Die vorliegende Dissertation beschreibt den Einsatz von Qualitätsmanagementmethoden in der Galvanotechnik, um die geforderten Schichteigenschaften zu jeder Zeit gewährleisten zu können. Im Sinne einer Null-Fehler-Strategie müssen dazu die Prozessschwankungen möglichst minimiert werden. Die Dissertation ist an die DMAIC-Methode der Six Sigma Philosophie (Define, Measure, Analyze, Improve und Control) angelehnt. In der Definitionsphase werden die grundlegenden Zusammenhänge der Galvanotechnik und der untersuchten Prozesse der Nickel- und Nickel-Phosphorabscheidung beschrieben. Als Schlussfolgerung daraus rückt die chemische Badzusammensetzung ins Zentrum der Untersuchung, da diese die Schichteigenschaften wesentlich bestimmt und prozessimmanenten Schwankungen unterliegt. Ausgehend von der Messung und Analyse der Konzentrationsschwankungen lassen sich Regeln zur Festlegung von Analyseintervallen und Eingriffsgrenzen zur Steuerung der Prozesse definieren. Diese münden in eine Neukonzipierung der Badführung mit dem Ziel Schwankungen zu minimieren. Darauf aufbauend lassen sich durch Bilanzierung der Reaktionen und Stoffverbräuche die komplexen Konzentrationsänderungen makroskopisch durch einfache chemische und physikalische Zusammenhänge beschreiben, wodurch sich Prozessveränderungen im Voraus berechnen lassen. Dazu ist die Ermittlung charakteristischer Kenngrößen, wie Verschleppung, Stromausbeute und Reaktionsumsätze nötig, die mit Hilfe eines numerischen Lösungsverfahrens aus den Prozessdaten selbst gewonnen werden können. Durch die Simulation der Konzentrationsänderungen lassen sich Maßnahmen definieren um möglichst stationäre Bedingungen in den galvanischen Bädern einzustellen. In der Kontrollphase werden die beschriebene Systematik und Umsetzung anhand ausgewählter Prozesse überprüft. Die berechneten Prozesskennwerte und Konzentrationsverläufe wiesen dabei eine Abweichung von etwa 10% im Vergleich zu den gemessenen Werten auf. Für die elektrolytische und chemische Nickel-Phosphorabscheidung konnten kurzfristige Prozessfähigkeiten über 2 erreicht werden. Ebenso konnte flankierend mit weiteren Verbesserungen der Ausschussanteil bei der Beschichtung von MID-Bauteilen (molded interconnect devices) von 3% auf dauerhaft weniger als 0,1% gesenkt werden. Dies zeigt, dass ein galvanischer Serienprozess die heutigen industriellen Anforderungen erfüllen kann.
The present dissertation describes the use of quality management methods in electroplating to guarantee the required coating properties at all times. For this, the process fluctuations must be minimized to ensure consistently low error rates.
The dissertation is based on the DMAIC method of the Six Sigma philosophy (Define, Measure, Analyze, Improve and Control). The definition phase consist a description of the basics of electroplating and the investigated processes of nickel and nickel phosphorus deposition. As a conclusion, the main focus is on the chemical bath composition, because it essentially determines the properties of the coating and is affected by process-immanent fluctuations.
Based on the measurement and analysis of the concentration fluctuations rules for the definition of the chemical analysis intervals and the action control limit were defined. As result there is a redesign of the process control to minimize the concentration fluctuations.
Building on that the complex concentration changes can be described macroscopically by simple mass balances in order to calculate process changes in advance. This requires the determination of characteristic parameters such as drag-out, current efficiency and reaction losses. By using a non-linear algorithm the simulated concentrations can be fit to the real concentrations, whereby the characteristic parameters are determined. The aim of simulation of concentration fluctuations is to define measures to reach steady conditions in the electroplating baths.
The described systematic and implementation are checked in selected industrial processes. Thereby the calculated process parameters and concentration agree with the measured values with a deviation of about 10%. Furthermore for an electrolytic and a chemical nickel-phosphorus process short-term process capabilities over 2 have been reached. Together with further improvements, it was also possible to reduce the scrap rate in the plating of MID parts (molded interconnect devices) from 3% to constantly less than 0.1%. This proves that a galvanic series process can meet the industrial demands.