Tailoring the etchability of aluminium foil by laser interference metallurgy : control of pit initiation sites for high-voltage aluminium capacitor applications

Abstract

During the last decades, different surface patterning techniques have been developed to produce structures in the nano/submicron scale, Laser Interference Metallurgy (LIMET) being one of them. LIMET allows the production of direct periodic arrays over large areas by using the interference of several laser beams. This technique is an attractive tool to improve the etching process of anode aluminium during the manufacturing of high-voltage aluminium capacitors, where aluminium foils are etched so as to develop a high surface area thereby achieving the maximum possible capacitance. The aim of this work was to develop a method for controlling the pit-site distribution during the etching process of aluminium foil. For this purpose, the mechanism that governs the surface patterning of metals and the physical/chemical changes induced by LIMET were investigated. It was demonstrated that the main forces producing the periodic structures on metallic surfaces are surface-tension-driven flow and recoil pressure. Moreover, the impact on aluminium etchability of ordered local oxidation and incorporation of small quantities of Pb and Cu was studied. It was found that periodic surface activation and/or passivation improve the pit distribution of the exposed aluminium. In all systems studied, the etching process followed the ordered array generated by laser interference. Finally, 3D quantitative characterisation of etched structures was performed using FIB tomography.

In den letzten Jahren wurden verschiedene Oberflächenbehandlungstechniken entwickelt, um Strukturen im Nano/Submikrometer-Bereich zu erzeugen, zu denen auch die Laser Interferenz Metallurgie (LIMET) zählt. LIMET ermöglicht die direkte Erzeugung von periodischen, großflächigen Strukturen durch die Interferenz einzelner Laserstrahlen. Diese Technik stellt ein vielversprechendes Werkzeug dar, um den Ätzprozess der Aluminiumanode für Hochspannungskondensatoren zu verbessern. Bei der Herstellung von Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden Aluminiumfolien geätzt, um eine Vergrößerung der Oberfläche herbeizuführen und damit eine deutlich höhe Kapazität zu erzielen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Kontrolle der örtlichen Verteilung der beim Aluminiumätzprozess entstehenden Gruben. Es wurde demonstriert, dass die wichtigsten Effekte bei der Herstellung periodischer Strukturen sowohl der Oberflächenspannungsgradient als auch der Rückstoßdruck sind. Des Weiteren wurden die Auswirkungen von lokaler Oxidation und Einbau geringer Mengen von Pb und Cu auf die Ätzbarkeit von Aluminium untersucht. Es hat sich gezeigt, dass periodische Aktivierung und/oder Passivierung der Oberfläche die Grubenverteilung bei exponiertem Aluminium verbessert. In allen Fällen folgte der Ätzvorgang den durch Laserinterferenz vorgegebenen geordneten Mustern. Schließlich wurden die geätzten Strukturen mittels einer quantitativen 3D FIB-Tomographie charakterisiert.