Oxidreduktion
In der Umgebungsluft sind die meisten Metalle mit einem natürlichen Oxidfilm bedeckt. Bei vielen technologischen Verfahren wirkt er störend, weshalb Maßnahmen zur Entfernung ergriffen werden. Die Aufgabe der plasmabasierten Reduktion von Oberflächenoxiden besteht darin, das Oxid in das darunterliegende Metall umzuwandeln. Typischerweise werden hierfür wasserstoffhaltige Gase eingesetzt. Die Fähigkeit von Wasserstoff, Oxide zu reduzieren, ist seit Langem bekannt. Nach seiner Entdeckung des Wasserstoffs im Jahr 1766 wies Henry Cavendish nach, dass dieser mit Metalloxiden reagiert und dabei Wasser sowie Metall bildet. Entscheidend für eine erfolgreiche Reduktion ist die Diffusion des reduzierenden Gases in die Oxidschicht. Eine erhöhte Temperatur fördert die Diffusion und beschleunigt den Reduktionsprozess [1]. Plasmatechnische Anlagen auf PAA-Basis (gepulster, atmosphärischer Lichtbogen) erscheinen aufgrund ihrer chemischen und thermischen Prozesskomponenten als äußerst vielversprechend für Reduktionsanwendungen.
Oxide zahlreicher unterschiedlicher Metalle – wie beispielsweise Silber-, Kupfer-, Aluminium-, Eisenlegierungs- oder Titanoxide – lassen sich auf diese Weise reduzieren [2]. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Behandlung von Kupferelektroden auf elektronischen Leiterplatten oder Leadframes zur Verbesserung der Lötbarkeit [3].
Die Reduktion von Kupfer- oder Silberoxid unter den Bedingungen der Umgebungsluft birgt die Gefahr einer Reoxidation, da sich sowohl die Reduktions- als auch die Oxidationsreaktionen mit steigender Temperatur beschleunigen. Um dies zu verhindern, wird häufig eine künstliche Prozessatmosphäre mit extrem niedrigem Sauerstoffgehalt erzeugt. Dies lässt sich beispielsweise durch den Einsatz eines stickstoffgefüllten Tunnels realisieren; alternativ kommt auch eine Behandlung in einer hermetisch abgedichteten Kammer in Betracht.
Abbildung: Die mittels LTPS silberbeschichteten Hochspannungskontaktfinger (a) unmittelbar nach der Beschichtung und (b) nach der Oxidreduktion. Die Plasmabehandlung wurde mit der PlasmaBrush PB3 bei 55 mbar durchgeführt, mit einem Gasgemisch aus 95 % Stickstoff und 5 % Wasserstoff, einer Durchflussrate von 55 SLM, einer Pumpgeschwindigkeit von 105 m³ h⁻¹ und einer Behandlungsdauer von 40 s.
References
[1] Sabat, K.C.; Paramguru, R.K.; Mishra, B.K. Reduction of copper oxide by low-temperature hydrogen plasma. Plasma Chem Plasma Process 2016, 36, 1111 – 1124. https://doi.org/10.1007/s11090-016-9710-9.
[2] El Khalloufi, M.; Soucy, G. Oxide reduction treatment with a thermal plasma torch: A case study. Minerals 2024, 14, 443. https://doi.org/10.3390/min14050443.
[3] Korzec, D.; Hoffmann, M.; Nettesheim, S. Application of plasma bridge for grounding of conductive substrates treated by transferred pulsed atmospheric arc. Plasma 2023, 6, 139 – 161. https://doi.org/10.3390/plasma6010012.
