Pittings. Die Kathodenoberfläche ist beträchtlich größer als die später zu stanzende Matrix und daher wird der Stromverbrauch größer als er tatsächlich sein muß. Der Elektrolytauslaß von dem bekannten Plattierbehälter ist als einfaches Überlaufwehr ausgebildet, was dazu führt, daß alle von dem verbrauchten Anodenmaterial herrührenden Verunreinigungen in dem Behälter verbleiben und die Qualität der hergestellten Matrix beeinflussen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Elektroplattieren, insbesondere bei der Produktion von Metallmatrizen zur Herstellung von Gegenständen aus Kunststoff, beispielsweise Compact-Disks, bereitzustellen, mit der Metallmatrizen schneller und mit deutlich verbesserter Qualität hergestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Umfangswand mit einer Innenkontur ausgebildet ist, die im wesentlichen der zu plattierenden Oberfläche entspricht, wobei der Träger die zweite Behälterendwand bildet, die durch zwischengefügte Stromversorgungselemente abdichtend gegen die Paß- oder Gegenkante der Umfangswand gedrückt wird, während die Anode in der Nähe der ersten Endwand des Behälters angeordnet ist.
Aufgrund der Tatsache, daß die Umfangswand des Behälters eine Querschnittfläche aufweist, die im wesentlichen dieselbe Größe und Form hat wie die Fläche der Plattieroberfläche und diese begrenzt, kann die Stromdichte gleichförmig über die gesamte Plattieroberfläche konzentriert werden und am Umfangsrand der Plattieroberfläche können keine Kriechströme auftreten. Zudem führt die Begrenzung der Plattieroberfläche durch die Umfangswand des Behälters dazu, daß Änderungen in der Konzentration des Elektrolyten dadurch vermieden werden können, daß Elektrolyt in den Behälter gepumpt wird, was zudem den Vorteil ergibt, daß mögliche Verunreinigungen, die von dem Anodenmaterial abgegeben wurden, zwangsläufig von dem Plattierraum entfernt werden.
Zudem erfordert die erfindungsgemäße Vorrichtung eine wesentlich kleinere Elektrolytmenge von etwa 50-70 Litern, was einen Vorteil hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Platzersparnis sowie im Hinblick auf die Erwärmung darstellt.
Da der Behälter vollständig geschlossen ist, kann das Plattieren bei einer höheren Temperatur als zuvor durchgeführt werden, ohne daß große Verdampfungsprobleme auftreten.
Zudem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders gut zur Durchführung des Plattierens mittels eines neuen, vereinfachten Verfahrens geeignet. Dieses erfindungsgemäße Verfahren, bei dem eine Nickelschicht auf einer bereits hergestellten Nickelmatrix abzuscheiden ist, die in die Vorrichtung eingeführt wurde, unterscheidet sich dadurch, daß die Nickelmatrix, i.e. die Kathode, fur eine kurze Zeitspanne als Anode verbunden ist, um eine Oxidschicht bereitzustellen, die als eine Trennschicht wirkt, bevor mit der Abscheidung begonnen wird.
Die Erfindung wird nunmehr beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 eine schematische Ansicht, teilweise im Schnitt, der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist und
Fig. 2 ein mittiger Längsschnitt durch die Vorrichtung in Figur 1 ist.
In den Zeichnungen ist ein Behälter 1 zum Elektroplattieren gezeigt mit einer Umfangswand 2 und Endwänden 3, 17, die eine Plattierkammer oder einen Plattierraum definieren, der mit Elektrolyt gefüllt ist. Vorzugsweise ist der Behälter 1 aus Kunststoff wie beispielsweise Polypropylene gefertigt. Eine Anode 5 ist an einer der Endwände angeordnet, in Fig. 2 die obere Endwand 3, und eine Kathode ist am gegenüberliegenden Ende durch einen Träger 17 mit einer zu plattierenden Oberfläche 7 ausgebildet, wobei eine umlaufende oder diese umgebende ringförmige Stromversorgungsleitung 6 vorgesehen ist. Der gezeigte Behälter 1 ist vorzugsweise vorgesehen zur Herstellung von Metallmatrizen, vorzugsweise aus Nickel, zur Herstellung ebener Gegenstände aus Kunststoff, beispielsweise Compact-Disks. Die zu plattierende Oberfläche 7 ist entweder eine metallisierte, informationstragende Kunstharzschicht auf einem Glasplattenträger 17 oder eine scheibenähnliche Nickelschicht, die eine Kopie der Kunstharzschicht in einem nachfolgenden Herstellungsschritt von Mutter- und/oder Pressmatrizen ist.
Wenn die Glasplatte und die Matrizen eine Kreisform aufweisen, hat die Umfangswand 2 in diesem Fall eine entsprechende kreiszylindrische Form, wenn jedoch Oberflächen einer anderen Umfangsform zu plattieren sind, wird die Umfangswand 2 mit einer entsprechenden Kontur versehen, zumindest auf der Innenseite.
Während die eine (obere) Endwand 3 vorzugweise in einer geeigneten Art und Weise (nicht gezeigt) stationär bzw. fest mit der Umfangswand 2 gehalten wird, wird die andere Endwand 17 von einer Platte 4 gehalten, die zu und von der letztgenannten (Umfangswand 2) bewegbar ist, vorzugsweise von einem bekannten Mechanismus wie etwa einer Kolben-Zylindereinheit 22. Somit kann in einer zurückgezogenen Stellung der Einheit (offene Plattierkammer) ein Glasplattenträger 17 mit einer metallisierten Kunstharzschicht, die Informationen trägt, auf die Platte 4 gelegt werden und anschließend durch die Einheit 22 abdichtend gegen den Rand der Umfangswand 2 gedrückt werden, während einerseits die ringförmige Stromversorgungsleitung 6 und andererseits ein Kontaktring 16, der die Plattieroberfläche 7 umgibt, zusammen mit einer notwendigen ringförmigen Dichteinrichtung 14 dazwischen eingefügt sind.
In der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung wird die Anode 5 von einem vorzugsweise aus Titan gefertigten Korb gebildet, der metallisches Nickel in Form von Kugeln enthält. Mittels eines oberen, sich nach außen erstreckenden Umfangsflansches ist der Korb zwischen der Umfangswand 2 und der oberen Endwand 3 eingeklemmt und hängt mit einer mit einer Vielzahl von Löchern 20 versehenen Unterseite in dem Behälter 1 mit einem exakt vorbestimmten Abstand von der zu plattierenden Oberfläche 7 und in völlig gleichmäßigem Abstand hierzu. In dieser Ausführungsform beträgt dieser Abstand 30 mm. Sowohl die ringförmige Stromversorgungsleitung als auch der Korbflansch sind mit elektrischen Anschlüssen 5a bzw. 6a zum Anschluß an eine geeignete bekannte Stromquelle (nicht gezeigt) versehen.
An seinem unteren Abschnitt ist die Umfangswand 2 hohl ausgebildet, um einen Elektrolytverteilungskanal 11 zu bilden mit einer Anzahl radial nach innen gerichteter Bohrungen 13, die um den Umfang herum gleichmäßig voneinander beabstandet sind, um für eine Strömung bzw. einen Fluß des Elektrolyten von der Kathode zur Anode 5 zu sorgen. Vorzugsweise sind die Bohrungen 13 schräg unter einem Winkel von etwa 30º zum Radius der Umfangswand in einer Ebene parallel zu der zu plattierenden Oberfläche 7 ausgerichtet. Durch eine Verbindung 12 kommuniziert der Verteilungskanal 11 mit einer Elektrolytversorgungsleitung 19 von einer Zirkulationspumpe (nicht gezeigt). Die obere Endwand 3 ist wiederum mit einer vorzugsweise mittigen Auslaßöffnung 10 versehen, die durch eine Leitung 18 mit einem Elektrolyttank (nicht gezeigt) verbunden ist, an den die Zirkulationspumpe angeschlossen ist. Die Querschnittsfläche der Öffnung 10 ist vorzugsweise der Gesamtfläche der Einlaßbohrungen 13 angepaßt und der Pumpendruck vorzugsweise so, daß ein geeigneter Atmosphärenüberdruck von 0,1-10 bar, und insbesondere 0,5 bar, innerhalb des Behälters 1 während des Plattierprozesses aufrecht erhalten wird. Auf diese Weise kann gleichzeitig sichergestellt werden, daß die auf der Platte 4 plazierte Vater- oder Muttermatrix absolut eben gehalten wird, so daß ebenfalls die abgeschiedene oder niedergeschlagene Matrix vollständig eben sein wird. Darüberhinaus kann eine Filtereinrichtung sowohl am Einlaß als auch am Auslaß des Behälters 1 vorgesehen sein, so daß die Flüssigkeit in dem Vorratstank und dem übrigen System frei von Verunreinigungen gehalten wird. Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, kann die Endwand 3 von der. Umfangswand 2 getrennt werden, um Anodenmaterial nachzufüllen.
In einer anderen Ausführungsform (nicht gezeigt) der Erfindung wird ein anderer Anodentyp verwendet, nämlich eine dimensionsstabile scheibenähnliche Anode, eine sogenannte DSA, beispielsweise aus Platin beschichtetem Titan, die mit einer Vielzahl von Löchern versehen sein kann. Bei Verwendung dieser Anode sind Nachfüllmittel an dem Vorratstank angeordnet, um von dem Elektrolyt abgesetztes Nickel zu kompensieren. Dies kann beispielsweise durch Zugabe von Nickelhydroxid erfolgen. Wenn die dimensionsstabile Anode verwendet wird, kann der Abstand zwischen der Kathode und der Anode noch weiter reduziert werden, beispielsweise bis hin zu 5 mm, wodurch höhere Stromdichten verwendet werden können und demzufolge ein schnellerer Niederschlag von Nickel erzielt werden kann. Zudem wird bei kürzerem Abstand zwischen der Anode und der Kathode beträchtlich weniger elektrische Leistung verbraucht. In diesem Fall ist der Elektrolyauslaß 11 vorzugsweise in der Umfangswand 2 angeordnet.
Wie aus dem zuvor beschriebenen ersichtlich, soll die in den Zeichnungen gezeigte Ausführungsform der Erfindung bei einer horizontalen Stellung der Plattieroberfläche 7 verwendet werden, während die zuletzt erwähnte Ausführungsform (nicht gezeigt) auch verwendet werden kann, wenn sich die zu plattierende Oberfläche 7 in einer vertikalen Stellung befindet, was in bestimmten Fällen von praktischem Vorteil sein kann.
Wie bereits erwähnt, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders gut dazu geeignet, in Verbindung mit einem vereinfachten Verfahren zum Plattieren verwendet zu werden, das nunmehr beschrieben wird. Hierbei wird ein Glasplattenträger 17, der eine mit Information versehene metallisierte Harzschicht trägt, zunächst auf eine Platte 4 gelegt, die sich in der zurückgezogenen offenen Stellung befindet, wonach die Endwand in der zuvor beschriebenen Art und Weise geschlossen wird, woraufhin Elektrolyt in den Plattierraum eingeführt wird und die Stromversorgung eingeschaltet wird, um ein erstes Plattieren oder einen ersten Niederschlag einer Nickelschicht auf der Harzschicht auszuführen. Wenn diese Nickelschicht eine notwendige Dicke erreicht hat, wird das Plattieren beendet und der Träger mit der Nickelschicht aus dem Behälter 1 entfernt. Daraufhin wird die Nickeischicht, die nunmehr eine sogenannte Vatermatrix für die anschließende Herstellung bildet, von der Harzschicht abgetrennt und diejenige Seite hiervon, die Informationen trägt, wird depolyemrisiert, mit beispielsweise Azeton gewaschen und mit deionisiertem Wasser gewässert.
Dann ist die Vatermatrix bereit bzw. fertig, um ihrerseits auf die Platte 4 gelegt und in den Plattierraum eingeführt zu werden, um hierauf eine weitere "invertierte" Matrix abzuscheiden, eine sogenannte Muttermatrix. Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt die notwendige Passivierung der Vatermatrix vor diesem weiteren Plattieren nicht durch Behandlung mit Chromverbindungen, sondern erfindungsgemäß zunächst durch Verbinden der Kathode über eine kurze Zeitspanne von 0,1 - 60 Sekunden, vorzugsweise 3 - 20 Sekunden, als Anode, wodurch eine dünne Oxidschicht gebildet wird, die als Trennschicht wirkt, bevor das nachfolgende Plattieren durchgeführt wird. Daraufhin wird die Kathode getrennt bzw. entkoppelt und das Abscheiden der Muttermatrix wird durchgeführt.
Nach der Entfernung aus dem Behälter und dem Trennen von der Vatermatrix kann diese Muttermatrix dann direkt auf die Platte 4 gelegt werden und zum Abscheiden von einer oder mehreren Pressmatrizen in der gleichen Art und Weise verwendet werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Herstellungszeit für Pressmatrizen drastisch reduziert werden und zwar ohne Verwendung von umweltschädlichen Chromatbädern zum Passivieren der Matrizen, wie dies im Stand der Technik der Fall ist. Dies ist sehr vorteilhaft, da Chromate giftig sind und sehr strikte Handhabungsregeln erfordern. Die durch die Erfindung hergestellten Metallmatrizen weisen eine große Oberflächenglätte auf, selbst auf ihrer Rückseite, und müssen daher selten irgendeiner mechanischen Nachbearbeitung unterzogen werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Herstellen aller Arten von optischen Informationträgern vom Typ der Compact-Disks verwendet werden, wie beispielsweise CD, CD-DA, CD-ROM, CD-V, CK-I, Laser-Disks, jedoch auch zur Verwendung von Vinyl-Disks, Hologramms etc.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch die Dicke der produzierten Matrix in radialer Richtung variiert werden, so daß die abgeschiedene Matrix in der Mitte dicker ist, was in Verbindung mit anschließendem Spritzgießen ein Vorteil ist. Dies wird durch geeignete Reduktion der Fläche des Plattierraums erreicht, beispielsweise dadurch, daß die Umfangswand 2 mit einer leicht nach innen verlaufenden konvexen Form ausgeführt wird, oder daß der Verteilungskanal 11 eine solche Form erhält, daß er die Umfangskante der Plattieroberfläche um ein erwünschtes Maß abschirmt.

Claims

1. Vorrichtung zum Elektroplattieren, insbesondere bei der Produktion von Metallmatrizen zur Herstellung von Gegenständen aus Kunststoff wie beispielsweise Compact-Disks, wobei die Vorrichtung einen Behälter (1) mit einer Umfangswand (2) und gegenüberliegenden ersten und zweiten Endwänden (3, 17), um so einen Plattierraum darin zu bilden, der einen Elektrolyt aufnehmen kann, sowie eine Anode (5), einen Träger (17) mit einer zu plattierenden, elektrisch leitenden Oberfläche (7), der die Kathode bildet, und eine Einrichtung (13), die zwischen der Anode (5) und der Kathode angeordnet ist, um für eine Elektrolytströmung von der Kathode zur Anode (5) zu sorgen, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangswand (2) mit einer Innenkontur ausgebildet ist, die im wesentlichen der zu plattierenden Oberfläche (7) entspricht, wobei der Träger (17) die zweite Behälterendwand bildet, die durch zwischengefügte Stromversorgungselemente (6, 16) abdichtend gegen die Gegenkante der Umfangswand (2) gedrückt wird, während die Anode (5) in der Nähe der ersten Endwand (3) des Behälters (1) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Nickelanode, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (5) von einem Korb gebildet wird, der einen ebenen Boden hat und mit Nickelkugeln gefüllt ist, wobei die zu plattierende Oberfläche (7) horizontal und parallel zu dem Boden des Korbs ausgerichtet ist und die erste Endwand (3) mit zumindest einem Elektrolytauslaß (10) versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (5) eine dimensionsstabile Scheibenanode, eine sogenannte DSA, ist und daß Vorrichtungen zum Nachfüllen des von dem Elektrolyt abgeschiedenen Nickels vorgesehen sind, wobei Elektrolytauslässe (10) in der Umfangswand (2) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt in dem Behälter (1) unter Druck gesetzt ist.

5. Verfahren zum Elektroplattieren, insbesondere bei der Produktion von Metallmatrizen zum Herstellen von Gegenständen aus Kunststoff, beispielsweise Compact-Disks, wobei eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4 verwendet wird, bei dem eine Nickelschicht auf einer bereits hergestellten und in die Vorrichtung eingeführten Nickelmatrix abzuscheiden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelmatrix, i.e. die Kathode, für eine kurze Zeitspanne als Anode verbunden wird, um eine Oxidschicht bereitzustellen, die als Trennschicht wirkt, bevor mit der Abscheidung begonnen wird.