DE202015003382U1 - Electrolytic deposition of copper from water-based electrolytes - Google Patents
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Abstract
Additivgemisch für einen wässrigen farbstofffreien Kupferelektrolyt mit einem pH-Wert im Bereich von 1 bis 2 und einer Kupferkonzentration von 0,3 bis 1,2 mol Cu/L zur Abscheidung hochglänzender, hocheinebnender Kupferüberzüge, wobei das Additivgemisch sämtliche organischen Zusätze des Elektrolyten umfasst.An additive mixture for an aqueous dye-free copper electrolyte having a pH in the range of 1 to 2 and a copper concentration of 0.3 to 1.2 mol Cu / L for the deposition of high-gloss, high-gloss copper coatings, wherein the additive mixture comprises all organic additives of the electrolyte.
Description
Die Neuerung betrifft ein Additivgemisch enthaltend sämtlichen organische Bestandteile zur elektrolytischen farbstofffreien Abscheidung von Kupfer aus einem Wasser basierenden Elektrolyten. Der Elektrolyt kann sowohl für die Galvanisierung von Kunststoffen jeder Art, als auch zur Verstärkung von Leiterbahnen auf gedruckten Schaltungen, sowie zur Abscheidung dekorativer Überzüge auf Kunststoffen, Sanitärbauteilen, Automobilteilen und anderen eingesetzt werden.The innovation relates to an additive mixture containing all organic constituents for the electrolytic dye-free deposition of copper from a water-based electrolyte. The electrolyte can be used both for the galvanization of plastics of all kinds, as well as for the reinforcement of printed circuit tracks, as well as for the deposition of decorative coatings on plastics, sanitary components, automotive parts and others.
Ein weiterer Einsatzweck ist der der „Sudkupferabscheidung” vor der anschließenden eigentlichen Beschichtung mit Kupfer.Another purpose is the "Sudkupferabscheidung" before the subsequent actual coating with copper.
Bekannt ist, dass unter anderem schwefelsauren Kupferelektrolyten organische Zusatzstoffe zugegeben werden, um funktionelle sowie dekorative Eigenschaften der Kupferüberzüge zu erhalten.It is known that among other sulfuric acid copper electrolytes organic additives are added in order to obtain functional and decorative properties of the copper coatings.
Diese organischen Zusätze werden dann im Allgemeinen je nach Wirkungsbereich in Glanzbildner (Brightner), sofern eine hauptsächliche glanzbildende Funktion vorliegt, Einebner (Leveler), sofern eine hauptsächlich, einebnende Funktion vorliegt und Glanzträger (Carrier) und Netzmittel (Wetting Agent), sofern eine hauptsächliche Funktion als Grundglanzbildner vorliegt eingeordnet. Diese organischen Bestandteile werden üblicherweise jeweils separat mit einzelnen Dosierpumpen in den Elektrolyten eingebracht.These organic adjuncts are then generally, depending on the area of action in brighteners (Brightner), if a major gloss-forming function is present, Leveler, if a main, leveling function and carrier and wetting agent, if a main Function as basic glossifier present exists. These organic constituents are usually introduced separately into the electrolyte with individual metering pumps.
Des Weiteren werden sowohl unter der Bezeichnung Glanzzusatz als auch Glanzträger ebenfalls die organischen Zusätze in der Regel eingeordnet, welche die Glanzverteilung sowie die Abscheidung im niedrigen Stromdichtebereich erhöhen.Furthermore, the organic additives are usually classified under the name Glanzzusatz as well as glossy, which increase the gloss distribution and the deposition in the low current density range.
Seit langem bekannt ist die Verwendung von Melasse, Kaffee-Extrakt, basischen Farbstoffen, Thiophosphorsäureester und/oder Thioharnstoff. Der Einsatz der oben genannten Stoffe findet jedoch heute nahezu keine Verwendung mehr, da die Qualität der Überzüge durch viele andere Stoffe deutlich verbessert werden kann.The use of molasses, coffee extract, basic dyes, thiophosphoric acid ester and / or thiourea has long been known. However, the use of the above-mentioned substances is now almost no longer use, since the quality of the coatings can be significantly improved by many other substances.
In
Farbstoffe sowie der Einsatz von 2-wertigen Schwefelverbindungen werden hingegen in
Der Einsatz von Isothioharnstoff-Derivaten wird in
Diese Verbindungen enthalten ein oder mehrere Kohlenstoff Atome gebunden an Heteroatome welche einen kurzen aliphatischen Rest einer Sulfonsäure oder einer anderen wasserlöslichen Gruppe aufweisen.These compounds contain one or more carbon atoms attached to heteroatoms having a short aliphatic residue of a sulfonic acid or other water-soluble group.
Bekannt ist ebenfalls aus
In
Der Einsatz von mindestens einem Umsetzungsprodukt, gebildet aus mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Dihalogenhydrinen und 1-Halogen-2,3-Propandiolen, mit mindestens einem Polyamidoamin wird in
In
- a) mindestens eine Kupferionenquelle,
- b) mindestens eine die elektrische Leitfähigkeit des Abscheidebades erhöhende Verbindung sowie
- c) mindestens einen Zusatzstoff, wobei als Zusatzstoff mindestens ein Umsetzungsprodukt, gebildet aus Epihalogenhydrinen, Dihalogenhydrinen bzw. 1-Halogen-2,3-propandiolen und Polyamidoaminen enthalten ist. Die Polyamidoamine werden durch Kondensationsreaktion von Dicarbonsäuren mit Polyalkylenpolyaminen gebildet. Bei Abscheidung von Kupferschichten aus diesem Bad können Kupferschichten mit gleichmäßiger Schichtdicke abgeschieden werden.
- a) at least one copper ion source,
- b) at least one of the electrical conductivity of the deposition bath increasing compound and
- c) at least one additive, wherein as an additive at least one reaction product formed from epihalohydrins, dihalohydrins or 1-halo-2,3-propanediols and polyamidoamines is included. The polyamidoamines are formed by condensation reaction of dicarboxylic acids with polyalkylenepolyamines. When copper layers are deposited from this bath, copper layers with a uniform layer thickness can be deposited.
In dem vorgenannten Stand der Technik werden die organischen Bestandteile jeweils einzeln über separate Dosierpumpen dem Elektrolyten zugefügt.In the aforementioned prior art, the organic constituents are added to the electrolyte individually via separate metering pumps.
Aufgabe der Neuerung ist es demgegenüber ein System kombiniert aus einebnenden Stoffen, Glanzbildner sowie Glanzträgern und Netzmittel bereitzustellen, welches weder eine Porenbildung aufweist, noch Farbstoffe enthält und als Einkomponentenzusatz dem Elektrolyten während des insbesondere kontinuierlichen Arbeitens zugeführt wird.The object of the innovation, in contrast, is to provide a system combining planarizing substances, brighteners and gloss carriers and wetting agents, which neither has any pore formation nor contains dyes and is supplied as one-component additive to the electrolyte during the particularly continuous operation.
Der Einsatz von Farbstoffen wird teils als nachteilig erachtet, da Praxiserfahrungen gezeigt haben, dass es oftmals auch zur Porenbildung kommt, sofern die Farbstoff enthaltenden Lösungen nicht direkt vor der Zugabe in den Elektrolyten filtriert werden. Ein weiterer Nachteil der derzeit bekannten Systeme liegt in der Anwendung.The use of dyes is sometimes considered to be disadvantageous, since practical experience has shown that pore formation often occurs as well, unless the dye-containing solutions are filtered directly into the electrolyte prior to addition. Another disadvantage of the currently known systems is in the application.
Die meisten Systeme sind oder lassen sich in Glanzbildner, Einebner und Glanzträger sowie Netzmittel unterteilen.Most systems are or can be subdivided into brighteners, levelers and glossy carriers as well as wetting agents.
Nachteil ist, dass es bei Überdosierungen einzelner Bestandteile verschiedener Ergänzungslösungen, insbesondere der Glanzbildner und Einebner zu optischen Störungen der abgeschiedenen Kupferschicht kommt. (Rückgang der Einebnung, Übereinebnung, starke Porenbildung, milchige Abscheidung, Rückgang der Tiefenstreuung usw.) Ein weiterer Nachteil ist der erhöhte Kantenaufbau, zu dem die auf dem Markt bekannten Systeme neigen. Disadvantage is that it comes in overdoses of individual components of various supplementary solutions, in particular the brightener and leveler to optical interference of the deposited copper layer. (Decrease in leveling, over-leveling, excessive pore formation, milky deposition, decrease in depth dispersion, etc.) Another disadvantage is the increased edge build-up to which systems known in the market tend.
Die Anforderungen, insbesondere durch die Automobilindustrie, an stark profilierte Teile mit Vertiefungen oder Schriftzügen, bzw. Symbolen steigen stetig. Vor allem bei diesen Bauteilen kommt es oft zur sogenannten „Kantenbildung” was bisher zu hohen Ausschusszahlen führt.The requirements, especially by the automotive industry, on strongly profiled parts with recesses or lettering, or symbols are increasing steadily. Especially with these components, it often comes to the so-called "edge formation" what previously led to high scrap rates.
Unter der sogenannten „Kantenbildung” versteht man die verstärkte Abscheidung an der Kante der Vertiefung etc. eines Bauteils. Diese wird verstärkt, wenn die Luftströmung der Lufteinblasung, mit der die Kupfersysteme betrieben werden, direkt an dieser vorbeiströmt.The so-called "edge formation" refers to the increased deposition at the edge of the recess, etc. of a component. This is amplified when the air flow of the air injection, with which the copper systems are operated, flows directly past this.
Die auf dem Markt eingesetzten Systeme, können bisher nur Bauteile die diese Anforderungen aufweisen erfolgreich beschichten, indem die Einebnung der Elektrolyte auf ein geringes Maß konfiguriert wird.The systems used on the market, so far only components that meet these requirements can successfully coat by the leveling of the electrolytes is configured to a low level.
Hierdurch lassen sich dann wiederum aber keine Teile welche Anforderungen an Einebnung etc. stellen beschichten. Diese Lösungswege sind also praktisch nicht oder nur unzufriedenstellend durchführbar.In this way, however, in turn, no parts which requirements for leveling, etc., can be coated. These approaches are therefore practically impossible or only unsatisfactory feasible.
Die vorliegend genannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch ein Additivgemisch (Ergänzungslösung, Replenisher) für einen wässrigen farbstofffreien Kupferelektrolyt mit einem pH-Wert im Bereich von < 1 bis 2 und einer Kupferkonzentration von 0,3 bis 1,2 mol Cu/L zur Abscheidung hochglänzender, hocheinebnender Kupferüberzüge, wobei das Additivgemisch sämtliche organischen Zusätze des Elektrolyten umfasst.The object stated here is achieved in a first embodiment by an additive mixture (replenisher, replenisher) for an aqueous, colorless copper electrolyte having a pH in the range of <1 to 2 and a copper concentration of 0.3 to 1.2 mol Cu / L for the deposition of high-gloss, high-gloss copper coatings, wherein the additive mixture comprises all organic additives of the electrolyte.
Besonders bevorzugt umfasst das Additivgemisch wenigstens einen Glanzbildner, wenigstens einen Einebner und wenigstens ein Netzmittel.Particularly preferably, the additive mixture comprises at least one brightener, at least one leveler and at least one wetting agent.
Weiterhin bevorzugt ist ein entsprechender wässriger farbstofffreie Kupferelektrolyt mit einem pH-Wert im Bereich von < 1 bis 2 und einer Kupferkonzentration von 0,3 bis 1,2 mol Cu/L zur Abscheidung hochglänzender, hocheinebnender Kupferüberzüge, enthaltend wenigstens einen Glanzbildner in einer Menge von 0,00001 g/L bis 6 g/L, insbesondere 0,001 bis 0,08 g/L, wenigstens einen Einebner in einer Menge von 0,00001 g/L bis 4 g/L, insbesondere 0,0001 g//L bis 0,004 g/L und wenigstens ein Netzmittel in einer Menge von 0,00001 g/L bis 10 g/L, insbesondere 0,004 bis 0,02 g/L.Also preferred is a corresponding aqueous dye-free copper electrolyte having a pH in the range of <1 to 2 and a copper concentration of 0.3 to 1.2 mol Cu / L for the deposition of high-gloss, hocheinebnender copper coatings containing at least one brightener in an amount of 0.00001 g / L to 6 g / L, in particular 0.001 to 0.08 g / L, at least one leveler in an amount of 0.00001 g / L to 4 g / L, in particular 0.0001 g // L to 0.004 g / L and at least one wetting agent in an amount of 0.00001 g / L to 10 g / L, in particular 0.004 to 0.02 g / L.
Dementsprechend enthält das Additivgemisch vorzugsweise wenigstens einen Glanzbildner in einer Menge von 0.00001 g/L bis 6 g/L, insbesondere 0,001 bis 0,08 g/L, wenigstens einen Einebner in einer Menge von 0.00001 g/L bis 4 g/L, insbesondere 0,0001 g//L bis 0,004 g/L und wenigstens ein Netzmittel in einer Menge von 0,00001 g/L bis 10 g/L, insbesondere 0,004 bis 0,02 g/L. Es stellte sich heraus, dass die neuerungsgemäß angewendeten Stoffe in dieser Kombination nahezu keine Neigung zur Porenbildung, nahezu keine Neigung zur milchigen Abscheidung sowie nahezu keinen Rückgang der Tiefenstreuung aufweisen.Accordingly, the additive mixture preferably contains at least one brightener in an amount of 0.00001 g / L to 6 g / L, in particular 0.001 to 0.08 g / L, at least one leveler in an amount of 0.00001 g / L to 4 g / L, in particular 0.0001 g // L to 0.004 g / L and at least one wetting agent in an amount of 0.00001 g / L to 10 g / L, in particular 0.004 to 0.02 g / L. It turned out that the substances used according to the invention in this combination have almost no tendency to form pores, almost no tendency for milky deposition and almost no decrease in the depth dispersion.
Des Weiteren neigen die hier entwickelten Komponenten und ihre Zusammensetzung praktisch nicht zu Kantenbildung, bei einem vergleichbaren Einebnungsmaß, sodass hier ebenfalls eine deutliche Verbesserung erzielt werden konnte.Furthermore, the components developed here and their composition practically do not tend to form edges, with a comparable level of leveling, so that here also a significant improvement could be achieved.
In einer weiteren Ausführungsform ist das neuerungsgemäße Additivgemisch und damit auch der Kupferelektrolyt dadurch gekennzeichnet, dass der Glanzbildner ein quaternisiertes Amin, eine zweiwertige Schwefelverbindung, ein Reaktionsprodukt aus einem Amin mit Propylenoxid, Ethylenoxid und Epichlorhydrin und/oder ein Alkalimetall Dialkylsulfosuccinat, insbesondere Natriumdioctylsulfosuccinat umfasst.In a further embodiment, the novel additive mixture and thus also the copper electrolyte is characterized in that the brightener comprises a quaternized amine, a divalent sulfur compound, a reaction product of an amine with propylene oxide, ethylene oxide and epichlorohydrin and / or an alkali metal dialkylsulfosuccinate, especially sodium dioctylsulfosuccinate.
Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Neuerung ist das quaternisierte Amin ausgewählt aus der Gruppe umfassend quaternisiertes Tetraethylenpentamin, quaternisiertes Dieethylentriamin, quaternisiertes Ethylendiamin, quaternisiertes Ethylendiamin, quaternisiertes Diethylamin, oder quaternisiertes Dimethylamin, einschließlich deren Gemische. Diese Additive wirken als Glanzbildner über den gesamten Stromdichtebereich.For the purposes of the present invention, the quaternized amine is particularly preferably selected from the group comprising quaternized tetraethylenepentamine, quaternized dieethylenetriamine, quaternized ethylenediamine, quaternized ethylenediamine, quaternized diethylamine, or quaternized dimethylamine, including mixtures thereof. These additives act as brighteners over the entire current density range.
Kumulativ oder alternativ in Bezug auf die Stoffauswahl oder alternativ in Bezug auf die Menge kann der Glanzbildner auch zweiwertige Schwefelverbindungen enthalten, insbesondere bis-(3-Natriumsulfopropyl)disulfid, bevorzugt in einer Menge von 0,00002 g/L bis 2 g/L umfassen. Diese Additive wirken als Glanzbilder insbesondere im niedrigen Stromdichtebereich.Cumulatively or alternatively with respect to the choice of substance or alternatively with regard to the amount, the brightener may also contain divalent sulfur compounds, especially bis- (3-sodium sulfopropyl) disulfide, preferably in an amount of from 0.00002 g / L to 2 g / L. These additives act as scum images, especially in the low current density range.
Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Neuerung umfasst der Einebner ein Reaktionsprodukt aus quaternisiertem Amin und Benzaldehyd umfasst. Dieser Einebner bewirkt besonders im hohen Stromdichtebereich und führt zu hoher und gleichmäßig verteilter Einebnung.For the purposes of the present invention, particular preference is given to the leveler comprising a reaction product of quaternized amine and benzaldehyde. This leveler is particularly effective in the high current density range and leads to high and evenly distributed leveling.
Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Neuerung umfasst das Netzmittel ein Polyalkylenglykol, insbesondere ein EO und/oder PO modifiziertes oder unmodifiziertes Polyethylenglykol, und/oder Polypropylenglykol mit einer Molmasse von 600 bis 20.000 g/mol und/oder unmodifiziertes Polyethylenglykol und/oder Polypropylenglykol mit einer Molmasse von 6 bis 30.000 g/mol umfasst. Diese Netzmittel bewirken besonders eine Porenfreie, hochglänzende sowie wolkenfreie Abscheidung über den gesamten Stromdichtebereich.Particularly preferred according to the present invention, the wetting agent comprises a polyalkylene glycol, in particular an EO and / or PO modified or unmodified polyethylene glycol, and / or polypropylene glycol having a molecular weight of 600 to 20,000 g / mol and / or unmodified polyethylene glycol and / or polypropylene glycol with a Molar mass of 6 to 30,000 g / mol comprises. These wetting agents particularly effect a pore-free, high-gloss and cloud-free deposition over the entire current density range.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Neuerung umfasst die Verwendung eines oben definierten Additivgemisches für Kupferelektrolyten zur Abscheidung von Kupfer auf metallischen oder nichtmetallischen Oberflächen.Another embodiment of the present invention involves the use of a copper electrolyte additive mixture as defined above to deposit copper on metallic or non-metallic surfaces.
Besonders bevorzugt im Sinne der Neuerung kann der neuerungsgemäße Elektrolyt zur Galvanisierung von Kunststoffen jeder Art, zur Verstärkung von Leiterbahnen auf gedruckten Schaltungen sowie zur Abscheidung dekorativer Überzüge auf Kunststoffen, Metallen, Buntmetallen, Sanitärbauteilen oder Automobilteilen eingesetzt werden.Particularly preferred in terms of innovation, the electrolyte according to the innovation can be used for the galvanization of plastics of all kinds, for the reinforcement of printed conductors on printed circuits and for the deposition of decorative coatings on plastics, metals, non-ferrous metals, sanitary components or automotive parts.
Ausführungsbeispiele:EXAMPLES
Die Grundzusammensetzung des neuerungsgemäßen Elektrolyten:
Es konnten auch andere Kupfersalze eingesetzt werden, sowie andere Säuren, wie beispielsweise Fluorborsäuren oder Methansulfonsäuren. Die Zugabe von Chlorid, durch beispielsweise Salzsäure, konnte ganz entfallen, sofern bereits Halogenionen vorhanden sind.Other copper salts could be used, as well as other acids such as fluoroboric acids or methanesulfonic acids. The addition of chloride, for example by hydrochloric acid, could be completely eliminated, if already halogen ions are present.
Des Weiteren konnten ebenfalls, übliche Glanzbildner, Netzmittel oder Glanzträger sowie Einebner dem Elektrolyten zugesetzt werden. Die Arbeitsbedingungen des Elektrolyten:
Es wurde ein geschliffenes Hull-Zellen-Blech mit einer kathodischen Stromdichte von 2 A für 10 Min, 3 A für 5 Min und 0,5 A für 10 Min bei einer Temperatur von 25°C mit Lufteinblasung beschichtet. A ground Hull cell sheet having a cathodic current density of 2 A for 10 min, 3 A for 5 min and 0.5 A for 10 min at a temperature of 25 ° C was air-blown.
Die beschichteten Bleche waren insbesondere bei 2 A und 3 A extrem stark über nahezu den gesamten Stromdichtebereich eingeebnet. Des Weiteren wurden die Bleche hochglänzend über den gesamten Stromdichtebereich beschichtet.The coated sheets were extremely heavily flattened over almost the entire current density range, especially at 2 A and 3 A. Furthermore, the sheets were coated to a high gloss over the entire current density range.
Die Einebnung war außerdem gleichmäßig und nahezu Bewegungs-, beziehungsweise lufteinblasungsunabhängig.The leveling was also uniform and almost independent of movement or ventilation.
Üblicherweise weisen die so beschichteten Hull-Zellen Bleche bei Einsatz der herkömmlichen Systeme eine starke Einebnung im Lufteinblasungsbereich auf, hingegen aber eine teils deutlich schwächere Einebnung in dem Bereich in dem eine geringere Luftströmung herrscht.Normally, the Hull-cell panels coated in this way have a high leveling in the air injection area when using the conventional systems, but in some cases significantly less leveling in the area in which there is less airflow.
Zusammensetzung der Gemische wie o. a.:
Das Glanzgemisch 1, das Einebnergemisch 1 und das Netzmittelgemisch 1 wurden gemeinsam über eine einzige Dosierpumpe dem Ausgangselektrolyten zugesetzt. Beispiel 2:
Es wurde ein geschliffenes Hull-Zellen-Blech mit einer kathodischen Stromdichte von 2 A für 10 Min, 3 A für 5 Min und 0,5 A für 10 Min bei einer Temperatur von 35°C mit Lufteinblasung beschichtet.A ground Hull cell sheet having a cathodic current density of 2 A for 10 min, 3 A for 5 min and 0.5 A for 10 min at a temperature of 35 ° C was air-blown.
Die beschichteten Bleche waren insbesondere bei 2 A und 3 A über ca. 3/4 der Länge des Bleches eingeebnet. Des Weiteren wurden die Bleche hochglänzend über ca. 3/4 der Länge des Bleches beschichtet.The coated panels were flattened, especially at 2 A and 3 A, over approximately 3/4 of the length of the panel. Furthermore, the sheets were coated high gloss over about 3/4 of the length of the sheet.
Die Einebnung war außerdem gleichmäßig und nahezu Bewegungs-, beziehungsweise lufteinblasungsunabhängig. Üblicherweise weisen die so beschichteten Hull-Zellen Bleche bei Einsatz der herkömmlichen Systeme starke Mattigkeiten sowie einen starken Einebnungsrückgang auf.The leveling was also uniform and almost independent of movement or ventilation. Usually, the thus-coated Hull cells have sheets with the use of conventional systems strong fatigue and a strong flattening.
Zusammensetzung der Gemische wie oben angegeben:
Das Glanzgemisch 1, das Einebnergemisch 2 und das Netzmittelgemisch 1 wurden gemeinsam über eine einzige Dosierpumpe dem Ausgangselektrolyten zugesetzt.The luster mixture 1, the leveler mixture 2 and the wetting agent mixture 1 were added together to the starting electrolyte via a single metering pump.
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